汽车收音机天线远场测量方法研究

陈亚亮

（一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130000）

汽车的设计、生产和服务不断演变以满足人们多样化的需求，在消费者日益增长的需求下，汽车主机的功能配置越来越多被提及，作为构建该系统的核心组件汽车收音机天线的研究也越来越重要。从1930年第1款汽车收音机天线“摩托罗拉”[1]，发展到安装在车顶倾斜60°，其长度等于或大于1/4波长的鞭状天线[2]，再演变到利用金属涂层将接收天线印刷在玻璃上的玻璃天线[3]。高品质的汽车天线产品需要完备的测量验证方法，整车收音机天线远场测试是其性能要求的必要试验。远场测试是利用开阔场进行辐射发射和接收的测试，被公认为科学、合理的测量方法。但目前中国对汽车收音机天线尚无测试的标准规范，主流的主机厂例如通用、丰田、大众等有其企业标准[4]。

本文聚焦于整车收音机天线的远场测试，基于大众汽车天线测量标准，给出开阔场场地均匀性及天线交叉极化的验证方法。以Golf A8车型为例，详述基于参考天线的整车收音机天线测量方法，提出收音机天线性能的评价指标及注意事项，为行业标准提供了测试依据。

1 开阔场测试场地要求

开阔场是指受试设备在露天测试现场（OATS）中进行测量，行业内一般采用室外开阔场方法测试汽车收音机天线[5]。在大众标准TL82133中对开阔场场地均匀性和天线交叉极化有明确的技术要求，下文将简述场地均匀性和交叉极化的验证方法。

1.1 场地均匀性验证方法

场地均匀性是指发射天线保持不动，接收天线分别置于静区内的4个点，记录接收信号幅度与中心点的变化情况，技术要求偏差在±1dB以内。

在进行场地均匀性测量时，如图1所示，发射天线与转台中心距离100m，分别测量水平极化和垂直极化的信号接收幅值，采 集0°、90°、180°、270°分别位于中心点2m位置区域内的幅值数据，并与中心点幅值做对比，得到整个静区的幅度均匀性测试结果。

图1 测试区域采集点示意图

测试布置示意如图2所示，简述测量步骤：①发射天线HL033，架设高度9m；②接收天线偶极子天线EMCO 3121D，振子长度747mm；③转台标记5个点，采集点方式：中心点，0°、90°、180°、270°分别位于中心点2m位置；④接收天线-偶极子天线在中心点需要转台旋转0°~359°进行测试，并在测试数据中记录最大值及频点，该频率点的0°测量值作为中心点幅值；⑤记录接收天线置于0°、90°、180°、270°测量幅值，并与中心点幅值进行对比。

图2 场地均匀性布置示意图

这里给出安徽滁州开阔场场地均匀性测量结果，如表1所示。

表1 场地均匀性测量数据

1.2 天线交叉极化验证方法

极化是指在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹，由于天线本身物理结构等原因，天线辐射远场的电场矢量除了有所需要方向的运动轨迹外，在其正交方向上存在分量，这就是天线的交叉极化[6]。汽车通信系统中交叉极化的引入主要是在传播过程中，由于空间电离层等一些去极化源的影响或接收端未调整好状态[7]。为了保证整车收音机天线的远场测量结果的正确性，必须对开阔场全频段天线交叉极化进行测量，技术要求隔离度大于20dB。

测试布置示意如图3所示，简述测量步骤：发射天线HL033，架设高度9m；接收天线HLP3003C，天线高度1.5m；矢量网络分析仪连接至功放Bypath路径，分别测量H-H、H-V、V-V、V-H极化方式的隔离度。图4为开阔场全频段天线交叉极化测量结果。

图3 天线交叉极化布置示意图

图4 天线交叉极化测量结果

2 整车收音机天线测量方法

由于整车收音机AM天线和FM天线测量方法不同，下文分别详述测量方法。

2.1 整车AM天线测量方法

AM是调幅的简称，实现无线信号远距离传输，测量频段：500kHz~2MHz。整车AM天线测量方法是采用标准单极天线以固定频点和固定强度对外辐射发射，参考天线接收信号幅值，再测量整车AM天线接收信号幅值。

