整車天線近場測試方法

胡洋 喻春 周進(jìn)

（重慶信息通信研究院 重慶市 401336）

天線廣泛應(yīng)用于無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗、遙感等利用電磁波傳遞信息的工程系統(tǒng)中，其性能好壞將直接影響到整個無線通信系統(tǒng)的正常運行與移動用戶的體驗。天線性能測試評估方法的研究有助于規(guī)范行業(yè)測試方法，統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)，減少測試分歧，降低測試成本。在以往的測試中，汽車天線生產(chǎn)企業(yè)往往將天線作為單體產(chǎn)品來測試，這與使用環(huán)境存在較大的差異。

本文以車載天線近場測試方法為著手點，緊緊圍繞我國車載天線小型化、寬頻化、有源化發(fā)展趨勢，面向汽車檢測市場測試精度高、頻率覆蓋范圍廣的測試需求，研究低頻（400MHz～6GHz）與高頻（6GHz～80GHz）整車天線近場測試方法，開拓性、創(chuàng)新性地提出整車天線近場檢測的新方法和新模式，提出一套包含測試場地、測試方法、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析方法的整車天線近場測試方案。通過單體天線與整車天線近場測試數(shù)據(jù)對比分析，驗證該方法能有效協(xié)助產(chǎn)業(yè)判斷汽車無線信息交互的性能特征，為汽車的無線通信提供一種有利的驗證方法，推動無線通信在汽車上大規(guī)模應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀

1.1 車載天線數(shù)量呈指數(shù)級增加

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度加深，新型無線通信與傳感器技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)巡航、緊急制動剎車、車道保持輔助、V2X 等高級自動駕駛輔助系統(tǒng)。同時隨著信息娛樂系統(tǒng)、汽車防盜系統(tǒng)（PEPS）、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）、自動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、網(wǎng)聯(lián)交互協(xié)同系統(tǒng)（V2X）、電子收費支付系統(tǒng)（ETC）等多種汽車電子、智能網(wǎng)聯(lián)功能在車輛上的應(yīng)用，車載天線的種類越來越多，包括從聯(lián)網(wǎng)用的蜂窩天線、連接熱點的Wi-Fi 以及導(dǎo)航用的GNSS，到緊急呼叫系統(tǒng)、定位技術(shù)、衛(wèi)星廣播、AM/FM、對象偵測用的雷達(dá)、智能手機與其他裝置連接用的藍(lán)牙，以及車對車與車對基礎(chǔ)設(shè)施(V2V/V2I)等應(yīng)用的專用短距離通訊(DSRC)天線等。由于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等智能感知系統(tǒng)與LTE-V2X 藍(lán)牙、Wi-Fi 等網(wǎng)聯(lián)通信系統(tǒng)依賴于無線信息傳輸，天線作為無線信息交互的必備接口，承擔(dān)著高速互聯(lián)網(wǎng)連接、車輛診斷、汽車制造商軟件更新推送以及衛(wèi)星定位等重要任務(wù)。車載天線不僅在當(dāng)今車聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要角色，未來也將在無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域中承擔(dān)中樞功能。

1.2 整車天線測試的需求迫切

多種類型的車載天線安裝于車身架構(gòu)的各個位置，其性能優(yōu)劣直接影響汽車駕駛的安全、舒適、高效、便捷。為了保證車載無線通信系統(tǒng)的良好工作，需要對車載天線特性進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜鏈y試。

在以往的測試中，天線生產(chǎn)企業(yè)往往將車載天線進(jìn)行部品級性能測試。但結(jié)果是即使單體天線與配套終端滿足企業(yè)的設(shè)計要求，由于車身金屬架構(gòu)對信號屏蔽遮擋的影響，以及其它電子元器件對通信終端信號的干擾，整車天線與單體天線的性能測試結(jié)果差異仍然較大。因此主機廠裝車后，如果不對天線位置和整車天線性能進(jìn)行深入研究與檢測，將會影響車輛的智能網(wǎng)聯(lián)通信性能。由于汽車體積大、重量沉，通信領(lǐng)域的遠(yuǎn)場天線測試不能直接應(yīng)用于汽車行業(yè)。為了準(zhǔn)確評估及判斷車輛的天線性能，提出一種汽車的整車級天線性能測試非常必要。然而目前國內(nèi)整車天線測試環(huán)境不足，測試效率不高，在一定程度上制約了汽車行業(yè)智能化發(fā)展。

