整車天線無(wú)源性能測(cè)試結(jié)果計(jì)算模型研究

摘 要：整車天線測(cè)試是為保障智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信性能而開展的基礎(chǔ)性測(cè)試。在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中，結(jié)果數(shù)據(jù)的處理和分析是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。天線種類復(fù)雜、測(cè)試頻點(diǎn)眾多、計(jì)算需求多樣等因素，增加了結(jié)果數(shù)據(jù)處理和分析的難度及復(fù)雜度。本文以目前最常見的球面近場(chǎng)測(cè)試為研究背景，以線性平均增益計(jì)算為研究目標(biāo)，提取了整車天線測(cè)試場(chǎng)景下的關(guān)鍵要素，歸納了數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)出線性平均增益計(jì)算模型的整體框架。針對(duì)不同測(cè)試場(chǎng)景，對(duì)結(jié)果計(jì)算模型的數(shù)據(jù)處理邏輯進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。該模型通過(guò)模塊化、流程化的設(shè)計(jì)，在滿足不同計(jì)算需求的同時(shí)能夠大大提高測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理的效率。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 整車天線測(cè)試 線性平均增益 數(shù)據(jù)處理

隨著人工智能、5G等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，智能化和網(wǎng)聯(lián)化浪潮正在助推各行各業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。在汽車行業(yè)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為當(dāng)下汽車產(chǎn)業(yè)聚焦的主要方向，汽車逐漸成為集成多種技術(shù)和功能的復(fù)合終端[1]。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心功能之一就是整車無(wú)線通信能力。在單車智能方面，蜂窩通信、高精定位等功能的實(shí)現(xiàn)都依托于整車的無(wú)線通信能力。而隨著車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，汽車需要與周圍車輛、行人等交通參與者進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)信息交互，這也對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、可靠性、時(shí)效性等提出了更加嚴(yán)苛的要求，無(wú)線通信能力對(duì)汽車的重要性更加突出[2]。因此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的通信能力發(fā)揮著基礎(chǔ)性關(guān)鍵作用，一旦通信中斷，就有可能會(huì)影響到駕乘的安全性[3]。

而在汽車無(wú)線通信中，天線發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的天線類型有蜂窩、GNSS、WiFi、藍(lán)牙等[4]。天線種類的增加也帶來(lái)了更多的功能。有學(xué)者針對(duì)車載天線性能進(jìn)行了研究，例如許緯杰等人[5]針對(duì)整車特征，從尺寸、頻段覆蓋、全向性等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種車載全向天線。王蒙軍等人[6]以車窗玻璃為載體，設(shè)計(jì)了一種能夠提高增益、便于集成的多頻透明天線，能夠應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信中。

對(duì)于整車無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，除了天線自身的基礎(chǔ)性能之外，其整體通信性能還容易受到天線安裝位置的影響[7]，且不同天線的分布也會(huì)對(duì)整體性能帶來(lái)一定程度的干擾[8]。為了驗(yàn)證整車無(wú)線通信的性能，需要將整車作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)車載天線的無(wú)源性能進(jìn)行測(cè)試。

線性平均增益是衡量整車天線在不同方向整體性能的重要指標(biāo)，其計(jì)算需要在不同角度采樣點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行，當(dāng)測(cè)試任務(wù)復(fù)雜時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算成本。因此，為提高結(jié)果計(jì)算的效率及靈活性，本文梳理和歸納了線性平均增益計(jì)算的主要影響因素，構(gòu)建了測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算模型框架，并對(duì)模型的數(shù)據(jù)處理邏輯進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 測(cè)試系統(tǒng)概述

1.1 測(cè)試方法概述

在整車天線無(wú)源性能測(cè)試領(lǐng)域，球面近場(chǎng)的測(cè)試方法是0cbfc6ad9873dd43b73664d1f78a6515b25493d4512b5053e2b8861c00ca7b8d業(yè)界使用最普遍的測(cè)試方法[9-10]。該方法通過(guò)間隔角度采樣的方式，對(duì)整車上半球面的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，然后通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換算法將近場(chǎng)數(shù)值轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果。

在測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)繞測(cè)試中心進(jìn)行水平方向的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成方位角，測(cè)試天線繞測(cè)試中心進(jìn)行垂直方向的圓弧移動(dòng)，為俯仰角。測(cè)試系統(tǒng)會(huì)對(duì)全部角度進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的測(cè)量和記錄，從而完成待測(cè)車輛的上半球面的天線增益的測(cè)試。

