应用于车联网的车载天线研究进展综述

梁龙飞，杨曙辉，王文松，Yinchao Chen

（1.中国传媒大学信息与通信工程学院，北京 100024；2.南洋理工大学电气与电子工程学院，新加坡 639798；3.南卡罗来纳大学电气工程系，美国哥伦比亚SC29208）

1 引言

随着车联网技术发展和车联网应用的迅速普及，汽车在实时定位、车间通信、车辆智能化等方面获得了广泛的关注。所谓车联网，即车辆物联网，是以车辆为信息感知对象，借助新一代的信息通信技术，实现车辆与“万物”之间的网络连接，在车辆运行中提供不同的功能服务［1］［2］。车联网系统概念图如图1所示。

图1 车联网系统概念图

车联网主要表现在以下几点特征：

(1)进行车与车之间的无线通信（Vehicle to Vehicle，“V2V”）［3］，可以实现车与车之间实时的信息交流和信息共享，降低车辆之间发生交通事故的概率。根据IEEE 802.11P 标准［4］中所规定，5.85-5.925GHz 作为V2V的专用通信频段，车载天线技术得到迅速发展。

(2)进行车与网络之间的无线通信（Vehicle to Network，“V2N”）［5］。常见的车辆与网络之间的通信有车辆与卫星网络通信（Vehicle to Satellite，“V2S”），例如GPS（Global Positioning System），北斗导航等；以及车辆与路边设备的通信（Vehicle to Roadside，“V2R”），例如车辆与移动通信基站的通信和车辆与交通灯或监控设备的通信等。以常见的卫星网络为例，随着卫星通信技术的日趋完善，车载卫星通信系统将车辆与卫星通信相结合来实现汽车智能化。车载卫星通信系统通过汽车与卫星网络之间建立数据传输的无线通道实现了语音通话、实时定位、信息共享三大功能。由于卫星信号的特殊性，传输过程中遇到的干扰噪声很多，要求天线具备高增益、抗干扰能力强的特点［6］。更重要的是，当电磁波穿过大气中的电离层时，会发生旋转，如果是线极化波，经过旋转之后地面接收端无法接收电磁信号。而圆极化的电磁波不会出现这种信号无法接收的情况。因此对于进行车辆与卫星网路通信V2S 的车载天线需要采用圆极化［6］。

(3)进行车与人之间的无线通信（Vehicle to Pedestrian，“V2P”）。用户通过Wi-Fi、蓝牙、移动蜂窝网络等无线通信手段与车辆进行信息沟通，提高用户的驾驶体验［7］；进行车内设备之间的信息数据传输，对设备状态进行实时监测和控制。

车辆的智能化程度越来越高，就要求有更多更好的车载天线来为之服务。车载天线作为收发信号的重要器件，其性能的好坏对车联网多种应用的实现起到至关重要的作用。因此，车载天线正逐渐成为研究热门。车载天线要的研究主要集中在小型化、宽频带/多频点、高增益等方面。

小型化：车载天线的可以安装在汽车的不同部位，常见的有车顶、车窗玻璃、车厢内部等。由于天线功能的多样性，不同的安装位置对天线性能有着重要的影响。但是，汽车的整体轮廓和外观基本确定，为了不影响汽车的观赏性和驾驶安全性，车载天线的整体尺寸和安装位置有严格的限制。这也是车载天线小型化研究的根源。

宽频带/多频点：随着汽车智能化程度越来越高，在车辆与车辆之间、车辆与卫星之间、车辆与移动设备之间都可以进行通信。为了满足多种智能化应用的要求，车载天线的设计思路主要有两种：一种方法是设计多个天线应用于不同的功能，这要求多个车载天线必须处理好隔离度和安装位置的问题；另一种方法是车载天线的宽频带或多频点，用少量的具有很宽的工作带宽的天线或同时工作在多个频段的天线来实现多个智能化应用。

高增益：车载天线因工作的环境多变，噪声的干扰性较强，所以对天线自身的性能要求较高。以车辆与卫星网络之间的通信为例，由于卫星的位置较远，实际的卫星信号是非常弱的，要保证通信的质量，就要求收发天线具有较高的增益。除此之外，对于状况频出的行车环境，以及各种干扰信号的影响，设计出具有高增益的车载天线是十分必要的。

多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）：在频谱资源日益紧张的背景下，为了最大程度地提高频谱利用率，提出了多输入多输出系统。发射端和接收端设置多个相互独立的天线，能够大幅度的提升信道容量，提高频谱利用率［8］-［11］。

