汽車收音機(jī)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法研究

陳亞亮

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服務(wù)不斷演變以滿足人們多樣化的需求，在消費(fèi)者日益增長的需求下，汽車主機(jī)的功能配置越來越多被提及，作為構(gòu)建該系統(tǒng)的核心組件汽車收音機(jī)天線的研究也越來越重要。從1930年第1款汽車收音機(jī)天線“摩托羅拉”[1]，發(fā)展到安裝在車頂傾斜60°，其長度等于或大于1/4波長的鞭狀天線[2]，再演變到利用金屬涂層將接收天線印刷在玻璃上的玻璃天線[3]。高品質(zhì)的汽車天線產(chǎn)品需要完備的測(cè)量驗(yàn)證方法，整車收音機(jī)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試是其性能要求的必要試驗(yàn)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試是利用開闊場(chǎng)進(jìn)行輻射發(fā)射和接收的測(cè)試，被公認(rèn)為科學(xué)、合理的測(cè)量方法。但目前中國對(duì)汽車收音機(jī)天線尚無測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主流的主機(jī)廠例如通用、豐田、大眾等有其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

本文聚焦于整車收音機(jī)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，基于大眾汽車天線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，給出開闊場(chǎng)場(chǎng)地均勻性及天線交叉極化的驗(yàn)證方法。以Golf A8車型為例，詳述基于參考天線的整車收音機(jī)天線測(cè)量方法，提出收音機(jī)天線性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及注意事項(xiàng)，為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了測(cè)試依據(jù)。

1 開闊場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地要求

開闊場(chǎng)是指受試設(shè)備在露天測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)（OATS）中進(jìn)行測(cè)量，行業(yè)內(nèi)一般采用室外開闊場(chǎng)方法測(cè)試汽車收音機(jī)天線[5]。在大眾標(biāo)準(zhǔn)TL82133中對(duì)開闊場(chǎng)場(chǎng)地均勻性和天線交叉極化有明確的技術(shù)要求，下文將簡述場(chǎng)地均勻性和交叉極化的驗(yàn)證方法。

1.1 場(chǎng)地均勻性驗(yàn)證方法

場(chǎng)地均勻性是指發(fā)射天線保持不動(dòng)，接收天線分別置于靜區(qū)內(nèi)的4個(gè)點(diǎn)，記錄接收信號(hào)幅度與中心點(diǎn)的變化情況，技術(shù)要求偏差在±1dB以內(nèi)。

在進(jìn)行場(chǎng)地均勻性測(cè)量時(shí)，如圖1所示，發(fā)射天線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心距離100m，分別測(cè)量水平極化和垂直極化的信號(hào)接收幅值，采 集0°、90°、180°、270°分別位于中心點(diǎn)2m位置區(qū)域內(nèi)的幅值數(shù)據(jù)，并與中心點(diǎn)幅值做對(duì)比，得到整個(gè)靜區(qū)的幅度均勻性測(cè)試結(jié)果。

圖1 測(cè)試區(qū)域采集點(diǎn)示意圖

測(cè)試布置示意如圖2所示，簡述測(cè)量步驟：①發(fā)射天線HL033，架設(shè)高度9m；②接收天線偶極子天線EMCO 3121D，振子長度747mm；③轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)記5個(gè)點(diǎn)，采集點(diǎn)方式：中心點(diǎn)，0°、90°、180°、270°分別位于中心點(diǎn)2m位置；④接收天線-偶極子天線在中心點(diǎn)需要轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)0°~359°進(jìn)行測(cè)試，并在測(cè)試數(shù)據(jù)中記錄最大值及頻點(diǎn)，該頻率點(diǎn)的0°測(cè)量值作為中心點(diǎn)幅值；⑤記錄接收天線置于0°、90°、180°、270°測(cè)量幅值，并與中心點(diǎn)幅值進(jìn)行對(duì)比。

圖2 場(chǎng)地均勻性布置示意圖

這里給出安徽滁州開闊場(chǎng)場(chǎng)地均勻性測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

表1 場(chǎng)地均勻性測(cè)量數(shù)據(jù)

