汽車收音機天線遠場測量方法研究

陳亞亮

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

汽車的設計、生產和服務不斷演變以滿足人們多樣化的需求，在消費者日益增長的需求下，汽車主機的功能配置越來越多被提及，作為構建該系統(tǒng)的核心組件汽車收音機天線的研究也越來越重要。從1930年第1款汽車收音機天線“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]。高品質的汽車天線產品需要完備的測量驗證方法，整車收音機天線遠場測試是其性能要求的必要試驗。遠場測試是利用開闊場進行輻射發(fā)射和接收的測試，被公認為科學、合理的測量方法。但目前中國對汽車收音機天線尚無測試的標準規(guī)范，主流的主機廠例如通用、豐田、大眾等有其企業(yè)標準[4]。

本文聚焦于整車收音機天線的遠場測試，基于大眾汽車天線測量標準，給出開闊場場地均勻性及天線交叉極化的驗證方法。以Golf A8車型為例，詳述基于參考天線的整車收音機天線測量方法，提出收音機天線性能的評價指標及注意事項，為行業(yè)標準提供了測試依據。

1 開闊場測試場地要求

開闊場是指受試設備在露天測試現場（OATS）中進行測量，行業(yè)內一般采用室外開闊場方法測試汽車收音機天線[5]。在大眾標準TL82133中對開闊場場地均勻性和天線交叉極化有明確的技術要求，下文將簡述場地均勻性和交叉極化的驗證方法。

1.1 場地均勻性驗證方法

場地均勻性是指發(fā)射天線保持不動，接收天線分別置于靜區(qū)內的4個點，記錄接收信號幅度與中心點的變化情況，技術要求偏差在±1dB以內。

在進行場地均勻性測量時，如圖1所示，發(fā)射天線與轉臺中心距離100m，分別測量水平極化和垂直極化的信號接收幅值，采 集0°、90°、180°、270°分別位于中心點2m位置區(qū)域內的幅值數據，并與中心點幅值做對比，得到整個靜區(qū)的幅度均勻性測試結果。

圖1 測試區(qū)域采集點示意圖

測試布置示意如圖2所示，簡述測量步驟：①發(fā)射天線HL033，架設高度9m；②接收天線偶極子天線EMCO 3121D，振子長度747mm；③轉臺標記5個點，采集點方式：中心點，0°、90°、180°、270°分別位于中心點2m位置；④接收天線-偶極子天線在中心點需要轉臺旋轉0°~359°進行測試，并在測試數據中記錄最大值及頻點，該頻率點的0°測量值作為中心點幅值；⑤記錄接收天線置于0°、90°、180°、270°測量幅值，并與中心點幅值進行對比。

圖2 場地均勻性布置示意圖

這里給出安徽滁州開闊場場地均勻性測量結果，如表1所示。

表1 場地均勻性測量數據

1.2 天線交叉極化驗證方法

極化是指在最大輻射方向上電場矢量端點運動的軌跡，由于天線本身物理結構等原因，天線輻射遠場的電場矢量除了有所需要方向的運動軌跡外，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整好狀態(tài)[7]。為了保證整車收音機天線的遠場測量結果的正確性，必須對開闊場全頻段天線交叉極化進行測量，技術要求隔離度大于20dB。

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

圖3 天線交叉極化布置示意圖

圖4 天線交叉極化測量結果

2 整車收音機天線測量方法

由于整車收音機AM天線和FM天線測量方法不同，下文分別詳述測量方法。

2.1 整車AM天線測量方法

AM是調幅的簡稱，實現無線信號遠距離傳輸，測量頻段：500kHz~2MHz。整車AM天線測量方法是采用標準單極天線以固定頻點和固定強度對外輻射發(fā)射，參考天線接收信號幅值，再測量整車AM天線接收信號幅值。

2.1.1 參考天線接收信號幅值測量方法

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頻段參考天線測試布置示意圖

設定信號發(fā)生器信號發(fā)射強度，通過LMR600低損耗射頻線纜連接至單極發(fā)射天線STA-70SE/K，參考天線分別對頻點555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz進行接收信號幅值的測量。

2.1.2 整車AM天線接收信號幅值測量方法

將待測車輛置于轉臺中心，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天線測試布置示意如圖6所示。記錄固定頻點的接收幅值，并與參考天線接收幅值進行比對，單位為dBuV。

圖6 整車AM天線測試布置示意圖

2.2 整車收音機FM天線測量方法

FM是調頻的簡稱，泛指頻率調制方式無線信號的天線，測量頻段：76~120MHz。

整車FM天線測量方法是采用標準對數周期天線以固定頻點和固定強度對外輻射發(fā)射，標準偶極子天線接收信號幅值，再測量整車FM天線接收信號幅值并做對比，獲得相對增益值，單位為dBd。