除了关注天线本身的设计，车载天线安装位置、各个天线之间的相互作用以及外界环境变化对天线性能的影响都有着非常重要的研究价值。

2 车载天线的性能

车联网技术的发展对车载天线的性能提出了更高的要求。想要设计出符合要求的车载天线，就要清楚的了解几个关键的电参数。

（1）增益、方向性系数与效率

天线增益指的是在输入功率相同的情况下，实际天线与理想的辐射单元在空间上同一位置所产生的信号的功率密度之比［12］。增益描述了天线把输入功率集中辐射的程度，符号记为G。我们通常说的天线增益，指的是天线在辐射最大的方向上的增益。

方向性系数表征的是天线方向性的强弱情况。定义是天线辐射远场某点的功率密度与辐射功率相同的理想与方向性天线在同一点处的功率密度之比，用符号D来表示［12］。

天线效率用来衡量天线把导波能量转化为自由空间中辐射场能量的程度［12］，用符号η 表示。天线效率等于天线辐射的总功率与天线在馈线处获得的输入功率的比值，输入功率也可以看成辐射功率与损耗功率的总和。

其中，PA与PR表示天线的输入功率和辐射功率。同时输入功率PA可以分为辐射功率PR和天线辐射过程中损耗的能量PL。综合来看，增益、方向性系数与天线效率之间的关系如下：

在车载天线的分析时，由于汽车的工作环境变化很大，例如出现雨雪、大风等恶劣天气以及高山丘陵等崎岖地形，所以天线增益、方向性系数和天线效率在不同工作环境中的变化需要进一步分析。

（2）极化

极化指的是天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的特性［12］。线极化：电场强度在最大辐射方向的运动轨迹为一条直线。当电场强度的变化方向垂直于地面时，称之为垂直极化波；平行于地面时，称之为水平极化波。圆极化：电场矢量在自由空间中随时间变化轨迹为圆形，即电场分量的振幅相同，相位差90°。根据运动方向的不同，可以分为左旋圆极化和右旋圆极化。椭圆极化：当电场分量的振幅和相位都不相同时，构成了椭圆极化。一般来说为保证通信质量，车辆与卫星通信所用的天线极化方式为圆极化。

（3）工作带宽

工作带宽指的是满足天线工作指标的工作频带的宽度，用BW 表示。一般的，天线的工作带宽指的是反射系数带宽，有两种表示方法：绝对带宽BWab和相对带宽BWre。如公式（3）、（4）所示：

其中，fH与fL分别表示工作频带所对应的高频和低频。

3 车载天线的分类与发展趋势

3.1 传统车载天线的分类

从现阶段来看，车载天线的发展历程主要可以分为三个阶段：鞭型天线、车窗玻璃天线、车载“鲨鱼鳍”天线。为了应用车载广播设备，传统鞭型天线被设计出来，目前常见的鞭形天线如图2 所示。鞭型天线为单极子天线，具有结构简单和造价低的优点，完全可以满足车载AM/FM 广播或汽车电台的要求［13］-［17］。由于广播信号的工作频段很低（0.53-1.7MHz和87.5-108MHz），对应的天线长度过长，不可避免的会出现很多问题，例如：过长的天线会影响车辆整体美观程度、天线单一易损坏等。当汽车在高速或者大风和雨雪天气行驶时会受到很大的外部噪声干扰，导致接收信号不稳定，甚至天线损坏。螺旋天线［18］［19］、拉伸式鞭型天线［20］可以看成传统鞭型天线的改良，将拉伸式天线与车顶呈60°放置，不仅在一定程度上改善了天线长度过长的缺点，而且降低了天线的损坏风险。

图2 车载鞭型天线［6］

为了解决车辆外观的问题，出现了一种集成在车窗玻璃上的天线［21］-［28］，可以很好的应用在汽车广播系统，常见的车窗玻璃天线如图3 所示。一般地，车窗玻璃天线放置在车辆后窗［21］-［24］，另有部分集成在前车窗和侧面车窗玻璃中［25］-［28］。由于天线与车窗玻璃结合到一起，天线可以很好的隐藏，解决了外观问题，但也带来了很多其它问题。首先是在设计天线时必须把天线波长和车辆整体结合到一起进行仿真，车辆本身会对天线性能有着较大影响，其它电子设备对车窗玻璃天线的性能影响极大，气候的变化也会严重影响天线性能。为了实现天线的全向性，人们往往在不同位置的车窗上都放置车窗玻璃天线组成分集天线，这样一来不仅生产加工耗时费力，安装成本会相应的增加。