1.2 天線交叉極化驗(yàn)證方法

極化是指在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，由于天線本身物理結(jié)構(gòu)等原因，天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)的電場(chǎng)矢量除了有所需要方向的運(yùn)動(dòng)軌跡外，在其正交方向上存在分量，這就是天線的交叉極化[6]。汽車通信系統(tǒng)中交叉極化的引入主要是在傳播過程中，由于空間電離層等一些去極化源的影響或接收端未調(diào)整好狀態(tài)[7]。為了保證整車收音機(jī)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的正確性，必須對(duì)開闊場(chǎng)全頻段天線交叉極化進(jìn)行測(cè)量，技術(shù)要求隔離度大于20dB。

測(cè)試布置示意如圖3所示，簡述測(cè)量步驟：發(fā)射天線HL033，架設(shè)高度9m；接收天線HLP3003C，天線高度1.5m；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接至功放Bypath路徑，分別測(cè)量H-H、H-V、V-V、V-H極化方式的隔離度。圖4為開闊場(chǎng)全頻段天線交叉極化測(cè)量結(jié)果。

圖3 天線交叉極化布置示意圖

圖4 天線交叉極化測(cè)量結(jié)果

2 整車收音機(jī)天線測(cè)量方法

由于整車收音機(jī)AM天線和FM天線測(cè)量方法不同，下文分別詳述測(cè)量方法。

2.1 整車AM天線測(cè)量方法

AM是調(diào)幅的簡稱，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，測(cè)量頻段：500kHz~2MHz。整車AM天線測(cè)量方法是采用標(biāo)準(zhǔn)單極天線以固定頻點(diǎn)和固定強(qiáng)度對(duì)外輻射發(fā)射，參考天線接收信號(hào)幅值，再測(cè)量整車AM天線接收信號(hào)幅值。

2.1.1 參考天線接收信號(hào)幅值測(cè)量方法

參考天線選取已知天線因子的有源鞭狀天線，參考天線方向朝向發(fā)射天線，安裝于直徑1m金屬圓盤中心位置，金屬圓盤置于1.5m絕緣支架上，參考天線直流12V供電，長度5m的RG174低損耗射頻線纜（用以模擬實(shí)車線纜）通過直流偏置連接至頻譜分析儀，布置示意如圖5所示。

圖5 AM頻段參考天線測(cè)試布置示意圖

設(shè)定信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，通過LMR600低損耗射頻線纜連接至單極發(fā)射天線STA-70SE/K，參考天線分別對(duì)頻點(diǎn)555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz進(jìn)行接收信號(hào)幅值的測(cè)量。

2.1.2 整車AM天線接收信號(hào)幅值測(cè)量方法

將待測(cè)車輛置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，車尾方向朝向發(fā)射天線，天線放大器采用直流8.5V供電，長度為5m的RG174低損耗射頻線纜通過直流偏置連接至頻譜分析儀，整車AM天線測(cè)試布置示意如圖6所示。記錄固定頻點(diǎn)的接收幅值，并與參考天線接收幅值進(jìn)行比對(duì)，單位為dBuV。

圖6 整車AM天線測(cè)試布置示意圖

2.2 整車收音機(jī)FM天線測(cè)量方法

FM是調(diào)頻的簡稱，泛指頻率調(diào)制方式無線信號(hào)的天線，測(cè)量頻段：76~120MHz。

整車FM天線測(cè)量方法是采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)周期天線以固定頻點(diǎn)和固定強(qiáng)度對(duì)外輻射發(fā)射，標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線接收信號(hào)幅值，再測(cè)量整車FM天線接收信號(hào)幅值并做對(duì)比，獲得相對(duì)增益值，單位為dBd。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)天線接收信號(hào)幅值測(cè)量方法

接收天線選取已知天線因子的半波長偶極子天線，天線高度為1.5m，置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置。布置示意如圖7所示，以垂直極化為例，簡述測(cè)量步驟。

圖7 FM頻段參考天線測(cè)試布置示意圖

1）發(fā)射天線HL033，架設(shè)高度9m。

2）接收天線EMCO 3121D，振子長度747mm。

3）設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)域門。

4）每1MHz步進(jìn)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)0~359°分別對(duì)不同頻點(diǎn)以fi每1°步進(jìn)進(jìn)行測(cè)試，記錄信號(hào)接收幅值，并選擇最大接收幅值Max（RefFM/ΦV）。

