整车天线无源性能测试结果计算模型研究

摘 要：整车天线测试是为保障智能网联汽车通信性能而开展的基础性测试。在实际测试场景中，结果数据的处理和分析是一个重要环节。天线种类复杂、测试频点众多、计算需求多样等因素，增加了结果数据处理和分析的难度及复杂度。本文以目前最常见的球面近场测试为研究背景，以线性平均增益计算为研究目标，提取了整车天线测试场景下的关键要素，归纳了数据处理的关键环节，设计出线性平均增益计算模型的整体框架。针对不同测试场景，对结果计算模型的数据处理逻辑进行了详细的设计。该模型通过模块化、流程化的设计，在满足不同计算需求的同时能够大大提高测试结果数据处理的效率。

关键词：智能网联汽车 整车天线测试 线性平均增益 数据处理

随着人工智能、5G等技术的持续发展，智能化和网联化浪潮正在助推各行各业的技术创新。在汽车行业，智能网联汽车成为当下汽车产业聚焦的主要方向，汽车逐渐成为集成多种技术和功能的复合终端[1]。

智能网联汽车的核心功能之一就是整车无线通信能力。在单车智能方面，蜂窝通信、高精定位等功能的实现都依托于整车的无线通信能力。而随着车联网等技术的发展，汽车需要与周围车辆、行人等交通参与者进行全方位实时信息交互，这也对通信网络的时延、可靠性、时效性等提出了更加严苛的要求，无线通信能力对汽车的重要性更加突出[2]。因此，智能网联汽车的通信能力发挥着基础性关键作用，一旦通信中断，就有可能会影响到驾乘的安全性[3]。

而在汽车无线通信中，天线发挥了至关重要的作用，智能网联汽车的天线类型有蜂窝、GNSS、WiFi、蓝牙等[4]。天线种类的增加也带来了更多的功能。有学者针对车载天线性能进行了研究，例如许纬杰等人[5]针对整车特征，从尺寸、频段覆盖、全向性等角度出发，设计了一种车载全向天线。王蒙军等人[6]以车窗玻璃为载体，设计了一种能够提高增益、便于集成的多频透明天线，能够应用在车联网无线通信中。

对于整车无线通信来说，除了天线自身的基础性能之外，其整体通信性能还容易受到天线安装位置的影响[7]，且不同天线的分布也会对整体性能带来一定程度的干扰[8]。为了验证整车无线通信的性能，需要将整车作为测试对象，对车载天线的无源性能进行测试。

线性平均增益是衡量整车天线在不同方向整体性能的重要指标，其计算需要在不同角度采样点的测试数据基础上进行，当测试任务复杂时，往往会带来很大的计算成本。因此，为提高结果计算的效率及灵活性，本文梳理和归纳了线性平均增益计算的主要影响因素，构建了测试结果数据计算模型框架，并对模型的数据处理逻辑进行了详细设计。

1 测试系统概述

1.1 测试方法概述

在整车天线无源性能测试领域，球面近场的测试方法是0cbfc6ad9873dd43b73664d1f78a6515b25493d4512b5053e2b8861c00ca7b8d业界使用最普遍的测试方法[9-10]。该方法通过间隔角度采样的方式，对整车上半球面的测试点进行测试，然后通过近远场转换算法将近场数值转为远场结果。

在测试时，转台绕测试中心进行水平方向的圆周转动，构成方位角，测试天线绕测试中心进行垂直方向的圆弧移动，为俯仰角。测试系统会对全部角度进行测试结果的测量和记录，从而完成待测车辆的上半球面的天线增益的测试。

1.2 测试任务结构

在实际测试场景中，被测车辆上通常存在多种类型的天线。对于某些类型的天线，整车上可能安装多个以便保证不同区域的性能。而每个天线通常又会包含多个测试频点，每个测试频点都会对应一个由俯仰角和方位角构成测试结果表。

测试完成以后，软件系统能够对天线的远场增益结果进行导出。线性平均增益的计算需要在结果表的基础上进行，当天线类型越复杂、天线及测试频点数量越多时，数据处理和分析需要考虑的因素就越多、重复性工作也就越多。

2 结果计算模型框架设计

2.1 测试场景与需求分析

从整车天线测试的实际场景出发，线性平均增益计算的需求受到多种因素的影响。首先考虑天线维度：

（1）每个天线分别处理和分析，即每根天线都会有各自的结果；

（2）多个同类型天线，需要将这些天线当做一个整体，将不同天线下相同频点的增益结果取最大值，得到一个综合结果。

之后考虑频点维度：

（1）每个频点单独看待，分别计算每个频点的结果；

（2）多个频点进行整体看待，结果的计算不再对各个频点的结果进行划分，而是将这些频点结果表中的增益值取均值。

之后考虑测试的角度：

（1）只考虑俯仰角；

（2）考虑俯仰角和方位角组合的角度范围。

2.2 结果计算模型整体框架

针对以上测试场景，考虑数据导入、计算、导出等数据流程，能够提取出线性平均增益结果计算的关键环节，包括以下九个部分：

P1：数据读取；P2：频点遍历；P3：俯仰角索引；P4：方位角索引；P5：结果计算与汇总；P6：结果导出；P7：天线遍历；P8：增益取最大；P9：增益取平均。

以1和2分别表示天线、频点、角度的场景。将其与以上九个关键环节进行匹配，设计出模型的整体框架如图1所示。

其中，P1-P2-P3-P5-P6对应着每个天线分别处理和分析、每个频点都会被单独看待、只考虑俯仰角即1-1-1的测试场景，这也是结果计算模型最基本的组成部分，其他情形均由此延伸而来。

