一種用于車載通信的低剖面多頻天線

陳新偉， 田 潔， 蘇晉榮

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0 引 言

V2X通信是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的必要技術(shù)， 工作于5.85 GHz～5.925 GHz的DSRC天線實(shí)現(xiàn)車與車通信. GPS有效地獲取車輛位置， 實(shí)現(xiàn)車輛之間的時(shí)間同步. WLAN可以實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與其他終端的通信. 根據(jù)各個(gè)頻段的工作特點(diǎn)， GPS頻段具有圓極化特性， WLAN和DSRC頻段具有全向輻射的垂直極化特性將最大程度地發(fā)揮天線的性能.

近年來(lái)， 隨著全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展， 對(duì)車載天線系統(tǒng)提出了更高的要求， 希望將更多頻段的天線集成在一起. 如今的車載天線多采用鯊魚鰭外形的多功能天線， 以實(shí)現(xiàn)多頻段工作， 但是， 由于美觀以及對(duì)于隱蔽性的要求， 天線的剖面高度應(yīng)該盡可能地低， 或者隱藏在車頂內(nèi)部， 以滿足車上各種無(wú)線系統(tǒng)的移動(dòng)通訊. 為了實(shí)現(xiàn)車輛與周圍設(shè)施通信， 采用具有全向輻射的DSRC天線， 雖然傳統(tǒng)的單極子天線具有全向性輻射特性， 但是， 1/4波長(zhǎng)的剖面高度太高. 因此， 文獻(xiàn)[1] 提出了縮短單極子天線的方法是在其頂部加載一個(gè)圓形貼片以降低其垂直高度； 文獻(xiàn)[2-3]采用中心饋電的圓形貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)類單子輻射特性的結(jié)構(gòu)， 以降低天線的高度.

在滿足低剖面車載天線的基礎(chǔ)上， 為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛， 同時(shí)集成GPS， WLAN， DSRC天線于一體， 將提高車載天線系統(tǒng)的性能. 但是， 同時(shí)滿足需求極化特性和低剖面的集成天線文獻(xiàn)報(bào)道還較少. 文獻(xiàn)[4-7]提出了可以用于集成GPS， WLAN和集成GPS， DSRC的雙頻天線的方法， 這些天線的設(shè)計(jì)提出了一些新穎的饋電方式和加載不同的縫隙來(lái)提高阻抗匹配， 但是這些文獻(xiàn)中的WLAN和DSRC頻段的極化方式不符合垂直極化的特性； 文獻(xiàn)[8]采用層疊結(jié)構(gòu)， 利用中心饋電的頂層貼片為底層貼片耦合饋電， 實(shí)現(xiàn)了同時(shí)工作在WLAN和DSRC兩個(gè)頻段都是具有垂直極化特性的天線； 文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于GPS和UMTS頻段的雙頻天線， 天線采用雙端口饋電， 為了提高兩個(gè)端口之間的隔離度， 通過在接地平面下方設(shè)置一個(gè)低通濾波器， 并嵌入GPS饋電端口和饋電點(diǎn)之間， 有效提高了端口之間的隔離度； 文獻(xiàn)[10]提出了集GPS， WLAN， DSRC 3個(gè)頻段為一體的天線， 設(shè)計(jì)的天線采用了單端口饋電， 但只有WLAN實(shí)現(xiàn)了垂直極化輻射， 其他兩個(gè)頻段均實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射.

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)同時(shí)工作于GPS， WLAN和DSRC的低剖面天線. 通過采用中心饋電的圓形貼片， 實(shí)現(xiàn)類單極子的輻射方式， 獲得低剖面特性. 天線采用了層疊結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了多頻段工作， 通過帶有切口的圓形貼片饋電實(shí)現(xiàn)了GPS頻段， 并通過中心饋電為圓形貼片直接饋電的方式和耦合饋電的方式為下層的圓形貼片饋電， 分別實(shí)現(xiàn)了DSRC和WLAN頻段. 為了提高兩個(gè)端口之間的隔離度， 在GPS天線的饋電線上插入了一個(gè)低通濾波器， 并將濾波器置于接地板和WLAN天線之間， 提高了端口之間的隔離度， 而且便于直接放置在車頂使用.

