車載鯊魚鰭式超寬帶多功能天線的研制*

伍書凝,林福民,李紅濤,周冬躍,王媛媛

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

隨著汽車市場競爭加劇，汽車制造商已開始將注意力轉(zhuǎn)向移動無線通信應(yīng)用來為其產(chǎn)品增值,從而促進了對不同頻段工作的新天線的需求。這些新天線需滿足新的移動通信頻段,例如GPS、5G、WiFi、車聯(lián)網(wǎng)等通信頻段。車載天線設(shè)計通常為扁平鯊魚鰭式，車頂內(nèi)嵌式或者鞭狀式，以便集成在汽車結(jié)構(gòu)上。同時，也由于汽車金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的屏蔽作用，在汽車內(nèi)部使用手機時，其信號會相應(yīng)受到影響，因此最小化這種屏蔽影響的常見解決方案是使用外部車載天線。

國內(nèi)外已經(jīng)有部分學(xué)者開展了一些工作在移動通信頻段上的寬帶天線用于車輛應(yīng)用的研究，包括覆蓋LTE頻段的寬帶天線[1-5]和車載多頻帶通信天線[6-11]，但這些天線或是覆蓋頻域過窄，或是尺寸過大，亦或是需要多個天線同時工作才能實現(xiàn)寬頻帶。文獻[6]設(shè)計了一種三頻帶車載天線，頻域范圍可覆蓋824～960 MHz、1 710～2 690 MHz和3.4～3.6 GHz，而代價是天線高度達70 mm，且需要地板足夠大的情況下才能正常工作。文獻[12]通過接地枝節(jié)、寄生枝節(jié)和彎折枝節(jié)之間的相互耦合作用來實現(xiàn)兩個常用通信寬帶頻段且不需要其他匹配網(wǎng)絡(luò)，該天線的最大增益在7.3 dB左右，但美中不足的是沒有覆蓋Sub-6G通信頻段。因此隨著5G通信的商用化以及當(dāng)今汽車市場份額的增大，設(shè)計一種既美觀又實用的小型化超寬帶車載通信天線是極其迫切且有必要的。

本文提出了一種應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的超寬帶天線，由1/4橢圓單極子枝節(jié)和矩形單極子枝節(jié)組成。由于該天線在所有的工作頻段內(nèi)的駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)比較小，因此可以認(rèn)為天線在所有的工作頻段內(nèi)的輸入阻抗接近50 Ω，可與同軸饋電線匹配連接。以VSWR=4∶1計算，所制天線能夠產(chǎn)生824～5 000 MHz一個超寬帶寬，從而能夠覆蓋GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE、5G通信制式，具體工作頻段為824～960 MHz、1 710～2 170 MHz、2 300～2 690 MHz、3 300～5 000 MHz，設(shè)計的主集天線僅占50 mm×42 mm×1.6 mm的空間，結(jié)構(gòu)簡單，垂直高度低，非常適配于車載鯊魚鰭式狹小的空間限制。實驗中對天線進行了CST軟件仿真、樣品構(gòu)造以及微波暗室實測，其仿真與實測結(jié)果較吻合，證明天線能夠滿足車載通信的實際需求。

1 單極子天線設(shè)計

本文旨在設(shè)計一款覆蓋824～5 000 MHz車載通信頻段，并在工作頻段內(nèi)駐波比小于4 dB，具有全向輻射性能以及最大增益大于4 dBi的超寬帶車載主集天線，且主集天線后續(xù)將與分集天線搭載并構(gòu)成2×4 多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)車載通信系統(tǒng)。因為MIMO技術(shù)的優(yōu)點是在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下提高信道的容量，提高信道的可靠性以及多路徑效應(yīng)，所以即便當(dāng)VSWR=4 dB、傳輸功率僅僅為輸入功率的64%時，MIMO技術(shù)可以利用多天線來抑制信道衰落，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送，并顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。天線可工作頻段與相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)總工作頻段的比值相對帶寬大于25%或是絕對帶寬大于500 MHz，即為該系統(tǒng)內(nèi)的超寬帶天線。

一般來說網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備在無線區(qū)域內(nèi)的運動是隨機的，為了保證能夠接收到信號，移動天線的方向圖一般設(shè)計為全向的?；疽约敖K端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是在視距內(nèi)，假設(shè)天線不具有全向的方向圖，移動天線接收到的信號將有顯著的變化，因此車載主天線一般要求為全向天線。因為垂直極化的寬帶全向天線比較容易實現(xiàn)，所以將車載通信天線設(shè)計為垂直極化。單極子天線由于具有結(jié)構(gòu)簡單、垂直極化以及水平全向的方向圖，因而成為車載通信天線設(shè)計的最佳選擇[13]。

圖1所示為單極子天線的設(shè)計過程，黃色區(qū)域為金屬銅，白色區(qū)域為介質(zhì)基板。結(jié)構(gòu)4為單極子天線最終設(shè)計形狀，輻射貼片由長矩形和1/4橢圓組成，基板材料為FR-4(相對介電常數(shù)為 4.4，損耗角正切為 0.025)，基板長L=75 mm，寬a2=42 mm，其設(shè)計厚度均為1.6 mm。饋電點均為單極子天線底部中心處，且與金屬地板的間距為1 mm。