2.2.1 標準天線接收信號幅值測量方法

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，置于轉臺中心位置。布置示意如圖7所示，以垂直極化為例，簡述測量步驟。

圖7 FM頻段參考天線測試布置示意圖

1）發(fā)射天線HL033，架設高度9m。

2）接收天線EMCO 3121D，振子長度747mm。

3）設置矢量網絡分析儀時域門。

4）每1MHz步進，轉臺旋轉0~359°分別對不同頻點以fi每1°步進進行測試，記錄信號接收幅值，并選擇最大接收幅值Max（RefFM/ΦV）。

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

2.2.2 整車FM天線接收信號幅值測量方法

將待測車輛置于轉臺中心，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（用于減少線纜與轉臺金屬面間的耦合）連接至轉臺轉接頭Kevlin1106SS，通過低損耗LMR600射頻線纜連接至網分b2端口。網分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天線測試布置示意圖

1）發(fā)射天線HL033，架設高度9m。

2）每1MHz步進，轉臺旋轉0~359°分別對不同頻點fi以每1°步進進行測試，記錄FM1信號接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

3）若待測車輛為雙FM放大器，重復步驟2），測量FM2信號接收幅值（MΦ（0°-359°）/FM2/V@fi，i=1，2，…N）。

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

3 評價指標及注意事項

整車級收音機天線的遠場測量評價指標主要為接收強度和天線增益。如下給出整車AM天線和FM天線評價指標及注意事項。

3.1 收音機AM天線評價指標及注意事項

由于整車AM天線系統(tǒng)的測試頻帶較窄[5]，在頻帶內選定固定5個測試頻點：555kHz、795kHz、1100kHz、1350kHz、1595kHz，按照技術要求測試頻點平均接收幅值為30dBuV±3dB，單個測試頻點信號接收幅值比擬于參考天線接收幅值，技術要求偏差在±3dB以內。當然技術要求的前提是統(tǒng)一化設定參數、修訂線纜損耗等。以Golf A8車型為例，整車AM天線測量結果見表2。

表2 Golf A8整車AM測量數據

簡述注意事項如下。

1）周期性（每月）驗證發(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)一化設定，例如發(fā)射強度、RBW、VBW、檢波方式等參數。

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射頻線纜不能與轉臺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）對比晴天、陰天、雨天天氣對測量結果影響，對比同一天早晨、中午、晚上不同時間段對測量結果影響，從而選擇出數據穩(wěn)定的測試環(huán)境。

3.2 收音機FM天線評價指標及注意事項

整車FM天線系統(tǒng)評價指標為帶內平均增益，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帶內平均增益

垂直極化方式下，計算方法如下。

1）測量并記錄標準偶極子天線接收信號幅值頻帶內最大值Max（RefFM/ΦV）。

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

3）計算FM1天線在頻點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；記錄帶內增益最小值Min（MΦ/FM1/V@fi，i=1，2，…N）。

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

水平極化方式下，重復步驟1）~4）。

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

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

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

表3 Golf A8整車單天線FM1測量數據

圖10 Golf A8整車單天線FM1增益曲線

3.2.2 整車雙天線FM1+FM2帶內平均增益

計算方法如下。

1）垂直極化方式下，重復單天線計算方法步驟1）~2）。

2）比較fi頻點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）計算FM1+FM2天線fi頻點下增益值：[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；記錄帶內增益最小值Min（MΦ/FM/V@fi，i=1，2，…N）。

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

水平極化方式下，重復步驟1）~5）。

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

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

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

表4 Golf A8整車雙天線FM1+FM2測量數據

圖11 Golf A8整車雙天線FM1+FM2增益曲線

注意事項如下。

1）時域門設置需要確定時域門上限和下限或者是時域門的中心及門寬，以便將場地的主要反射波拒之門外[8]。通過大量的試驗驗證，最佳時域門上限按照第一個反射波與直射波時延差的一半進行設定，下限設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的變化是否在時域門設定區(qū)間內。

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為整車雙天線時需要將另外一個測試天線接口供電并50Ω負載端接。

圖13 雙天線放大器連接方式

4）測試鯊魚鰭天線和桿天線時，若內含GPS、LTE和FM/AM天線，測試收音機天線時需要將GPS和LTE天線使用車輛線纜進行端接，確保正常工作。

5）周期性校驗測試系統(tǒng)，設備點檢和維修保養(yǎng)記錄，確保測試系統(tǒng)運行良好，試驗數據準確。

4 結語

本文在大量試驗驗證的基礎上，奉行理論聯系實際并服務于實踐的精神，以整車級收音機天線為主要研究對象，基于大眾汽車天線測量標準，提出開闊場場地均勻性和天線交叉極化的驗證方法及整車AM/FM天線遠場測量方法，詳述了性能評價指標和實驗中的注意事項，為后續(xù)國標開展工作提供測試依據。