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線如圖 1 所示， 詳細(xì)尺寸見表 1. 天線由4層微帶貼片堆疊而成， 都印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4， 介質(zhì)損耗角正切為 0.02 的FR4介質(zhì)基板上. 從上至下依次為第1到第4層， 第1層為GPS天線， 貼片由一個(gè)Y軸方向蝕刻兩個(gè)凹槽的圓形貼片構(gòu)成， 在偏離凹槽45°角方向采用同軸饋電， 以激發(fā)兩個(gè)具有相等振幅和90°相位差的正交模式； 第2層為DSRC天線， 由一個(gè)半徑為r1的圓形貼片和一個(gè)內(nèi)環(huán)半徑為rin， 外環(huán)半徑為rout的圓環(huán)組成， 利用中心饋電以激發(fā)TM02和由圓環(huán)產(chǎn)生的諧振模式產(chǎn)生類單極子狀的輻射； 第3層為WLAN天線， 貼片由加載12個(gè)短路銷釘?shù)膱A環(huán)構(gòu)成， 這些短路銷釘均勻分布在距離圓環(huán)中心lv的圓周上， 每個(gè)銷釘?shù)陌霃骄鶠閞0， 每個(gè)短路銷釘連接到天線的接地板， 通過加載短路銷釘， 激發(fā)出TM01模式， 展寬了天線的帶寬； 第4層是一個(gè)三階巴特沃斯濾波器(LPF)， 由于GPS天線與WLAN天線的頻段比較接近， 而且由兩個(gè)端口分別激勵(lì)， 相互之間具有一定的干擾， 通過在GPS饋線上插入一個(gè)截止頻率為 2.2 GHz 的低通濾波器， 提高端口之間隔離度.

表 1 天線各部分的尺寸

在這個(gè)堆疊式貼片結(jié)構(gòu)中， 頂層的GPS天線高度為1.6 mm， WLAN和DSRC共用一個(gè)饋電端口， 通過中心饋電的DSRC天線為WLAN天線耦合饋電， 兩個(gè)天線的高度僅為2.4 mm； 底層的濾波器結(jié)構(gòu)0.8 mm， 濾波器的背面是整個(gè)天線的接地板， 尺寸為2rg1×2rg1， 整體天線的高度僅為 4.8 mm.

(a) 天線的立體結(jié)構(gòu)

(b) 低通濾波器圖 1 本文設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the designed antenna

2 天線結(jié)構(gòu)分析

GPS圓極化天線、 WLAN天線、 DSRC天線和巴特沃斯低通濾波器可以根據(jù)文獻(xiàn)[6-9]來(lái)設(shè)計(jì). 設(shè)計(jì)過程中， 在DSRC天線中加載的耦合圓環(huán)的寬度為wr、 WLAN天線中加入的短路銷釘?shù)膫€(gè)數(shù)和插入的低通濾波器在天線性能方面起著重要的作用， 為了更深入地理解提出的設(shè)計(jì)， 分析各部分對(duì)天線性能的影響.

2.1 圓環(huán)寬度wr對(duì)DSRC天線反射系數(shù)的影響

圖 2 分析了圓環(huán)的寬度wr對(duì)DSRC天線反射系數(shù)的影響. 從圖 2 中可以看出， 在未加載環(huán)形貼片時(shí)， DSRC天線只有一個(gè)明顯的諧振頻率， 天線的帶寬僅有6.02 GHz～6.16 GHz， 而且匹配較差； 通過加載圓環(huán)后， 會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)明顯的諧振， 說(shuō)明圓環(huán)的加入會(huì)引入一個(gè)低頻諧振； 隨著wr的增大， 天線的阻抗帶寬會(huì)逐漸增大， 匹配也逐漸變好， 當(dāng)wr=9.4 mm 時(shí)， 反射系數(shù)小于 -10 dB 的阻抗帶寬達(dá)到了 10.7%(5.60 GHz～6.23 GHz)， 說(shuō)明通過在圓形貼片周圍添加一個(gè)耦合圓環(huán)， 可以在改善阻抗匹配的同時(shí)顯著拓寬天線的帶寬.

圖 2 圓環(huán)寬度wr對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.2 The influence of ring width wr onreflection coefficient

2.2 短路銷釘對(duì)天線反射系數(shù)的影響

圖 3 給出了在WLAN天線層圓形貼片上加載不同數(shù)目短路銷釘對(duì)天線反射系數(shù)的影響.

圖 3 短路銷釘對(duì)天線反射系數(shù)的影響Fig.3 The influence of shorted-conductive vias onantenna reflection coefficient

從圖 3 中可以看出， 在未加載短路銷釘前天線的匹配比較差， 只有很窄的頻帶范圍的反射系數(shù)達(dá)到 -10 dB 左右， 通過加載不同數(shù)量的短路銷釘后， 激發(fā)出新的諧振模式， 有效的拓寬了天線的阻抗帶寬. 通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)隨著短路銷釘數(shù)量的增加， 天線的阻抗匹配會(huì)更好， 帶寬也會(huì)更寬， 當(dāng)短路銷釘數(shù)量為12時(shí)帶寬最寬， 反射系數(shù)小于 -10 dB 的阻抗帶寬可以達(dá)到 4.6% (2.36 GHz～2.47 GHz). 所以通過加載短路銷釘能有效拓寬天線的帶寬， 且加載12個(gè)短路銷釘效果最好.