2 車載天線測試需求及方法分析

2.1 外置通信天線測試需求

外置通信天線用于車輛外部與通信設(shè)備進(jìn)行信息交互，其天線性能主要受天線安裝位置、角度、車身金屬屏蔽效應(yīng)等影響，因此在測試時需盡量模擬天線在實車環(huán)境下的安裝情況進(jìn)行試驗。外置天線包括：

（1）車頂通信天線，例如鯊魚鰭天線、桿式天線。該通信天線一般安裝于車頂或引擎蓋外部；

（2）風(fēng)窗通信天線。該天線主要安裝于車輛前后擋風(fēng)玻璃或側(cè)車窗玻璃；

（3）車身天線，例如車載雷達(dá)（77G）等。該天線安裝于車身四周或者后視鏡等位置，用于進(jìn)行車輛與四周設(shè)備的信息交互。

2.2 內(nèi)置天線測試需求

內(nèi)置通信天線安裝于車輛內(nèi)部，包含兩種通信天線：一種天線用于與車輛外部進(jìn)行通信，一種天線用于與車內(nèi)其他設(shè)備進(jìn)行通信。

（1）車外通信的天線，例如：車機自帶天線（如移動通信天線、Wi-Fi 天線）、板載PCB 天線（如遙控接收天線）。該類天線需要穿過車輛與外部設(shè)備進(jìn)行通訊，因此測試時需考慮車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車環(huán)境下的測試。

（2）車內(nèi)通信的天線，例如：車機自帶天線（如車機內(nèi)置的藍(lán)牙天線）、板載PCB 天線（如胎壓監(jiān)測天線）。由于其通訊對象和天線本身都在車輛內(nèi)部，正常工作時往往是以部件級形式進(jìn)行通訊，因此對此類天線進(jìn)行通訊性能測試時，需要與所屬零部件及其封裝一起測試，以模擬天線在所屬部件上工作的實際狀態(tài)。

2.3 車載天線測試方法及發(fā)展趨勢

天線性能包含電參數(shù)性能和輻射性能。電參數(shù)性能測試需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在暗室或空曠的區(qū)域進(jìn)行，測試時天線靜置，無需轉(zhuǎn)動或舉起，對場地尺寸無特別要求，測試方法簡單、容易實現(xiàn)；輻射性能包含增益、波束寬度、旁瓣、OTA 測試等指標(biāo)，一般需要在暗室中測試，需要轉(zhuǎn)臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源、頻譜儀等設(shè)備。由于需要測試天線各個方向的輻射性能，測試時需轉(zhuǎn)動天線。而整車天線測試時，汽車已成為天線不可分割的一部分，需對整車進(jìn)行測試。整車長度一般在3 米以上，重量超過一噸，無法像傳統(tǒng)基站天線一樣安裝在抱桿上進(jìn)行測試，需根據(jù)實際情況采取合適的測試方案。

由于應(yīng)用場景的增加，車載天線向小型化、多頻段、有源化方向發(fā)展，測試技術(shù)會有相應(yīng)改變。在測試系統(tǒng)頻率覆蓋方面，一般為全頻段覆蓋和400MHz～80GHz 兩種方案。對全頻段覆蓋方案，目前有集成商推出30MHz～6GHz 的球面近場，但目前無具體案例，僅停留在設(shè)計方案上。常規(guī)方案采用球面近場加平面近場，或球面近場加柱面近場的方案來覆蓋400MHz～80GHz 頻段。FM 頻段因存在頻率低、暗室反射較大、測試精度不高等問題，可考慮室外遠(yuǎn)場測試。由于車載天線向有源化發(fā)展，預(yù)計未來車載天線測試將向OTA 測試方向發(fā)展。

