車載5G+北斗高精度定位組合天線研究

李鵬圖

一、研究的背景和意義

隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已提速到大規(guī)模商用階段。另一個(gè)振奮人心的好消息是我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020年6月發(fā)射了最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星，提前實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋和部署。而5G技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的一個(gè)大規(guī)模的應(yīng)用前景是以汽車智能駕駛、智能軌道交通為代表的出行領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)聯(lián)化就需要把5G技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)還有車聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)以及傳統(tǒng)的WIFI等系統(tǒng)都融合在一起，才能為智能系統(tǒng)按上眼睛，插上翅膀。

上述這些系統(tǒng)的應(yīng)用都離不開終端天線的支持，新的需求帶來新的研究方向，多種功能、多種頻段的天線同時(shí)工作還要組合在一個(gè)終端上得以實(shí)現(xiàn)，是以往沒有過的或者說現(xiàn)在的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以往。這就需要研發(fā)能面向車載系統(tǒng)的新一代通信+北斗組合天線并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這是行業(yè)發(fā)展的需要，同時(shí)在目前復(fù)雜的國際形勢下更需要我們產(chǎn)業(yè)鏈的上下游做到自主可控，避免被其他國家卡脖子或者壟斷該細(xì)分領(lǐng)域市場。

二、研究的必要性

必要性體現(xiàn)在組合天線系統(tǒng)是未來車載通信的核心部件，也是高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)品。本項(xiàng)目的研發(fā)結(jié)合了5G通信技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，不僅是系統(tǒng)的重要組成部分，也是未來實(shí)現(xiàn)智能出行的一個(gè)重要基礎(chǔ)，因此它的開發(fā)是非常有必要的。

1）從安全性來說，組合天線結(jié)合后端的各種設(shè)備?？梢允沟媒煌ㄔO(shè)備獲得更多的必要信息，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。這樣在智能系統(tǒng)的控制下就可以減少各種交通事故發(fā)生的可能性，提升出行的安全系數(shù)，挽救更多的生命，因此是十分必要的。

2）從經(jīng)濟(jì)性上來說，本項(xiàng)目以及其支持的智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)?？梢园讶藦慕煌ㄔO(shè)備的駕駛控制中解放出來，可以在出行過程中處理更多工作、生活?yuàn)蕵?，提升了效率?/p>

3）從技術(shù)上來說，本項(xiàng)目開發(fā)的組合天線，具有高性能、高集成度、高可靠性的特點(diǎn)。不僅可以應(yīng)用于車載領(lǐng)域，也可以推廣到未來信息社會(huì)各種終端設(shè)備上，將會(huì)起到非常大的作用。

三、設(shè)計(jì)方案

3.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

新一代車載多系統(tǒng)集成天線外形呈鯊魚鰭形，天線尺寸220×60×70 mm，緊湊小巧集成度高，易于加工裝配，尤其適用于各種車輛頂部安裝，各部分如下所示。

3.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

（1）高精度北斗導(dǎo)航天線單元

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：由于集成天線整體空間有限，空間內(nèi)同時(shí)存在其他天線，留給導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)的尺寸較小，這對(duì)天線的帶寬和效率有較大的影響。

解決方法：在天線輸入端加入匹配段，通過引入短路枝節(jié)的方式改善輸入阻抗，從而優(yōu)化天線駐波帶寬，提高天線整體效率。采用正弦曲線繞制的四臂螺旋天線，縮減了天線的體積，天線高度僅15mm，直徑30mm。天線采用錐形模型，可以更有效的利用集成天線的內(nèi)部空間，又不破壞其外形結(jié)構(gòu)，同時(shí)有較寬的帶寬，能夠覆蓋衛(wèi)星導(dǎo)航全頻段需求，同時(shí)有較高的增益和良好的方向圖，相位中心穩(wěn)定，前后比和交叉極化較好，使得抗干擾能力較好。天線性能指標(biāo)仿真結(jié)果如下：

（2）3G/4G/5G通信天線單元

設(shè)計(jì)難點(diǎn)：現(xiàn)有天線單元受限集成天線整體空間以及多天線布局，設(shè)計(jì)尺寸較小，對(duì)天線的帶寬和效率有較大的影響。

