车载鲨鱼鳍式超宽带多功能天线的研制*

伍书凝,林福民,李红涛,周冬跃,王媛媛

(广东工业大学 物理与光电工程学院，广州 510006)

0 引 言

随着汽车市场竞争加剧，汽车制造商已开始将注意力转向移动无线通信应用来为其产品增值,从而促进了对不同频段工作的新天线的需求。这些新天线需满足新的移动通信频段,例如GPS、5G、WiFi、车联网等通信频段。车载天线设计通常为扁平鲨鱼鳍式，车顶内嵌式或者鞭状式，以便集成在汽车结构上。同时，也由于汽车金属结构产生的屏蔽作用，在汽车内部使用手机时，其信号会相应受到影响，因此最小化这种屏蔽影响的常见解决方案是使用外部车载天线。

国内外已经有部分学者开展了一些工作在移动通信频段上的宽带天线用于车辆应用的研究，包括覆盖LTE频段的宽带天线[1-5]和车载多频带通信天线[6-11]，但这些天线或是覆盖频域过窄，或是尺寸过大，亦或是需要多个天线同时工作才能实现宽频带。文献[6]设计了一种三频带车载天线，频域范围可覆盖824～960 MHz、1 710～2 690 MHz和3.4～3.6 GHz，而代价是天线高度达70 mm，且需要地板足够大的情况下才能正常工作。文献[12]通过接地枝节、寄生枝节和弯折枝节之间的相互耦合作用来实现两个常用通信宽带频段且不需要其他匹配网络，该天线的最大增益在7.3 dB左右，但美中不足的是没有覆盖Sub-6G通信频段。因此随着5G通信的商用化以及当今汽车市场份额的增大，设计一种既美观又实用的小型化超宽带车载通信天线是极其迫切且有必要的。

本文提出了一种应用于车载通信系统的超宽带天线，由1/4椭圆单极子枝节和矩形单极子枝节组成。由于该天线在所有的工作频段内的驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)比较小，因此可以认为天线在所有的工作频段内的输入阻抗接近50 Ω，可与同轴馈电线匹配连接。以VSWR=4∶1计算，所制天线能够产生824～5 000 MHz一个超宽带宽，从而能够覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE、5G通信制式，具体工作频段为824～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2 300～2 690 MHz、3 300～5 000 MHz，设计的主集天线仅占50 mm×42 mm×1.6 mm的空间，结构简单，垂直高度低，非常适配于车载鲨鱼鳍式狭小的空间限制。实验中对天线进行了CST软件仿真、样品构造以及微波暗室实测，其仿真与实测结果较吻合，证明天线能够满足车载通信的实际需求。

1 单极子天线设计

本文旨在设计一款覆盖824～5 000 MHz车载通信频段，并在工作频段内驻波比小于4 dB，具有全向辐射性能以及最大增益大于4 dBi的超宽带车载主集天线，且主集天线后续将与分集天线搭载并构成2×4 多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)车载通信系统。因为MIMO技术的优点是在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下提高信道的容量，提高信道的可靠性以及多路径效应，所以即便当VSWR=4 dB、传输功率仅仅为输入功率的64%时，MIMO技术可以利用多天线来抑制信道衰落，使得并行数据流可以同时传送，并显著克服信道的衰落，降低误码率。天线可工作频段与相关系统内总工作频段的比值相对带宽大于25%或是绝对带宽大于500 MHz，即为该系统内的超宽带天线。

一般来说网络终端设备在无线区域内的运动是随机的，为了保证能够接收到信号，移动天线的方向图一般设计为全向的。基站以及终端网络设备是在视距内，假设天线不具有全向的方向图，移动天线接收到的信号将有显著的变化，因此车载主天线一般要求为全向天线。因为垂直极化的宽带全向天线比较容易实现，所以将车载通信天线设计为垂直极化。单极子天线由于具有结构简单、垂直极化以及水平全向的方向图，因而成为车载通信天线设计的最佳选择[13]。

图1所示为单极子天线的设计过程，黄色区域为金属铜，白色区域为介质基板。结构4为单极子天线最终设计形状，辐射贴片由长矩形和1/4椭圆组成，基板材料为FR-4(相对介电常数为 4.4，损耗角正切为 0.025)，基板长L=75 mm，宽a2=42 mm，其设计厚度均为1.6 mm。馈电点均为单极子天线底部中心处，且与金属地板的间距为1 mm。