圖1：多探頭控制系統(tǒng)配置框圖

圖2：探頭拱鋁制結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：參考通道補償效果圖

3 整車天線近場測試方法研究

3.1 傳統(tǒng)車載測試方法分析

傳統(tǒng)車載測試方法一般有以下幾種：

3.1.1 遠(yuǎn)場單體天線測試

該方法將天線視為獨立的樣品進(jìn)行無源測試，測試項目有增益、阻抗、波束寬度、效率等。測試環(huán)境可采用遠(yuǎn)場暗室，測試與車輛無關(guān)，測試精度可能較高，但與使用環(huán)境不一致，只能作為參考，意義不大。

3.1.2 整車錐形遠(yuǎn)場測試

該方法可測試低頻天線，如FM/AM 天線。原理是錐形前端充當(dāng)反射面，通過多次反射形成平面波，但在低頻段，吸波材料的吸波效果較差，一般在-35dB 以下，靜區(qū)反射電平在-30dB 左右，測試精度不高，一般只做二維方向圖測試。

3.1.3 單探頭搖臂測試

該方法屬近場測試，采用懸臂與轉(zhuǎn)臺配合的方式，采集整個上半球幅度和相位。由于采用單探頭機械掃描，測試效率較低。測試場地一般針對6GHz 以下頻段。在微波頻段，由于波長小，掃描架和轉(zhuǎn)臺精度往往達(dá)不到要求，測試精度難以保障。

3.1.4 多探頭球面測試（1/4 環(huán)）

該方法屬于近場測試，一般用來測試400MHz～6GHz 頻段，可擴(kuò)展為400MHz～18GHz 頻段。測試400MHz 以下低頻時，探頭間會有較大的耦合，測試精度下降；測試400MHz～18GHz 頻段時需要兩套探頭。球面近場測試效率高，可生成3D 方向圖，但目前對有源天線測試尚不完善，對18GHz以上頻段也無法開展測試。

3.2 整車天線近場測試方法分析

采用近場測試有兩種方式，分別為半環(huán)單探頭系統(tǒng)和1/4 環(huán)多探頭系統(tǒng)，兩種方式目前都有試驗系統(tǒng)，各有優(yōu)劣。半環(huán)單探頭系統(tǒng)分固定式和搖擺式，通過轉(zhuǎn)臺和探頭的移動組合達(dá)到采集上半球幅度及相位。半環(huán)單探頭系統(tǒng)成本低，精度高，但測試效率低，難以滿足目前大批量測試需求。1/4 環(huán)多探頭系統(tǒng)中每個探頭都是固定的，通過電子開關(guān)控制來完成100°內(nèi)信號幅度、相位的掃描，配合下方轉(zhuǎn)臺，完成整個上半球的數(shù)據(jù)采集。多探頭系統(tǒng)采用電子掃描替代單探頭的機械運動，采集速度成倍提高，僅需幾分鐘就可完成一次天線3D 方向圖完整測試，測試精度高，但用于在高頻段還不成熟。

根據(jù)汽車天線中各類天線不同的頻段結(jié)合1/4 環(huán)多探頭球面近場測試與平面近場測試系統(tǒng)，重慶信通院創(chuàng)新性提出整車天線近場檢測的新方法。

3.3 6GHz以下測試方法——1/4環(huán)多探頭球面近場測試

系統(tǒng)由多探頭拱、探頭陣列、探頭選擇單元、測試轉(zhuǎn)臺和系統(tǒng)軟件組成，多探頭拱對探頭陣列提供支撐作用，利用軟件控制探頭陣列進(jìn)行掃描，配合轉(zhuǎn)臺達(dá)到整個半球的數(shù)據(jù)采集，再采用快速傅立葉變換，將近場測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場方向圖。多探頭控制系統(tǒng)配置框圖如圖1所示。