圖1 單極子天線設(shè)計過程

天線具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。根據(jù)表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在仿真軟件CST studio suite里面建立3D模型，并進行仿真優(yōu)化后分析得到單極子天線的駐波比隨頻率變化的曲線。圖2所示為結(jié)構(gòu)1、2、3、4的駐波比對照圖，可以看出結(jié)構(gòu)1中當(dāng)天線高度達到75 mm時天線在頻域824～960 MHz可以達到駐波比小于4，但結(jié)構(gòu)1未覆蓋頻域1 710～2 300 MHz。同樣地，在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上添加了半圓形枝節(jié)的結(jié)構(gòu)2在頻域824～960 MHz以及1 710～2 170 MHz頻段范圍內(nèi)未能達到設(shè)計要求，甚至駐波比曲線劣于結(jié)構(gòu)1。而添加了橢圓形枝節(jié)的結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)4在頻域1 710～2 300 MHz中駐波比能下降到2 dB左右，且皆可覆蓋設(shè)計指標(biāo)要求的工作頻域，但考慮到鯊魚鰭空間的大小，因此采用橫向長度較短的結(jié)構(gòu)4作為車載主集天線的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1 單極子天線的主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 結(jié)構(gòu)1、2、3、4的駐波比仿真結(jié)果

為進一步分析天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對單極子天線結(jié)構(gòu)4性能的影響，在CST studio suite里面對1/4橢圓枝節(jié)的短軸a2以及長軸b2進行參數(shù)掃描。圖3所示為當(dāng)b2為固定值時，天線駐波比隨a2值的變化曲線?？梢钥闯鎏炀€在824～960 MHz頻段，低頻諧振點隨著a2的增大而略微往低頻偏移；在1 710～2 500 MHz頻段，當(dāng)a2=22 mm時，駐波比曲線劣于另外4條曲線；在高頻域時，天線的駐波比大致相同。由此可以得出結(jié)論：調(diào)節(jié)橢圓短軸a2的長度可以微調(diào)低頻域駐波比。

圖3 駐波比隨參數(shù)a2變化曲線

圖4所示為當(dāng)a2為固定值時，天線駐波比隨b2值的變化曲線?？梢杂^察到，同樣地，天線在824～960 MHz頻段，低頻諧振點隨著b2的增大而明顯往低頻偏移以及駐波比明顯下降；在1 710～3 000 MHz頻段，諧振點隨著參數(shù)b2的增大而向左偏移。由此可以得出結(jié)論：調(diào)節(jié)橢圓長軸b2的長度可以顯著調(diào)節(jié)低頻域駐波比以及中頻域處諧振點。

圖4 駐波比隨參數(shù)b2變化曲線

2 車載主集天線設(shè)計

本文對結(jié)構(gòu)4進行了優(yōu)化，并將其整合到鯊魚鰭式金屬地板上，圖5所示為優(yōu)化后的車載天線。如圖5(a)所示，為防止功率過大而導(dǎo)致天線工作失效，在魚鰭式地板兩側(cè)放置兩個對稱的主集天線，天線1、天線2皆為接收與發(fā)射天線，當(dāng)金屬地板足夠大時，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)L=50 mm，有效地降低了天線高度且節(jié)省了鯊魚鰭的空間，以便組合分集天線、WiFi藍牙天線以及車聯(lián)網(wǎng)天線。此外，車載天線之間的隔離度也是天線設(shè)計的一個重要指標(biāo)，而提高天線隔離度的方法有三種：一是加大兩個天線的空間距離；二是兩個天線不共地；三是將共地進行表面濾波設(shè)計。如圖5(b)所示，為了保證兩天線之間的隔離度在工作頻域范圍均低于-15 dB，對金屬地板的分割使其不共地且加大兩天線之間的距離。經(jīng)過仿真與實測，金屬地板所分割的兩個矩形結(jié)構(gòu)參數(shù)最終確定為L1=42 mm，L2=50 mm，L3=110 mm，W6=5 mm。圖5(b)中兩個槽口是為了將天線插入地板做的模擬仿真，以便達到更真實的仿真效果。

(b)鯊魚鰭金屬地板圖圖5 車載主集天線結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上文所述的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在軟件CST studio suite中建立模型，并通過軟件仿真優(yōu)化和分析后得到該天線的駐波比隨頻率變化曲線。圖6所示為主集天線仿真與實測駐波比圖，天線1和2為主集天線且皆為接收與發(fā)射天線，因此仿真駐波比曲線圖重合。從圖中可以觀察到，仿真駐波比在工作頻域范圍內(nèi)皆低于3，而由于存在實物加工誤差以及測量誤差，天線2的實測駐波比要比天線1的駐波比略差一些，但也都滿足車載天線的設(shè)計要求。