5）調(diào)整發(fā)射天線和接收天線為水平極化，重復(fù)步驟4）記錄信號(hào)接收幅值，并選擇最大接收幅值Max（RefFM/ΦH）。

2.2.2 整車FM天線接收信號(hào)幅值測(cè)量方法

將待測(cè)車輛置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，天線放大器采用直流8.5V供電，長度為5m的帶磁環(huán)低損耗線（用于減少線纜與轉(zhuǎn)臺(tái)金屬面間的耦合）連接至轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)接頭Kevlin1106SS，通過低損耗LMR600射頻線纜連接至網(wǎng)分b2端口。網(wǎng)分a1端口連接至功放，通過LMR600射頻線纜連接至發(fā)射天線端。

測(cè)試布置示意圖如圖8所示，以垂直極化為例，簡述其量步驟。

圖8 整車FM天線測(cè)試布置示意圖

1）發(fā)射天線HL033，架設(shè)高度9m。

2）每1MHz步進(jìn)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)0~359°分別對(duì)不同頻點(diǎn)fi以每1°步進(jìn)進(jìn)行測(cè)試，記錄FM1信號(hào)接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

3）若待測(cè)車輛為雙FM放大器，重復(fù)步驟2），測(cè)量FM2信號(hào)接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N）。

4）調(diào)整發(fā)射天線為水平極化方式，測(cè)量并記錄FM1和FM2信號(hào)接收幅值 （MΦ（0°-359°）/FM1/H@fi，i=1，2，…N）和（MΦ（0°-359°）/FM2/H@fi，i=1，2，…N）。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及注意事項(xiàng)

整車級(jí)收音機(jī)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為接收強(qiáng)度和天線增益。如下給出整車AM天線和FM天線評(píng)價(jià)指標(biāo)及注意事項(xiàng)。

3.1 收音機(jī)AM天線評(píng)價(jià)指標(biāo)及注意事項(xiàng)

由于整車AM天線系統(tǒng)的測(cè)試頻帶較窄[5]，在頻帶內(nèi)選定固定5個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)：555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz，按照技術(shù)要求測(cè)試頻點(diǎn)平均接收幅值為30dBuV±3dB，單個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)信號(hào)接收幅值比擬于參考天線接收幅值，技術(shù)要求偏差在±3dB以內(nèi)。當(dāng)然技術(shù)要求的前提是統(tǒng)一化設(shè)定參數(shù)、修訂線纜損耗等。以Golf A8車型為例，整車AM天線測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 Golf A8整車AM測(cè)量數(shù)據(jù)

簡述注意事項(xiàng)如下。

1）周期性（每月）驗(yàn)證發(fā)射系統(tǒng)尤其是AM發(fā)射天線端回波損耗，并記錄。

2）系統(tǒng)統(tǒng)一化設(shè)定，例如發(fā)射強(qiáng)度、RBW、VBW、檢波方式等參數(shù)。

3）確保單極子發(fā)射天線阻抗匹配單元、射頻線纜的良好搭鐵。

4）連接參考有源發(fā)射天線和手持頻譜的RG174射頻線纜不能與轉(zhuǎn)臺(tái)金屬面接觸以防止耦合，布置示意如圖9所示。

圖9 RG174線纜布置方式

5）對(duì)比晴天、陰天、雨天天氣對(duì)測(cè)量結(jié)果影響，對(duì)比同一天早晨、中午、晚上不同時(shí)間段對(duì)測(cè)量結(jié)果影響，從而選擇出數(shù)據(jù)穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境。

3.2 收音機(jī)FM天線評(píng)價(jià)指標(biāo)及注意事項(xiàng)

整車FM天線系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為帶內(nèi)平均增益，從而譜出增益曲線和繪制出天線增益方向圖。

3.2.1 整車單天線FM1帶內(nèi)平均增益

垂直極化方式下，計(jì)算方法如下。

1）測(cè)量并記錄標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線接收信號(hào)幅值頻帶內(nèi)最大值Max（RefFM/ΦV）。

2）測(cè)量并記錄整車FM1天線接收信號(hào)幅值（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

3）計(jì)算FM1天線在頻點(diǎn)fi增益值：（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）=1/360*[∑MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N-Max（RefFM/ΦV）]，N=22；記錄帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

4）計(jì)算獲得FM1天線帶內(nèi)平均增益值：MΦ/FM1/V=1/N*（∑MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N），N=22。