3.3.1 多探頭拱

探頭陣列的支撐結(jié)構(gòu)，是由帶有精確定制曲率的鋁制結(jié)構(gòu)組成。測量探頭被安裝在U 型的兩壁之間，而電子開關(guān)及射頻電纜通過電介質(zhì)覆蓋后安裝在鋁制結(jié)構(gòu)的背面。

在測量探頭的四周都有特制的U 型吸波材料覆蓋，這種吸波材料物理外形被定制成U 形，在探頭拱的內(nèi)徑內(nèi)側(cè)有一個十字的小型孔，測量探頭剛好通過十字孔突出吸波材料的表面。這種設(shè)計極大地降低了探頭射頻信號的散射。如圖2所示。

3.3.2 探頭陣列

多探頭陣列的每個探頭間的角度排列為1 度，探頭覆蓋角度從-10 度到90 度，探頭間的物理矩離為11cm。

多探頭陣列的關(guān)鍵技術(shù)在于寬頻帶雙極化探頭，這些探頭為一系列高精度高帶寬雙極化的天線，安裝在線型陣列軸線上，兩個線性偏振的組合得到其他極化形式，探頭是完全對稱的，做到接收和傳輸?shù)耐昝澜Y(jié)合。

探頭陣列主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）探頭幅度均勻性：±0.15dB；

（2）探頭相位均勻性：±2°；

（3）探頭交叉極化（校準(zhǔn)后）：≤-30dB

3.3.3 探頭選擇單元

多探頭選擇單元是所有測量探頭的管理單元，內(nèi)部有射頻切換開關(guān)和控制電路，可以控制每一個探頭和選擇極化方向。

多探頭選擇單元廢棄了中頻鏈路的思路，通過同樣長度的高穩(wěn)射頻線纜直接連接各個測量探頭，這樣設(shè)計的優(yōu)勢在于，因為線纜的長度都是一致的，為各鏈路衰減和相位的一致打好基礎(chǔ)，在后期系統(tǒng)校準(zhǔn)時，相應(yīng)的補償量可控制在相當(dāng)小的量級，保證系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。

3.3.4 參考通道

此參考通道設(shè)計在第101 通道，在系統(tǒng)校準(zhǔn)完成后，即對第101路通道做閉合測試，即放大器鏈路的測量，做為系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)，同時在第一次100 通道采集時，都增加一路101 通道，這樣就可以對每一次測量數(shù)據(jù)做一次驗證和補償，再結(jié)合系統(tǒng)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，有效的分析和改善系統(tǒng)的測量誤差。如圖3所示。

從實際測量的曲線可以看出，增加參考通道后，溫度變化在±2.5℃時，可以保證系統(tǒng)測量不確認(rèn)在±0.25dB，因此針對溫度未知，或溫度不能完全穩(wěn)定的系統(tǒng)測量環(huán)境中，參考通道是很有必要的。

3.3.5 測試轉(zhuǎn)臺

轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)需考慮承重和尺寸，主要用于實現(xiàn)多探頭近場測試中待測天線的方位旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)臺主要參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)臺精度：≤0.3°；

轉(zhuǎn)臺機械回差：≤0.3°；

圖4：1GHz～50GHz 網(wǎng)絡(luò)分析儀RF 子系統(tǒng)配置-幅相測試

圖5：50～80GHz 采用外混頻模式的RF 子系統(tǒng)配置

運行累積誤差：≤0.3°；

轉(zhuǎn)臺最大轉(zhuǎn)速≥3°/s。

旋轉(zhuǎn)角度：連續(xù)360°；

3.3.6 測試軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件是球面近場測試的控制中樞，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)臺角度、探頭選擇、數(shù)據(jù)采集、近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)分析。