1.2 測(cè)試任務(wù)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中，被測(cè)車輛上通常存在多種類型的天線。對(duì)于某些類型的天線，整車上可能安裝多個(gè)以便保證不同區(qū)域的性能。而每個(gè)天線通常又會(huì)包含多個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)由俯仰角和方位角構(gòu)成測(cè)試結(jié)果表。

測(cè)試完成以后，軟件系統(tǒng)能夠?qū)μ炀€的遠(yuǎn)場(chǎng)增益結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出。線性平均增益的計(jì)算需要在結(jié)果表的基礎(chǔ)上進(jìn)行，當(dāng)天線類型越復(fù)雜、天線及測(cè)試頻點(diǎn)數(shù)量越多時(shí)，數(shù)據(jù)處理和分析需要考慮的因素就越多、重復(fù)性工作也就越多。

2 結(jié)果計(jì)算模型框架設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試場(chǎng)景與需求分析

從整車天線測(cè)試的實(shí)際場(chǎng)景出發(fā)，線性平均增益計(jì)算的需求受到多種因素的影響。首先考慮天線維度：

（1）每個(gè)天線分別處理和分析，即每根天線都會(huì)有各自的結(jié)果；

（2）多個(gè)同類型天線，需要將這些天線當(dāng)做一個(gè)整體，將不同天線下相同頻點(diǎn)的增益結(jié)果取最大值，得到一個(gè)綜合結(jié)果。

之后考慮頻點(diǎn)維度：

（1）每個(gè)頻點(diǎn)單獨(dú)看待，分別計(jì)算每個(gè)頻點(diǎn)的結(jié)果；

（2）多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行整體看待，結(jié)果的計(jì)算不再對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行劃分，而是將這些頻點(diǎn)結(jié)果表中的增益值取均值。

之后考慮測(cè)試的角度：

（1）只考慮俯仰角；

（2）考慮俯仰角和方位角組合的角度范圍。

2.2 結(jié)果計(jì)算模型整體框架

針對(duì)以上測(cè)試場(chǎng)景，考慮數(shù)據(jù)導(dǎo)入、計(jì)算、導(dǎo)出等數(shù)據(jù)流程，能夠提取出線性平均增益結(jié)果計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括以下九個(gè)部分：

P1：數(shù)據(jù)讀??；P2：頻點(diǎn)遍歷；P3：俯仰角索引；P4：方位角索引；P5：結(jié)果計(jì)算與匯總；P6：結(jié)果導(dǎo)出；P7：天線遍歷；P8：增益取最大；P9：增益取平均。

以1和2分別表示天線、頻點(diǎn)、角度的場(chǎng)景。將其與以上九個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)出模型的整體框架如圖1所示。

其中，P1-P2-P3-P5-P6對(duì)應(yīng)著每個(gè)天線分別處理和分析、每個(gè)頻點(diǎn)都會(huì)被單獨(dú)看待、只考慮俯仰角即1-1-1的測(cè)試場(chǎng)景，這也是結(jié)果計(jì)算模型最基本的組成部分，其他情形均由此延伸而來(lái)。

3 結(jié)果計(jì)算模型詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

將某個(gè)具體頻點(diǎn)的增益結(jié)果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，其他計(jì)算步驟建立在該基準(zhǔn)之上?；鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)表由所有俯仰角和方位角組合的增益數(shù)據(jù)組成。俯仰角集合可以表示為T={1，2，...，i，...，m}，方位角集合可以表示為T={φ1，φ2，...，φj，...，φn}。為了保證數(shù)據(jù)處理步驟的可復(fù)用性，應(yīng)將每個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣式進(jìn)行統(tǒng)一，即可以把俯仰角作為行，把方位角作為列，構(gòu)成基本二維表樣式。

3.2 每個(gè)天線分別處理

3.2.1 只考慮俯仰角

對(duì)于圖1中的1-1-1場(chǎng)景，P3結(jié)果計(jì)算與匯總是核心步驟。對(duì)于線性平均增益計(jì)算來(lái)說(shuō)，此時(shí)只考慮某個(gè)俯仰角i，計(jì)算其水平面內(nèi)全部方位角的線性平均增益，計(jì)算公式如下。

其中，j表示第幾個(gè)方位角，n表示方位角總個(gè)數(shù)，φj表示方位角序號(hào)為j時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際方位角，g（φj）為方位角為φj時(shí)天線的增益值（線性表示），G（i）為俯仰角i時(shí)，該水平面的線性平均增益值（對(duì)數(shù)表示）。