3 结果计算模型详细设计

3.1 基准数据表结构

将某个具体频点的增益结果作为基准数据表，其他计算步骤建立在该基准之上。基准数据表由所有俯仰角和方位角组合的增益数据组成。俯仰角集合可以表示为T={1，2，...，i，...，m}，方位角集合可以表示为T={φ1，φ2，...，φj，...，φn}。为了保证数据处理步骤的可复用性，应将每个频点的数据样式进行统一，即可以把俯仰角作为行，把方位角作为列，构成基本二维表样式。

3.2 每个天线分别处理

3.2.1 只考虑俯仰角

对于图1中的1-1-1场景，P3结果计算与汇总是核心步骤。对于线性平均增益计算来说，此时只考虑某个俯仰角i，计算其水平面内全部方位角的线性平均增益，计算公式如下。

其中，j表示第几个方位角，n表示方位角总个数，φj表示方位角序号为j时对应的实际方位角，g（φj）为方位角为φj时天线的增益值（线性表示），G（i）为俯仰角i时，该水平面的线性平均增益值（对数表示）。

通常测试后基准数据表中的值以对数形式表示，因此需要先将这些增益值转换成线性表示，公式如下：

上式中，为对数表示的增益值，G为线性表示的增益值。

在实际测试场景中，频点集合可以表示为F={1，2，...，p， ...，k，}，共k个频点。所需俯仰角度集合可以表示为TF={1， ...，r，}，共r个角度。以频点p为例，除了数据读取和结果导出之外，其余环节的数据处理流程图如2所示。

对于频点p来说，首先提取其对应的基准数据表，首先通过公式（2）进对数-线性化的转换。之后依据TF，对数据表进行逐行索引。并通过公式（1）计算线性平均增益结果，汇总后得到全部结果集合G（p，TF）。以此类推，遍历该天线的全部频点，得到增益结果集合。通过行或列的方式统一拼接，得到频点集合F的线性平均增益结果G（F，TF）。

当需要同时考虑多个频点时，需要将各个频点的结果取均值处理。具体地，将所需频点集合表示为Fx={p1，...，px}，共x个频点。首先遍历各频点的基准数据表，将全部数据转为线性值。之后计算均值，即：

其中，g（p，，φj）表示每个角度组合下的增益值，遍历全部角度组合，得到频点集合Fx最终的基准数据表。然后基于该数据表，计算每个俯仰角下的线性平均增益值。

3.2.2 考虑俯仰角和方位角范围

当需要计算某角度范围内的线性平均增益结果时，所需俯仰角度集合可以表示为TF={1，...，r，}，共r个俯仰角度，所需方位角度集合可以表示为PF={φj1，...，φjs}，共s个方位角度。针对某个频点，角度范围内的线性平均增益计算公式为：

其中，i表示第几个俯仰角，j表示第几个方位角，g（i，φj）为俯仰角和方位角分别为i和φj时的天线增益值（线性表示）。将每个频点的结果拼接起来，得到该天线所有频点集合F的线性平均增益结果G（F，TF，PF）。

3.3 多天线综合分析

当需要同类型的多个天线综合分析时，需要先将多根天线的结果取最大值。将待处理的同类型天线集合表示为A={a1，...，au}，共u个天线。对于每个天线来说，分别遍历频点，取各个基准数据表在不同角度组合下的最大值max，遍历全部角度后完成频点p基准数据表的最大值处理。遍历全部频点后，完成天线集合A的取最大值处理。（图3）

上述数据处理步骤将所有天线的数据汇总成新的数据表，基本结构与单天线的数据结构一致，因此可以当做单天线进行处理。

4 结束语

本文以整车天线无源性能测试为研究背景，以测试结果数据作为研究对象，针对测试后几种最常见的线性平均增益计算需求，设计了结果计算的模型。首先，从整体测试任务出发，通过测试天线、测试角度、测试频点三个维度，分析了不同测试场景下的测试参数及计算需求，进行了模型的整体框架设计。之后针对不同的需求，以某个频点的结果数据表作为基准数据，设计了详细的数据处理逻辑设计。本文将线性平均增益计算场景下的关键环节进行提取，能够提高实际测试场景下数据处理和结果计算的效率，便于后续的开发实现。

参考文献：

[1]于永达.中国智能网联汽车发展途径及其优化[J].人民论坛，2024（13）：64-67.

[2]陈山枝.蜂窝车联网（C-V2X）及其赋能智能网联汽车发展的辩思与建议[J].电信科学，2022，38（7）：1-17.

[3]张新钰，荣松松，李骏，等.智能飞行汽车关键技术及发展趋势[J].中国科学：技术科学，2024，54（04）：601-624.

[4]Zhu T， Ji G， Jiang G， et al. Comparing and analysis of test and evaluation methods for connected vehicle communication antenna system[C]//Journal of Physics： Conference Series. IOP Publishing， 2021，2108（1）：012007.

[5]许纬杰，袁家德.一种应用于车载通信的多频段全向天线[J].微波学报，2023，39（04）：28-32.

[6]王蒙军，吴迪，孔丹丹，等.加载零折射率电磁超材料的高增益透明玻璃天线[J].电子元件与材料，2023，42（7）：871-879.

[7]姜国凯，孙子杰，张旭，等.汽车天线性能测试技术初探[J].中国汽车，2019（8）：57-61.

[8]李伟，朱院刚，叶鸿鹏，等.车载天线射频系统的电磁兼容性研究[J].微波学报，2023，39（S1）：268-271.

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[10]苏洋，申静，张立佳，等.车载天线整车测试系统集成与实现[J].微波学报，2021，37（3）：77-81.