3.4 6GHz以上測試方法——單探頭平面近場測試

3.4.1 二維采樣架

單探頭采樣架主要技術(shù)參數(shù)如下：

X 軸（水平軸）有效掃描行程：3m；

Y 軸（垂直軸）有效掃描行程：2m；

掃描速度連續(xù)無極可調(diào)，且最快速度≥0.25m/s；定位精度≤±0.1mm，重復(fù)精度≤0.1mm，軌道直線度≤0.2mm。

表1：車體對天線增益的影響

圖6：單體和整車天線方向圖

Z 軸（ 前后軸）的有效行程≥500mm( 配置支架可至1000mm)，定位精度≤0.1mm，位置分辨率≤0.1mm；電控調(diào)節(jié)置，電控速度連續(xù)無極可調(diào)且最快速度≥50mm/s，直線度≤0.1mm。

P 軸（極化軸）程控調(diào)整范圍-90°～+90°,可無阻尼調(diào)節(jié)并鎖定，總徑向負(fù)載滿足探頭安裝的需求。

3.4.2 采樣探頭

包含一套開口波導(dǎo)探頭，可支持1GHz～80GHz 的頻率范圍。

3.4.3 低頻系統(tǒng)配置

（1）工作原理。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置源和接收機的直接測量系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于各類通信天線的近場測量。

系統(tǒng)配置了使用頻段寬至50GHz 的功率放大器和低噪聲放大器，彌補線纜插損，提高系統(tǒng)動態(tài)。系統(tǒng)連接十分簡便。

（2）信號鏈路框圖。

如圖4所示。3.4.4 高頻系統(tǒng)配置

（1）工作原理。信號源輸出的微波信號饋送到探頭向空間輻射，被測天線將接收信號饋送到混頻器，混頻器將測試信號頻率與本振源的信號頻率進(jìn)行混頻（諧波），輸出中頻（如8.33MHz）,中頻信號進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機進(jìn)行處理。

RF 系統(tǒng)關(guān)鍵器件包括本振/中頻分配單元和射頻模塊進(jìn)行技術(shù)集成定制的毫米波收發(fā)單元（50～80GHz）。85309B 放大功能，基本彌補了混頻器的變頻損耗，系統(tǒng)連接十分簡便，動態(tài)設(shè)計滿足不低于75dB 設(shè)計要求。

（2）信號鏈路框圖。

如圖5所示。

3.4.5 測試軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件是平面近場測試的控制中樞，負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)臺角度、探頭選擇、數(shù)據(jù)采集、近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)分析。

4 單體天線與整車天線測試結(jié)果比較及分析

4.1 單體天線與整車天線測試結(jié)果比較

為定量評價車體對天線輻射性能的影響，我們選取一付4G 全向天線，兩款車型，分別測試單體天線、將天線安裝在1#車和2#車前擋風(fēng)玻璃下進(jìn)行方向圖測試，比較不同情況下車體對天線增益的影響。

在電磁波直接穿透車窗時，車窗對電磁波有一定的吸收損耗，同時車身對信號又起到反射作用，會加強部分區(qū)域的信號強度，由于天線安裝在車輛內(nèi)部，在此復(fù)雜環(huán)境作用下，本來圓度相對較好的全向天線，方向圖出現(xiàn)不規(guī)則的凸起和凹陷。測試結(jié)果見表1。

4.2 結(jié)果分析

如圖6所示，從測試數(shù)據(jù)來看，由于車體和地面對信號的反射，整車測試與單體天線方向圖差異很大，尤其是天線軸向，單體天線的信號是很弱的，但整車測試時，該區(qū)域幾乎被完全填充。另外，方向圖表面不再平滑，最大增益有所抬升，但平均增益明顯下降。

5 總結(jié)

考慮車載天線性能對于汽車信息交互的重要性，提出為最大限度降低車體對信號覆蓋的影響，使天線性能更符合設(shè)計要求，增強用戶體驗，建議應(yīng)將天線和車輛作為整體進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試。推動無線通信在汽車大規(guī)模應(yīng)用的可靠推廣。