水平極化方式下，重復(fù)步驟1）~4）。

5）計(jì)算獲得FM1天線帶內(nèi)平均增益值：MΦ/FM1/H=1/N*（∑MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N），N=22；記錄帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N）。

6）整車單天線FM1帶內(nèi)平均增益值計(jì)算：Avg（MΦ/FM1）=1/2*（MΦ/FM1/V+MΦ/FM1/H），單位為dBd。

技術(shù)要求：整車單天線FM1帶內(nèi)平均增益為Avg（MΦ/FM1）=-8dBd±3dB；垂直極化帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）≥-11dBd；水平極化帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM1/H@fi，i=1，2，…N）≥-15dBd。以Golf A8單天線FM1為例，如表3給出測(cè)量結(jié)果，增益曲線如圖10所示。單位為dBd。

表3 Golf A8整車單天線FM1測(cè)量數(shù)據(jù)

圖10 Golf A8整車單天線FM1增益曲線

3.2.2 整車雙天線FM1+FM2帶內(nèi)平均增益

計(jì)算方法如下。

1）垂直極化方式下，重復(fù)單天線計(jì)算方法步驟1）~2）。

2）比較fi頻點(diǎn)FM1和FM2接收幅值，記錄最大值Max[MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N，MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N]。

3）計(jì)算FM1+FM2天線fi頻點(diǎn)下增益值：[MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）=1/360*（∑Max（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N，MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N，）-Max（RefFM/ΦV）]，N=22；記錄帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）。

4）計(jì)算FM1+FM2天線帶內(nèi)平均增益值：MΦ/FM/V=1/N*（∑MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N），N=22。

水平極化方式下，重復(fù)步驟1）~5）。

5）計(jì)算獲得FM1天線帶內(nèi)平均增益值：MΦ/FM/H=1/N*（∑MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N），N=22；記錄帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N）。

6）整車雙天線FM1+FM2帶內(nèi)平均增益值A(chǔ)vg（MΦ/FM）=1/2*（MΦ/FM/V+MΦ/FM/H）。

技術(shù)要求：整車雙天線FM1+FM2帶內(nèi)平均增益為Avg（MΦ/FM）=-7dBd±3dB；垂直極化帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）≥-10dBd；水平極化帶內(nèi)增益最小值Min（MΦ/FM/H@fi，i=1，2，…N）≥-14dBd。以Golf A8雙天線FM1+FM2為例，給出測(cè)量結(jié)果見表4，增益曲線如圖11所示。

表4 Golf A8整車雙天線FM1+FM2測(cè)量數(shù)據(jù)

圖11 Golf A8整車雙天線FM1+FM2增益曲線

注意事項(xiàng)如下。

1）時(shí)域門設(shè)置需要確定時(shí)域門上限和下限或者是時(shí)域門的中心及門寬，以便將場(chǎng)地的主要反射波拒之門外[8]。通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，最佳時(shí)域門上限按照第一個(gè)反射波與直射波時(shí)延差的一半進(jìn)行設(shè)定，下限設(shè)置以直射波處于門中心為原則，并查看在0°、90°、180°、270°中整車天線接收的直射波信號(hào)的變化是否在時(shí)域門設(shè)定區(qū)間內(nèi)。

2）為了避免線束與玻璃天線之間的耦合，需要規(guī)范線束的走向，布置如圖12所示。

圖12 接收線纜走向布置

3）圖13為整車雙天線時(shí)需要將另外一個(gè)測(cè)試天線接口供電并50Ω負(fù)載端接。

圖13 雙天線放大器連接方式

4）測(cè)試鯊魚鰭天線和桿天線時(shí)，若內(nèi)含GPS、LTE和FM/AM天線，測(cè)試收音機(jī)天線時(shí)需要將GPS和LTE天線使用車輛線纜進(jìn)行端接，確保正常工作。

5）周期性校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)備點(diǎn)檢和維修保養(yǎng)記錄，確保測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行良好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

本文在大量試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，奉行理論聯(lián)系實(shí)際并服務(wù)于實(shí)踐的精神，以整車級(jí)收音機(jī)天線為主要研究對(duì)象，基于大眾汽車天線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，提出開闊場(chǎng)場(chǎng)地均勻性和天線交叉極化的驗(yàn)證方法及整車AM/FM天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法，詳述了性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，為后續(xù)國標(biāo)開展工作提供測(cè)試依據(jù)。