图1 单极子天线设计过程

天线具体结构尺寸如表1所示。根据表1的结构参数，在仿真软件CST studio suite里面建立3D模型，并进行仿真优化后分析得到单极子天线的驻波比随频率变化的曲线。图2所示为结构1、2、3、4的驻波比对照图，可以看出结构1中当天线高度达到75 mm时天线在频域824～960 MHz可以达到驻波比小于4，但结构1未覆盖频域1 710～2 300 MHz。同样地，在结构1的基础上添加了半圆形枝节的结构2在频域824～960 MHz以及1 710～2 170 MHz频段范围内未能达到设计要求，甚至驻波比曲线劣于结构1。而添加了椭圆形枝节的结构3与结构4在频域1 710～2 300 MHz中驻波比能下降到2 dB左右，且皆可覆盖设计指标要求的工作频域，但考虑到鲨鱼鳍空间的大小，因此采用横向长度较短的结构4作为车载主集天线的最终结构设计。

表1 单极子天线的主要结构尺寸

图2 结构1、2、3、4的驻波比仿真结果

为进一步分析天线结构参数对单极子天线结构4性能的影响，在CST studio suite里面对1/4椭圆枝节的短轴a2以及长轴b2进行参数扫描。图3所示为当b2为固定值时，天线驻波比随a2值的变化曲线。可以看出天线在824～960 MHz频段，低频谐振点随着a2的增大而略微往低频偏移；在1 710～2 500 MHz频段，当a2=22 mm时，驻波比曲线劣于另外4条曲线；在高频域时，天线的驻波比大致相同。由此可以得出结论：调节椭圆短轴a2的长度可以微调低频域驻波比。

图3 驻波比随参数a2变化曲线

图4所示为当a2为固定值时，天线驻波比随b2值的变化曲线。可以观察到，同样地，天线在824～960 MHz频段，低频谐振点随着b2的增大而明显往低频偏移以及驻波比明显下降；在1 710～3 000 MHz频段，谐振点随着参数b2的增大而向左偏移。由此可以得出结论：调节椭圆长轴b2的长度可以显著调节低频域驻波比以及中频域处谐振点。

图4 驻波比随参数b2变化曲线

2 车载主集天线设计

本文对结构4进行了优化，并将其整合到鲨鱼鳍式金属地板上，图5所示为优化后的车载天线。如图5(a)所示，为防止功率过大而导致天线工作失效，在鱼鳍式地板两侧放置两个对称的主集天线，天线1、天线2皆为接收与发射天线，当金属地板足够大时，优化后的结构参数L=50 mm，有效地降低了天线高度且节省了鲨鱼鳍的空间，以便组合分集天线、WiFi蓝牙天线以及车联网天线。此外，车载天线之间的隔离度也是天线设计的一个重要指标，而提高天线隔离度的方法有三种：一是加大两个天线的空间距离；二是两个天线不共地；三是将共地进行表面滤波设计。如图5(b)所示，为了保证两天线之间的隔离度在工作频域范围均低于-15 dB，对金属地板的分割使其不共地且加大两天线之间的距离。经过仿真与实测，金属地板所分割的两个矩形结构参数最终确定为L1=42 mm，L2=50 mm，L3=110 mm，W6=5 mm。图5(b)中两个槽口是为了将天线插入地板做的模拟仿真，以便达到更真实的仿真效果。

(b)鲨鱼鳍金属地板图图5 车载主集天线结构图

根据上文所述的结构尺寸参数，在软件CST studio suite中建立模型，并通过软件仿真优化和分析后得到该天线的驻波比随频率变化曲线。图6所示为主集天线仿真与实测驻波比图，天线1和2为主集天线且皆为接收与发射天线，因此仿真驻波比曲线图重合。从图中可以观察到，仿真驻波比在工作频域范围内皆低于3，而由于存在实物加工误差以及测量误差，天线2的实测驻波比要比天线1的驻波比略差一些，但也都满足车载天线的设计要求。