图3 车窗玻璃天线［13］

随着科技的发展，汽车上的电子设备越来越多，车载天线的数量增多导致安装空间不足。“鲨鱼鳍”天线的出现提高了无线收发系统的性能，又因为其结构简单易于设计，逐渐受到各大汽车厂商的追捧。“鲨鱼鳍”天线一般安装在车顶上，如图4 所示，因其外部有形似鲨鱼鳍的外壳而得名。鲨鱼鳍外壳之中可以安置了多个天线，来应用多种智能化服务。例如：AM/FM 广播、GPS 定位、无线局域网通信（Wireless Local Area Network，WLAN）等［29］［30］。

图4 车载鲨鱼鳍天线［13］

正是因为车载鲨鱼鳍天线外形美观，内部可以放置多个车载天线，成为了许多学者的研究课题。近年来，国内外学者提出了多种可以放置在壳内的小型化、宽频带/多频点的车载天线［31］-［37］。

Diana V.Navarro-Méndez 等人根据车载鲨鱼鳍外壳的形状设计出了一款两个单极子结合的宽带天线［31］。两个单极子互相交叉的放置在一起，形成了三维立体结构，如图5 所示。天线可以覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、WCDMA2100、WLAN2400、LTE2600、WiMAX2350、Wi-Fi等多个频带，具有广泛的应用前景。

图5 车载鲨鱼鳍天线［31］

Andrea Michel 等人设计了一款“多臂形”LTE 频段宽带印刷天线［32］，结构如图6 所示。天线具有698-2690MHz 的工作带宽，可以用于LTE（698-960 MHz）、GSM（1710-2170 MHz）、UMTS（2490-2690 MHz）和WLAN（2400-2485MHz）等频段。另外，具有尺寸小、剖面低的优点，可以完美的放置在鲨鱼鳍状的外壳中，应用于车辆之间的通信。

图6 车载“多臂型”宽带印刷天线［32］

Wu Qi 根据车载鲨鱼鳍外壳的形状设计出了一款应用于LTE、WLAN、V2V频段的L形的单极子结合的车载天线［33］，通过把微带贴片进行弯折，可以在较小的尺寸实现合适的频段，结构如图7所示。两个天线之间没有去耦结构，主要通过改变两个天线之间的间隔来改善隔离度。从实测结果来看，天线可以工作在698-2700GHz和5-6GHz，隔离度可以实现小于23dB。在整个频段内，两个天线的增益均大于1.5 dBi。

图7 车载鲨鱼鳍天线外观图［33］

上述文献都在鲨鱼鳍外壳的限制下设计出了新颖的单个天线或多个天线。值得注意的是，对于多个天线的情况，就必须要考虑天线之间的隔离度，为了改善隔离度，除了简单的改变天线之间的距离外，还出现了多种新颖且有效的方法：缺陷地结构（Defected Ground Structure,DGS）［38］［39］、电磁带隙结构（Electromagnetic band gap,EBG）［40］［41］、超材料［42］和寄生单元［43］等。

Li Xiaolai 根据车载鲨鱼鳍外壳的形状设计出了一款隔离度改善的宽带天线［44］。两个平面印刷的倒F天线互相平行的放置，实现了较宽的工作频段。为了改善端口隔离度，作者设计了一种新颖的分型去耦结构。去耦结构由四个分型单元槽和一个窄线槽组成，外观如图8 所示。放置在两个天线中间，可以很好的改善两个天线之间的端口隔离度。从结果来看，加了去耦结构的天线隔离度可以由8dB 改善为32dB。天线工作带宽为3.02-3.96GHz，可以很好的覆盖5G 的sub-6GHz频段。

图8 车载鲨鱼鳍天线与去耦结构［44］

3.2 车载天线的发展趋势

近年来，随着车联网技术的迅猛发展，高性能的车载天线已经成为了研究热门。天线的设计不再局限于上述的三种常见的天线类型，也不再局限的放置在车顶等位置，许多新型的车载天线被提出，并且结合车辆模型进行仿真与实测分析［45］-［51］。

Hang Wong 等人提出了一款用于车对车通信和无线局域网通信的宽带车载天线［48］。天线在辐射贴片和金属地之间加入了短路柱以及刻蚀在辐射贴片的V型缝隙，使天线激励了三个工作模式，实现了32.2%的工作带宽（4.82-6.67GHz），工作频带上获得6.5dBi 的增益。天线的剖面只有3 mm（0.09 波长长度），解决了车载天线与车辆外观不协调的问题。

Wang Shiyan 等人设计了一款应用于车辆通信实现了大信号覆盖和频段良好隔离的双频带双圆极化天线［49］。天线通过引入两个三维L形短截线环，结构如图9 所示，可以工作在比圆形贴片所产生的TM02模更低和更高的频率工作，实现了每个环和圆形贴片之间的不同相位关系。因此，在各自的频段上产生右旋圆极化（RHCP）和左旋圆极化（LHCP）。重要的是，天线实现了两个频段之间的高度隔离，两个频带的辐射方向图都是全向的，有利于车辆通信。当汽车在高低不平的地区行驶时，全向辐射可以保证通信稳定性。