圖6 主集天線駐波比仿真與實測對比

圖7所示為主集天線的仿真與實測隔離度，可以看出，在826～960 MHz頻段中隔離度只有-5 dB左右，而且在1 710～2 500 MHz也未達到-15 dB。但在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實際測試中，觀察到主集天線在全工作頻域內(nèi)的隔離度小于-15 dB，這表明天線在低頻段826～960 MHz的實際工作效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于仿真效果。

圖7 主集天線仿真與實測隔離度

為了更直觀地了解天線隔離度，引入包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient,ECC)這一概念來詮釋天線隔離度的好壞。包絡(luò)相關(guān)系數(shù)可以通過輻射場來精準(zhǔn)計算，但是為了簡化計算，也可以通過S參數(shù)矩陣計算其大小。本文采用CST的計算方法來計算 ECC，公式為

(1)

一般情況下，車載主集天線要求ECC值要小于 0.1，具體數(shù)值可以視主集天線的應(yīng)用情況而定。圖8所示為天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)圖，可以觀察到在天線工作頻段內(nèi)，ECC的值遠(yuǎn)小于0.1，所以本節(jié)設(shè)計的多頻多模車載通信天線符合設(shè)計的一般性能要求。

圖8 主集天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

圖9所示為主集天線最大增益仿真與實測對比圖，接收天線以及發(fā)射天線在低頻段的實測最大增益達到2.1 dBi左右，在高頻段區(qū)域內(nèi)天線的最大增益高達8 dBi，較符合仿真結(jié)果也符合該設(shè)計的初始目標(biāo)。

圖9 主集天線最大增益仿真與實測對比

圖10所示為主集天線輻射效率仿真與實測對比圖，可以觀察到在低頻段時主集天線的實測輻射效率在57%左右，相反，主集天線工作在高頻段時，天線的實測輻射效率在70%～95%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于仿真結(jié)果。

圖10 主集天線輻射效率仿真與實測對比

造成天線在低頻工作時的實測最大增益和輻射效率低于高頻的原因在于，天線效率一般定義為天線的輻射功率Pref與輸入功率Pi之比，即

(2)

而由于天線效率是輻射功率與輸入功率之比，很自然地它就把方向性系數(shù)D和增益G聯(lián)系了起來，其關(guān)系為

(3)

再者，天線輻射功率Pref以及輸入功率Pi與反射系數(shù)Γ以及駐波比的關(guān)系為

(4)

(5)

綜上所述，增益G與VSWR的關(guān)系為

(6)

由此可見，天線輻射效率以及天線增益與天線駐波比具有相關(guān)性。從圖6中可知，天線的駐波比在低頻段要高于高頻段。從式(6)可以判斷，天線的輻射效率與最大增益在826～960 MHz頻段應(yīng)該較低，與圖10結(jié)果一致。而高頻段存在天線的輻射效率與最大增益仿真結(jié)果明顯低于實測結(jié)果的原因在于CST微波工作室核心算法是基于時域有限積分，而時域算法的信號為脈沖信號沒有收斂，根據(jù)傅里葉變換的原理可知要仿真的頻帶寬度越寬，對應(yīng)時域脈沖就越窄，也就意味著計算時間變短則導(dǎo)致傅里葉變換精度不夠，會造成仿真與實測結(jié)果出現(xiàn)偏差；再者，實測中的設(shè)備儀器存在插損以及系統(tǒng)誤差，這也是造成仿真與實測結(jié)果有所偏差的原因。

圖11所示為車載天線原型，圖12為車載天線微波暗室實測圖。

圖11 車載天線原型圖

圖12 車載天線微波暗室實測

圖13所示為超寬帶車載通信天線的方向圖測試結(jié)果，分別展示了在頻點890 MHz、2 000 MHz、3 500 MHz、4 500 MHz處的天線1、天線2的XOZ平面、YOZ平面輻射方向圖。從各個頻點的方向圖可以看到，天線1、天線2的方向圖幾乎是關(guān)于鯊魚鰭式結(jié)構(gòu)中軸線對稱的，更加適合用于車載通信系統(tǒng)，有利于提高全方位的無線連接和無線通信質(zhì)量。

(a)890 MHz

(b)2 000 MHz

(c)3 500 MHz

(d)4 500 MHz圖13 車載天線實測方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款工作于車載通信的超寬帶主集天線，極化方式為線極化。天線采用了電尺寸為λ/4的單極子天線方案，利用其垂直極化波特性，極大地保證水平方向全向輻射，還具有較高的效率和增益，基本滿足GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE、5G通信所需的工作頻段。本天線具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、造價超低、超寬帶等優(yōu)點，在車載通信系統(tǒng)中具有很高的實際使用價值。所設(shè)計的主集天線可與分集天線搭載構(gòu)成2×4 MIMO通信系統(tǒng)，在改善車載通信質(zhì)量，成倍提高系統(tǒng)信道容量方面有著明顯的優(yōu)勢。

但設(shè)計的單極子天線在垂直方向的增益較小，需在后續(xù)開展優(yōu)化設(shè)計工作。