2.1.1 参考天线接收信号幅值测量方法

参考天线选取已知天线因子的有源鞭状天线，参考天线方向朝向发射天线，安装于直径1m金属圆盘中心位置，金属圆盘置于1.5m绝缘支架上，参考天线直流12V供电，长度5m的RG174低损耗射频线缆（用以模拟实车线缆）通过直流偏置连接至频谱分析仪，布置示意如图5所示。

图5 AM频段参考天线测试布置示意图

设定信号发生器信号发射强度，通过LMR600低损耗射频线缆连接至单极发射天线STA-70SE/K，参考天线分别对频点555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz进行接收信号幅值的测量。

2.1.2 整车AM天线接收信号幅值测量方法

将待测车辆置于转台中心，车尾方向朝向发射天线，天线放大器采用直流8.5V供电，长度为5m的RG174低损耗射频线缆通过直流偏置连接至频谱分析仪，整车AM天线测试布置示意如图6所示。记录固定频点的接收幅值，并与参考天线接收幅值进行比对，单位为dBuV。

图6 整车AM天线测试布置示意图

2.2 整车收音机FM天线测量方法

FM是调频的简称，泛指频率调制方式无线信号的天线，测量频段：76~120MHz。

整车FM天线测量方法是采用标准对数周期天线以固定频点和固定强度对外辐射发射，标准偶极子天线接收信号幅值，再测量整车FM天线接收信号幅值并做对比，获得相对增益值，单位为dBd。

2.2.1 标准天线接收信号幅值测量方法

接收天线选取已知天线因子的半波长偶极子天线，天线高度为1.5m，置于转台中心位置。布置示意如图7所示，以垂直极化为例，简述测量步骤。

图7 FM频段参考天线测试布置示意图

1）发射天线HL033，架设高度9m。

2）接收天线EMCO 3121D，振子长度747mm。

3）设置矢量网络分析仪时域门。

4）每1MHz步进，转台旋转0~359°分别对不同频点以fi每1°步进进行测试，记录信号接收幅值，并选择最大接收幅值Max（RefFM/ΦV）。

5）调整发射天线和接收天线为水平极化，重复步骤4）记录信号接收幅值，并选择最大接收幅值Max（RefFM/ΦH）。

2.2.2 整车FM天线接收信号幅值测量方法

将待测车辆置于转台中心，天线放大器采用直流8.5V供电，长度为5m的带磁环低损耗线（用于减少线缆与转台金属面间的耦合）连接至转台转接头Kevlin1106SS，通过低损耗LMR600射频线缆连接至网分b2端口。网分a1端口连接至功放，通过LMR600射频线缆连接至发射天线端。

测试布置示意图如图8所示，以垂直极化为例，简述其量步骤。

图8 整车FM天线测试布置示意图

1）发射天线HL033，架设高度9m。

2）每1MHz步进，转台旋转0~359°分别对不同频点fi以每1°步进进行测试，记录FM1信号接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

3）若待测车辆为双FM放大器，重复步骤2），测量FM2信号接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N）。

4）调整发射天线为水平极化方式，测量并记录FM1和FM2信号接收幅值 （MΦ（0°-359°）/FM1/H@fi，i=1，2，…N）和（MΦ（0°-359°）/FM2/H@fi，i=1，2，…N）。

3 评价指标及注意事项

整车级收音机天线的远场测量评价指标主要为接收强度和天线增益。如下给出整车AM天线和FM天线评价指标及注意事项。

3.1 收音机AM天线评价指标及注意事项

由于整车AM天线系统的测试频带较窄[5]，在频带内选定固定5个测试频点：555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz，按照技术要求测试频点平均接收幅值为30dBuV±3dB，单个测试频点信号接收幅值比拟于参考天线接收幅值，技术要求偏差在±3dB以内。当然技术要求的前提是统一化设定参数、修订线缆损耗等。以Golf A8车型为例，整车AM天线测量结果见表2。

表2 Golf A8整车AM测量数据

简述注意事项如下。

1）周期性（每月）验证发射系统尤其是AM发射天线端回波损耗，并记录。

2）系统统一化设定，例如发射强度、RBW、VBW、检波方式等参数。

3）确保单极子发射天线阻抗匹配单元、射频线缆的良好搭铁。

4）连接参考有源发射天线和手持频谱的RG174射频线缆不能与转台金属面接触以防止耦合，布置示意如图9所示。

图9 RG174线缆布置方式

5）对比晴天、阴天、雨天天气对测量结果影响，对比同一天早晨、中午、晚上不同时间段对测量结果影响，从而选择出数据稳定的测试环境。

3.2 收音机FM天线评价指标及注意事项

整车FM天线系统评价指标为带内平均增益，从而谱出增益曲线和绘制出天线增益方向图。

3.2.1 整车单天线FM1带内平均增益

垂直极化方式下，计算方法如下。

1）测量并记录标准偶极子天线接收信号幅值频带内最大值Max（RefFM/ΦV）。

2）测量并记录整车FM1天线接收信号幅值（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

3）计算FM1天线在频点fi增益值：（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）=1/360*[∑MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N-Max（RefFM/ΦV）]，N=22；记录带内增益最小值Min（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