图6 主集天线驻波比仿真与实测对比

图7所示为主集天线的仿真与实测隔离度，可以看出，在826～960 MHz频段中隔离度只有-5 dB左右，而且在1 710～2 500 MHz也未达到-15 dB。但在矢量网络分析仪实际测试中，观察到主集天线在全工作频域内的隔离度小于-15 dB，这表明天线在低频段826～960 MHz的实际工作效果远远好于仿真效果。

图7 主集天线仿真与实测隔离度

为了更直观地了解天线隔离度，引入包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient,ECC)这一概念来诠释天线隔离度的好坏。包络相关系数可以通过辐射场来精准计算，但是为了简化计算，也可以通过S参数矩阵计算其大小。本文采用CST的计算方法来计算 ECC，公式为

(1)

一般情况下，车载主集天线要求ECC值要小于 0.1，具体数值可以视主集天线的应用情况而定。图8所示为天线的包络相关系数图，可以观察到在天线工作频段内，ECC的值远小于0.1，所以本节设计的多频多模车载通信天线符合设计的一般性能要求。

图8 主集天线包络相关系数

图9所示为主集天线最大增益仿真与实测对比图，接收天线以及发射天线在低频段的实测最大增益达到2.1 dBi左右，在高频段区域内天线的最大增益高达8 dBi，较符合仿真结果也符合该设计的初始目标。

图9 主集天线最大增益仿真与实测对比

图10所示为主集天线辐射效率仿真与实测对比图，可以观察到在低频段时主集天线的实测辐射效率在57%左右，相反，主集天线工作在高频段时，天线的实测辐射效率在70%～95%之间，远远高于仿真结果。

图10 主集天线辐射效率仿真与实测对比

造成天线在低频工作时的实测最大增益和辐射效率低于高频的原因在于，天线效率一般定义为天线的辐射功率Pref与输入功率Pi之比，即

(2)

而由于天线效率是辐射功率与输入功率之比，很自然地它就把方向性系数D和增益G联系了起来，其关系为

(3)

再者，天线辐射功率Pref以及输入功率Pi与反射系数Γ以及驻波比的关系为

(4)

(5)

综上所述，增益G与VSWR的关系为

(6)

由此可见，天线辐射效率以及天线增益与天线驻波比具有相关性。从图6中可知，天线的驻波比在低频段要高于高频段。从式(6)可以判断，天线的辐射效率与最大增益在826～960 MHz频段应该较低，与图10结果一致。而高频段存在天线的辐射效率与最大增益仿真结果明显低于实测结果的原因在于CST微波工作室核心算法是基于时域有限积分，而时域算法的信号为脉冲信号没有收敛，根据傅里叶变换的原理可知要仿真的频带宽度越宽，对应时域脉冲就越窄，也就意味着计算时间变短则导致傅里叶变换精度不够，会造成仿真与实测结果出现偏差；再者，实测中的设备仪器存在插损以及系统误差，这也是造成仿真与实测结果有所偏差的原因。

图11所示为车载天线原型，图12为车载天线微波暗室实测图。

图11 车载天线原型图

图12 车载天线微波暗室实测

图13所示为超宽带车载通信天线的方向图测试结果，分别展示了在频点890 MHz、2 000 MHz、3 500 MHz、4 500 MHz处的天线1、天线2的XOZ平面、YOZ平面辐射方向图。从各个频点的方向图可以看到，天线1、天线2的方向图几乎是关于鲨鱼鳍式结构中轴线对称的，更加适合用于车载通信系统，有利于提高全方位的无线连接和无线通信质量。

(a)890 MHz

(b)2 000 MHz

(c)3 500 MHz

(d)4 500 MHz图13 车载天线实测方向图

3 结束语

本文设计了一款工作于车载通信的超宽带主集天线，极化方式为线极化。天线采用了电尺寸为λ/4的单极子天线方案，利用其垂直极化波特性，极大地保证水平方向全向辐射，还具有较高的效率和增益，基本满足GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE、5G通信所需的工作频段。本天线具有结构简单、体积小、造价超低、超宽带等优点，在车载通信系统中具有很高的实际使用价值。所设计的主集天线可与分集天线搭载构成2×4 MIMO通信系统，在改善车载通信质量，成倍提高系统信道容量方面有着明显的优势。

但设计的单极子天线在垂直方向的增益较小，需在后续开展优化设计工作。