通常測(cè)試后基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中的值以對(duì)數(shù)形式表示，因此需要先將這些增益值轉(zhuǎn)換成線性表示，公式如下：

上式中，為對(duì)數(shù)表示的增益值，G為線性表示的增益值。

在實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景中，頻點(diǎn)集合可以表示為F={1，2，...，p， ...，k，}，共k個(gè)頻點(diǎn)。所需俯仰角度集合可以表示為TF={1， ...，r，}，共r個(gè)角度。以頻點(diǎn)p為例，除了數(shù)據(jù)讀取和結(jié)果導(dǎo)出之外，其余環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理流程圖如2所示。

對(duì)于頻點(diǎn)p來(lái)說(shuō)，首先提取其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，首先通過(guò)公式（2）進(jìn)對(duì)數(shù)-線性化的轉(zhuǎn)換。之后依據(jù)TF，對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行逐行索引。并通過(guò)公式（1）計(jì)算線性平均增益結(jié)果，匯總后得到全部結(jié)果集合G（p，TF）。以此類推，遍歷該天線的全部頻點(diǎn)，得到增益結(jié)果集合。通過(guò)行或列的方式統(tǒng)一拼接，得到頻點(diǎn)集合F的線性平均增益結(jié)果G（F，TF）。

當(dāng)需要同時(shí)考慮多個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，需要將各個(gè)頻點(diǎn)的結(jié)果取均值處理。具體地，將所需頻點(diǎn)集合表示為Fx={p1，...，px}，共x個(gè)頻點(diǎn)。首先遍歷各頻點(diǎn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為線性值。之后計(jì)算均值，即：

其中，g（p，，φj）表示每個(gè)角度組合下的增益值，遍歷全部角度組合，得到頻點(diǎn)集合Fx最終的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表。然后基于該數(shù)據(jù)表，計(jì)算每個(gè)俯仰角下的線性平均增益值。

3.2.2 考慮俯仰角和方位角范圍

當(dāng)需要計(jì)算某角度范圍內(nèi)的線性平均增益結(jié)果時(shí)，所需俯仰角度集合可以表示為TF={1，...，r，}，共r個(gè)俯仰角度，所需方位角度集合可以表示為PF={φj1，...，φjs}，共s個(gè)方位角度。針對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)，角度范圍內(nèi)的線性平均增益計(jì)算公式為：

其中，i表示第幾個(gè)俯仰角，j表示第幾個(gè)方位角，g（i，φj）為俯仰角和方位角分別為i和φj時(shí)的天線增益值（線性表示）。將每個(gè)頻點(diǎn)的結(jié)果拼接起來(lái)，得到該天線所有頻點(diǎn)集合F的線性平均增益結(jié)果G（F，TF，PF）。

3.3 多天線綜合分析

當(dāng)需要同類型的多個(gè)天線綜合分析時(shí)，需要先將多根天線的結(jié)果取最大值。將待處理的同類型天線集合表示為A={a1，...，au}，共u個(gè)天線。對(duì)于每個(gè)天線來(lái)說(shuō)，分別遍歷頻點(diǎn)，取各個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表在不同角度組合下的最大值max，遍歷全部角度后完成頻點(diǎn)p基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表的最大值處理。遍歷全部頻點(diǎn)后，完成天線集合A的取最大值處理。（圖3）

上述數(shù)據(jù)處理步驟將所有天線的數(shù)據(jù)匯總成新的數(shù)據(jù)表，基本結(jié)構(gòu)與單天線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致，因此可以當(dāng)做單天線進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以整車天線無(wú)源性能測(cè)試為研究背景，以測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，針對(duì)測(cè)試后幾種最常見的線性平均增益計(jì)算需求，設(shè)計(jì)了結(jié)果計(jì)算的模型。首先，從整體測(cè)試任務(wù)出發(fā)，通過(guò)測(cè)試天線、測(cè)試角度、測(cè)試頻點(diǎn)三個(gè)維度，分析了不同測(cè)試場(chǎng)景下的測(cè)試參數(shù)及計(jì)算需求，進(jìn)行了模型的整體框架設(shè)計(jì)。之后針對(duì)不同的需求，以某個(gè)頻點(diǎn)的結(jié)果數(shù)據(jù)表作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計(jì)。本文將線性平均增益計(jì)算場(chǎng)景下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行提取，能夠提高實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景下數(shù)據(jù)處理和結(jié)果計(jì)算的效率，便于后續(xù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

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