4）计算获得FM1天线带内平均增益值：MΦ/FM1/V=1/N*（∑MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N），N=22。

水平极化方式下，重复步骤1）~4）。

5）计算获得FM1天线带内平均增益值：MΦ/FM1/H=1/N*（∑MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N），N=22；记录带内增益最小值Min（MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N）。

6）整车单天线FM1带内平均增益值计算：Avg（MΦ/FM1）=1/2*（MΦ/FM1/V+MΦ/FM1/H），单位为dBd。

技术要求：整车单天线FM1带内平均增益为Avg（MΦ/FM1）=-8dBd±3dB；垂直极化带内增益最小值Min（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）≥-11dBd；水平极化带内增益最小值Min（MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N）≥-15dBd。以Golf A8单天线FM1为例，如表3给出测量结果，增益曲线如图10所示。单位为dBd。

表3 Golf A8整车单天线FM1测量数据

图10 Golf A8整车单天线FM1增益曲线

3.2.2 整车双天线FM1+FM2带内平均增益

计算方法如下。

1）垂直极化方式下，重复单天线计算方法步骤1）~2）。

2）比较fi频点FM1和FM2接收幅值，记录最大值Max[MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N，MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N]。

3）计算FM1+FM2天线fi频点下增益值：[MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）=1/360*（∑Max（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N，MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N，）-Max（RefFM/ΦV）]，N=22；记录带内增益最小值Min（MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）。

4）计算FM1+FM2天线带内平均增益值：MΦ/FM/V=1/N*（∑MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N），N=22。

水平极化方式下，重复步骤1）~5）。

5）计算获得FM1天线带内平均增益值：MΦ/FM/H=1/N*（∑MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N），N=22；记录带内增益最小值Min（MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N）。

6）整车双天线FM1+FM2带内平均增益值Avg（MΦ/FM）=1/2*（MΦ/FM/V+MΦ/FM/H）。

技术要求：整车双天线FM1+FM2带内平均增益为Avg（MΦ/FM）=-7dBd±3dB；垂直极化带内增益最小值Min（MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）≥-10dBd；水平极化带内增益最小值Min（MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N）≥-14dBd。以Golf A8双天线FM1+FM2为例，给出测量结果见表4，增益曲线如图11所示。

表4 Golf A8整车双天线FM1+FM2测量数据

图11 Golf A8整车双天线FM1+FM2增益曲线

注意事项如下。

1）时域门设置需要确定时域门上限和下限或者是时域门的中心及门宽，以便将场地的主要反射波拒之门外[8]。通过大量的试验验证，最佳时域门上限按照第一个反射波与直射波时延差的一半进行设定，下限设置以直射波处于门中心为原则，并查看在0°、90°、180°、270°中整车天线接收的直射波信号的变化是否在时域门设定区间内。

2）为了避免线束与玻璃天线之间的耦合，需要规范线束的走向，布置如图12所示。

图12 接收线缆走向布置

3）图13为整车双天线时需要将另外一个测试天线接口供电并50Ω负载端接。

图13 双天线放大器连接方式

4）测试鲨鱼鳍天线和杆天线时，若内含GPS、LTE和FM/AM天线，测试收音机天线时需要将GPS和LTE天线使用车辆线缆进行端接，确保正常工作。

5）周期性校验测试系统，设备点检和维修保养记录，确保测试系统运行良好，试验数据准确。

4 结语

本文在大量试验验证的基础上，奉行理论联系实际并服务于实践的精神，以整车级收音机天线为主要研究对象，基于大众汽车天线测量标准，提出开阔场场地均匀性和天线交叉极化的验证方法及整车AM/FM天线远场测量方法，详述了性能评价指标和实验中的注意事项，为后续国标开展工作提供测试依据。