图9 天线实物图［49］

Wang Wensong 等人提出了一款应用于汽车的宽带多极化的MIMO天线［50］。四个天线采用了立体结构放置，两个天线印刷在一块FR4介质板，两块介质板相插，实现了互相垂直的交叉结构，如图10所示。这种结构的特点就是本身就可以实现较高的隔离度。该天线被放置在汽车顶部，实现超宽的工作带宽（1.95-6.25GHz）的同时可以实现良好的隔离度。因此可以应用于多种车联网服务：WLAN(2.4GHz,5.1-5.8GHz)、5G移动通信的sub-6GHz 频段（3.3-3.6GHz)、蓝牙频段（2.4GHz)、WiMAX频段（2.3-5.7GHz)、LTE频段（2.2-3.8GHz）以及ISM频段（2.4/5.2/5.8 GHz)。天线之间的最大的端口隔离度大于16dB，相关包络系数（Envelope Correlation Coefficient,ECC）小于0.028。由于其超宽的工作带宽，这款车载天线会有广泛的应用前景。

图10 天线实物图［50］

Xu Rui 提出了一种用于车辆全球导航卫星系统的可重构双频双圆极化天线［51］，天线结构如图11所示，由一个椭圆形金属腔和结构简单的可重构平面印刷单极子天线。天线具有高增益、圆极化和可重构的特点。天线的双频带分别为1.05-1.325GHz与1.54-1.63GHz，可以很好的对应全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的通讯频段。天线放置在车顶，可以很好的实现天线性能的同时，也不会受到车内电子设备的影响。通过这款天线的引入，车辆可以很好与卫星进行移动通信服务，进行车辆的实时定位和导航。

图11 用于卫星导航的车载可重构天线实物图［51］

为了获得更好的天线性能，一些学者试着把超材料和车载天线结合起来，以此来改善天线的性能。人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）作为超材料的一种，其同相反射特性可以起到降低天线剖面、改善阻抗匹配、提高增益的优势，经常被应用到天线的设计中［52］-［59］。Zhu Jianfeng等人提出了一款基于频率选择表面（Frequency Selection Surface，FSS）和人工磁导体的双频双圆极化天线［59］。这款车载天线主要应用于车辆与卫星之间的通信。天线上使用L形缝隙来调整天线的频点，天线下方放置了AMC和FSS，来改善天线的性能，天线实物见图12，天线结构共分四层，天线辐射结构在最上层，高频段AMC和FSS结构分别置于第二层和第三层，低频AMC置于最底层。从仿真结果来看，添加AMC和FSS结构之后天线增益和轴比带宽有所改善。

图12 加载AMC和FSS的车载天线［59］

除了车载天线结构的设计，近年来关于车载天线辐射性能测试［60］［61］以及车辆工作环境［62］［63］也有一定的研究。在文献［60］中,作者使用数值方法对于车载4G 天线性能进行了分析与预测，具有一定先进性和可行性。在文献［63］中，Ren Kai 等人通过特征模理论对车载天线的性能进行分析，并创造性的研究了外部环境的变化对天线辐射性能的影响，文章分析了两栖作战车辆在干燥土壤、潮湿土壤和海水环境中的天线辐射表现，如图13，说明了不同环境时的天线表现。这种方法对车载天线整体性能的研究有着重要意义。

图13 不同环境中车载天线辐射表现［63］

4 结论

随着无线通信技术深入发展，大量智能设备融入我们的生活。车联网属于物联网技术的一个分支，正在处于一个高速发展阶段。随着车联网标准逐渐规范，车载天线的研究也更加深入：小型化、宽频带/多频点、高增益和多输入多输出技术等都是车载天线研究的重点。从车载天线的发展历程来看，从鞭型天线、车窗玻璃天线再到“鲨鱼鳍”天线，天线的形式越来越多样化，结构越来越复杂，性能也越来越好。尤其是“鲨鱼鳍”天线，外壳形状与车辆外观协调融合，内部集成多个天线的优点使之成为研究热点。由于壳内空间有限，天线小型化、降低端口隔离度都提出了有效的方法。随着人工磁导体、频率选择表面等超材料的研究与应用，天线可以获得更好的性能。同时，对于车载天线的研究不仅要聚焦在天线结构设计，还应该注重天线安装位置以及外部环境变化对天线性能的影响。