GPS和4G天線的開發(fā)設(shè)計

馬 寧，王彩云，馬文峰，王子軍

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林 長春 130012）

1 汽車天線系統(tǒng)的功能和應(yīng)用

汽車天線系統(tǒng)的最大功能就是完成電路中的電信號與空間中的電磁信號的相互轉(zhuǎn)化，使遠隔萬里的電子系統(tǒng)能夠互相交流。到目前為止，汽車天線系統(tǒng)依舊被稱為車載接收系統(tǒng)，因為其功能還集中在接收信號方面?？臻g中的電磁信號經(jīng)由天線轉(zhuǎn)化為電信號，再由放大器調(diào)整信號，通過同軸電纜交由車載娛樂系統(tǒng)主機進行解碼和后期處理。一種天線就應(yīng)該固定接收一定頻率范圍內(nèi)的電磁信號，因此天線就是通過選擇性接收不同的信號頻率。除了傳統(tǒng)的FM/AM模擬廣播信號，還有GPS、數(shù)字廣播/電視信號（DAB）、遠程控制（TS）、藍牙、衛(wèi)星信號、4G/5G、車對車通信等，它們各自占有不同的頻率段。

2 GPS天線、4G天線概述

2.1 GPS天線定義及工作原理

GPS天線就是指通過接收衛(wèi)星信號，從而進行定位或者導航所用到的天線。車載GPS衛(wèi)星信號的頻率為1575.42 MHz，信號為圓形極化，信號一般在-166dBm左右，屬于弱信號。

目前絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質(zhì)，其組成成分為：陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜、接頭。其中，陶瓷天線也叫無源天線、介質(zhì)天線，它是GPS天線的核心技術(shù)所在。一根GPS天線的信號接收能力，大部分取決于其陶瓷部分的配料如何。低噪聲信號模塊也稱為LAN，是將信號進行放大和濾波的部分，其元器件的選擇也很重要，否則會加大GPS信號的反射損耗，以及造成噪聲過大。線纜的選擇也要以降低反射為標準，保證阻抗的匹配。

GPS天線主要用來接收衛(wèi)星傳遞的信息，并將其傳送到車載主機進行處理。GPS接收天線的原理如圖1所示。

圖1 GPS天線原理圖

GPS天線接收來自衛(wèi)星的信號，通過信號放大與濾波之后傳送到車載主機，由車載主機對接收的GPS信號進行處理計算。

2.2 4G天線定義及分類

4G天線是將高頻電流或波導方式的能量變換成電磁波并向規(guī)則方向發(fā)射出去或把來自必定方向的電磁波還原為高頻電流的一種設(shè)備。

4G天線分類：①按用處可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；②按作業(yè)頻段可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；③按方向性可分為全向天線、定向天線等；④按外形可分為線狀天線、面狀天線等。

3 車載GPS和4G天線的開發(fā)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

車載GPS和4G天線主要集成了GPS和4G功能，分為外置和內(nèi)置2種形式。外置指GPS和4G模塊集成在鯊魚鰭天線里，布置在車頂，當然鯊魚鰭天線還可以集成收音等其他功能。內(nèi)置主要指GPS和4G模塊集成在一個盒子里形成GPS和4G單元，該單元布置在儀表板內(nèi)。本文主要介紹一款目前正在開發(fā)的內(nèi)置GPS和4G天線。

3.2 方案說明

該天線須為二合一的方案，同時滿足 GPS + 4G之需求?？紤]4G數(shù)據(jù)傳輸與接收，在天線的設(shè)計上，采用兩回路設(shè)計（MIMO技術(shù)），支持TX/RX分離，可加速數(shù)據(jù)傳送與接收。

3.3 結(jié)構(gòu)組成

車載GPS和4G天線的組成如圖2所示。

3.4 安裝布置要求

由于GPS和4G 天線的布置要求比較嚴格，而儀表板內(nèi)零件比較繁雜，為了保證天線的單體性能，天線應(yīng)該盡量靠儀表板的上表面，并且遠離儀表（儀表會產(chǎn)生信號干擾），副駕駛側(cè)和LCD單元后側(cè)是不錯的位置。具體要求現(xiàn)總結(jié)如下（僅供參考）。

1）天線主體水平放置（與地面夾角小于5°） 。

2）天線上方和周邊無金屬物/含金屬成分的物體，主體上方120°夾角方向無金屬物質(zhì) ，如圖3所示。

3）盡可能地遠離可能的干擾源，比如鼓風機單元、震蕩電路（開關(guān)電源，振蕩器等），至少要保證遠離上述易產(chǎn)生干擾的電路單元200 mm以上。

4）天線的信號線走線也要避免與電機的供電線、開關(guān)電路電源線捆扎在一起，盡量保持單獨走線，避免不必要的干擾。

圖2 GPS和4G天線構(gòu)成圖

圖3 布置要求

3.5 設(shè)計參數(shù)

GPS天線電氣參數(shù)要求如表1所示。

表1 GPS天線電氣參數(shù)

4G天線電氣參數(shù)要求如表2所示。

表2 4G天線電氣參數(shù)

4 總結(jié)

本文介紹一款首次開發(fā)設(shè)計的GPS 和4G天線，為車聯(lián)網(wǎng)中的智能車載終端T-BOX系統(tǒng)提供了GPS和4G信號，用以完成其GPS定位功能和4G上網(wǎng)功能。GPS 和4G天線是目前智能車載終端T-BOX系統(tǒng)的一個很好的補充，對車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有長遠的意義。