解決思路：對(duì)傳統(tǒng)4G天線模型。通過引入遺傳優(yōu)化算法來構(gòu)建天線體構(gòu)型，這樣做的好處是可以展寬天線的工作帶寬，優(yōu)化天線的駐波和增益。仿真和測試結(jié)果天線的駐波帶寬得到了增加，天線高低頻邊界的增益也得到了明顯的改善。

（3）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線有源放大電路方案

導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)到達(dá)地面強(qiáng)度都比較低，因此天線后面需要低噪聲、高增益的放大器來接收放大，同時(shí)需要用低插損，高抑制的濾波器放在放大器前面濾波帶外的干擾信號(hào)。本項(xiàng)目用三級(jí)放大，兩級(jí)濾波，實(shí)現(xiàn)40dB的增益，1.05dB的噪聲系數(shù)，帶外100MHz處40dB的抑制。

這些有源放大電路布置在1.2mm厚度，直徑116mm，介電常數(shù)4.6的FR4板材上，并用金屬屏蔽罩把放大電路完全屏蔽起來。天線的上板和下板疊在一起裝在PCB有源線路板板的另外一面，通過8個(gè)饋針穿過PCB板與電橋網(wǎng)絡(luò)連接。

1200MHz頻段和1500MHz頻段的信號(hào)先由天線接收，三個(gè)電橋合路后都先經(jīng)過各自的第一級(jí)介質(zhì)濾波器濾除帶外的干擾信號(hào)，要求該介質(zhì)濾波器插損盡量小，帶外抑制盡量大，這樣對(duì)總體噪聲系數(shù)的影響才最小，然后經(jīng)第一級(jí)放大器放大后再經(jīng)過第二級(jí)介質(zhì)濾波器進(jìn)一步濾除帶外的干擾信號(hào)，最后合路在一起經(jīng)第二、三級(jí)級(jí)放大器共同放大后輸出。由放大器輸出口進(jìn)入的5V電源先由ESD管消除脈沖干擾信號(hào)后進(jìn)入穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的3.0V電壓給各放大器供電。

放大器級(jí)聯(lián)參數(shù)如下：

根據(jù)以上級(jí)聯(lián)計(jì)算可知，增益為30dB時(shí)，噪聲系數(shù)為1.15dB，輸入P1dB為-39.52dBm，總電流為40mA，各項(xiàng)指標(biāo)均可以滿足技術(shù)要求與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本項(xiàng)目有源電路布置更加緊湊，噪聲更低，天線電性能更加穩(wěn)定，滿足了小型化，高性能測量天線的要求。

四、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的全頻段通信輻射單元：針對(duì)通信天線尺寸較小，周圍又有V2X天線等其他天線環(huán)繞的環(huán)境，在原有倒F天線的形式上，引入遺傳優(yōu)化算法，通過編程優(yōu)化，改變?cè)休椛錁?gòu)型，使得天線性能更佳能夠覆蓋現(xiàn)有3G/4G/5G頻段，對(duì)天線之間的影響更小。

（2）小型化的全頻段北斗天線：針對(duì)車載北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)要求，采用圓錐四臂螺旋天線的方式更好的發(fā)揮它的性能優(yōu)勢，因?yàn)樗男螤钆c車載鯊魚鰭天線截面外形接近，可以最大化的利用空間，利用四臂螺旋天線饋電點(diǎn)多，相位中心精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)來適應(yīng)車載環(huán)境

（3）優(yōu)化的陣列天線布局：考慮到車載天線的風(fēng)阻外形，以及各個(gè)天線的特性來排布安置方式，因此把最容易受干擾的北斗導(dǎo)航天線與通信天線拉開前后到適宜距離，同頻天線保持合適距離。合理利用空間，保證每個(gè)天線的性能得到最大程度的發(fā)揮。

（4）天線融合去耦合技術(shù)：在不同頻段天線后插入相應(yīng)的高通或者低通濾波器。可以很大程度上濾除天線之間互相耦合的信號(hào)，提高了不同天線之間的隔離度。保證了各個(gè)通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作。

（5）抗干擾電路技術(shù)：在天線低噪聲放大器前端，加入低損耗介質(zhì)濾波器，在信號(hào)放大前抑制了通訊基站信號(hào)以及其他干擾信號(hào)，同時(shí)電源采用低噪聲高隔離穩(wěn)壓電源，有效地抑制了來自接收機(jī)電源帶來的干擾，通過多層屏蔽的方式提高了抗干擾效果。

（作者單位：深圳市鼎耀科技有限公司）