2.3 本文設(shè)計(jì)天線的各種性能參數(shù)仿真結(jié)果

圖 4 給出了天線在有無(wú)插入低通濾波器(LPF)的S21的仿真結(jié)果.S21為端口間的互耦， 天線的隔離度用其絕對(duì)值來(lái)表示. 從圖 4 中可以看出， 沒有加載LPF前的GPS和WLAN頻段的S21非常差， 特別是WLAN頻段， 隔離度低于 10 dB， 當(dāng)天線加載了LPF之后， 兩個(gè)端口之間的隔離度變好， GPS頻段的S21可以達(dá)到-29.3 dB， WLAN頻段的S21可以達(dá)到 -21.2 dB， 而且DSRC頻段S21可以達(dá)到 -17 dB.

圖 4 加載和不加載LPF的天線隔離度Fig.4 The isolation with and without LPF

圖 5 給出了本文設(shè)計(jì)的多頻段天線的實(shí)物圖.

圖 5 本文設(shè)計(jì)天線實(shí)物圖Fig.5 The prototype of the designed antenna

圖 6～圖 9 給出了按照表1設(shè)計(jì)的天線的仿真和測(cè)試結(jié)果.

圖 6 給出了所設(shè)計(jì)天線的仿真和實(shí)測(cè)的反射系數(shù). 從圖 6 中可以看出反射系數(shù)小于-10 dB的GPS頻段的阻抗帶寬達(dá)到4.4%(1.56 GHz～1.63 GHz)， WLAN頻段的阻抗帶寬達(dá)到2.1%(2.41 GHz～2.46 GHz)， DSRC頻段阻抗帶寬達(dá)到了7.6%(5.68 GHz～6.13 GHz)， 測(cè)試與仿真結(jié)果相比較， 高頻段的兩個(gè)帶寬有一定程度的變窄， 這是由于天線加工過程中介質(zhì)基板厚度和測(cè)量誤差導(dǎo)致的.

圖 6 設(shè)計(jì)天線的仿真和實(shí)測(cè)的反射系數(shù)Fig.6 Simulated and measured reflection coefficientsof the designed antenna

圖 7 給出了天線在整個(gè)頻帶內(nèi)的仿真和實(shí)測(cè)的S21. 從測(cè)試結(jié)果可以看出， 兩個(gè)端口之間有較好的隔離度， GPS頻段的S21可以達(dá)到 -31.4 dB， WLAN頻段的S21可以達(dá)到 -20.8 dB， DSRC頻段的S21可以達(dá)到-17 dB， 說(shuō)明天線中引入LPF明顯增大了兩個(gè)端口之間的隔離度.

圖 7 設(shè)計(jì)天線的仿真和實(shí)測(cè)的隔離度Fig.7 Simulated and measured isolationof the designed antenna

圖 8 設(shè)計(jì)天線的仿真和實(shí)測(cè)的ARFig.8 Simulated and measured AR of the designed antenna

圖 8 給出了天線在GPS頻段的仿真和實(shí)測(cè)的軸比圖. 從圖 8 中可以看出設(shè)計(jì)的天線在 1.57 GHz～1.59 GHz之間的軸比都低于3 dB， 說(shuō)明很好地實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射特性， 測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合.

圖 9 分別給出了天線在 1.575 GHz, 2.45 GHz, 5.9 GHz時(shí)天線的仿真和實(shí)測(cè)的輻射方向圖. 從圖 9 中可知， GPS天線具有右旋圓極化特性， 交叉極化小于-15 dB， 最大輻射角位于正z軸方向. WLAN和DSRC天線的H面為具有低交叉極化特性的全向輻射， 不圓度低于3 dB；E面呈現(xiàn)錐形輻射， 所以WLAN和DSRC天線均具有垂直極化特性. 而且天線在GPS， WLAN和DSRC 3個(gè)頻段內(nèi)的最大增益分別達(dá)到了 3.5 dBi, 1.3 dBi和2.3 dBi.

(a) XOZ面 -1.575 GHz

(c) E面 -2.45 GHz

(e) E面 -5.9 GHz

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種集GPS, WLAN, DSRC天線為一體的低剖面天線. 通過加載耦合環(huán)和加入短路銷釘， 分別展寬了DSRC和WLAN頻段的帶寬； 通過在GPS同軸饋電線上插入一個(gè)三階巴特沃斯濾波器， 提高了端口之間的隔離度， 仿真和測(cè)量結(jié)果均表明， 天線在GPS， WLAN， DSRC頻帶分別具有右旋圓極化、 全向垂直極化特性， 兩個(gè)饋電端口之間獲得17 dB以上的隔離度， 此外， 該設(shè)計(jì)還具有低剖面的特點(diǎn)， 可以應(yīng)用于車載無(wú)線通信系統(tǒng).