多頻段車載天線電性能參數(shù)的研究

1車輛天線的開發(fā)過程和多段集成天線的設(shè)計(jì)要求1.1基于am/fm的車載天線自1921年使用第一個美國間諜車輛表的車輛通信天線以來，它已經(jīng)擴(kuò)展了近100年。在過去的100年里，無線通信的功能和范圍不斷擴(kuò)展。汽車與通訊是21世紀(jì)全球發(fā)展最快、效益最顯著的兩大支柱產(chǎn)業(yè)。近年來,新型汽車中都已裝配了多功能多頻段的無線通信系統(tǒng),包括調(diào)頻調(diào)幅收音機(jī)(AM/FM),衛(wèi)星數(shù)字音頻廣播,全球定位系統(tǒng)(GPS/GLONASS/GALILEO/北斗),車載電話(2G/3G/LTE),數(shù)字音頻廣播(DAB),無鑰匙進(jìn)入,遠(yuǎn)程啟動,胎壓檢測,自動收費(fèi),無人駕駛,電視接收,藍(lán)牙,WIFI,車對車通訊,車對地通信等等。由于多頻段通訊在汽車中應(yīng)用,就出現(xiàn)了多頻段小型化車載天線的設(shè)計(jì)需求。我的設(shè)計(jì)內(nèi)容是針對中國市場應(yīng)用的AM,FM和車載電話(2G/3G)集成天線。車載調(diào)頻收音機(jī)(FM)的工作頻率為87.5-108MHz(中國),調(diào)幅收音機(jī)(AM)的工作頻率是530-1700KHz(中國)。車載電話的工作頻率是824-960MHz,1710-2170MHz。傳統(tǒng)AM/FM/車載電話天線主要采用兩種方式,桿式天線和玻璃印刷天線。車載電話的功能是,收發(fā)信機(jī)通過和汽車總線以及GPS定位系統(tǒng)的連接,可以對車輛進(jìn)行全程跟蹤,遠(yuǎn)程控制(打開關(guān)閉引擎,遠(yuǎn)程檢測),緊急救援(車輛發(fā)生事故時(shí),自動緊急呼叫急救中心)等。車載電話功能目前在中國處于起步階段。1.2車載天線的主要電性能參數(shù)要研究天線的性能,首先要了解天線的電性能參數(shù)。以下為關(guān)于車載天線電性能參數(shù)的介紹。1.2.1天線信號的功率密度增益是指在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度,用G表示。1.2.2直流電織構(gòu)在地面的極化天線的極化是指在最大輻射方向上電場矢量隨時(shí)間的變化方向。當(dāng)電場強(qiáng)度變化方向垂直于地面時(shí),此電波稱垂直極化波;當(dāng)電場強(qiáng)度變化方向平行于地面時(shí),此電波稱水平極化波。根據(jù)電場矢量的端點(diǎn)軌跡形狀,電磁波的極化分為三種:線極化,圓極化和橢圓極化。車載AM/FM/電話天線的主極化為垂直極化。1.2.3功率密度差異的天線的最大功率密度方向性系數(shù)描述了天線方向性的強(qiáng)弱,定義天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向上某點(diǎn)的功率密度與輻射功率相同的無方向性天線在同一點(diǎn)的功率密度之比,為天線的方向性系數(shù)D。積分區(qū)域?yàn)閺?度到360度,θ從0到180度。1.2.4行駐波的合成在不匹配的情況下,饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin,形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù),也叫電壓駐波比,記為VSWR。1.2.5工作頻帶寬度天線帶寬是指滿足天線所有電性能指標(biāo)的工作頻帶寬度,用BW表示。BW=?100%,Fh是指上限頻率,Fl是指下限頻率,Fc是指中心頻率。1.3傳統(tǒng)pm-m-m工廠的設(shè)計(jì)方案和問題1.3.1下推桿式天線傳統(tǒng)的車載AM/FM/電話天線的實(shí)現(xiàn)方式是桿式天線,已經(jīng)被使用了有50多年,桿式天線通常被安裝在車頂。缺點(diǎn)是在汽車高速行駛的時(shí)候,由于桿式天線比較長,為了外觀的考慮直徑不能做的很粗,方向圖容易受到風(fēng)噪的影響,造成天線的360度方向圖非常的不規(guī)則,在某些方向有明顯的凹陷。在洗車等應(yīng)用環(huán)境下容易斷裂。圖2為傳統(tǒng)桿式天線的外部結(jié)構(gòu)。圖3為傳統(tǒng)桿式天線的FM頻段有源增益。1.3.2dm天線的升級改造近年來,AM/FM玻璃印刷天線開始流行起來,安裝位置可以是汽車的前擋風(fēng)玻璃,后側(cè)窗玻璃,后擋風(fēng)玻璃。有無源的,也有有源的(天線后端連接低噪聲放大器)。前擋風(fēng)玻璃天線的缺點(diǎn)是容易受到其他電子裝置的干擾,在汽車的前部安裝了很多電子裝置,比如引擎,空調(diào),雨刮,噴水裝置等,這些電子裝置的輻射騷擾會造成前擋風(fēng)玻璃天線在汽車動態(tài)運(yùn)行中,增益,底噪等性能受到嚴(yán)重干擾。后擋風(fēng)玻璃天線,通常是印刷在后擋風(fēng)玻璃除霧加熱絲的上方,除霧加熱絲通電后會干擾上方的AM/FM天線,所以需要在除霧加熱絲的正極和負(fù)極加入AM和FM陷波器,這樣就會增加整個系統(tǒng)的成本。玻璃印刷天線有一個共同的缺點(diǎn),就是天線增益具有很強(qiáng)的方向性,因?yàn)椴Ａ炀€在某些角度會被車身金屬結(jié)構(gòu)遮擋,比如立柱。在FM波段,單個前擋風(fēng)玻璃或者后擋風(fēng)玻璃天線的γ值會超過25dB,單個后側(cè)玻璃天線的r值會超過15dB.解決玻璃天線方向性問題的方法是采用空間分集技術(shù),用2個或2個以上天線來補(bǔ)償單個天線增益凹陷的角度,來對抗多徑衰落。比如,可以在汽車的2個后側(cè)玻璃上各印刷一個天線,或者在汽車后擋風(fēng)玻璃的左上角和右上角各印刷一個天線,分集設(shè)計(jì)要求2個或2個以上天線之間有很好的隔離度,減少關(guān)聯(lián)性,當(dāng)2個天線之間的距離大于1/2波長時(shí),關(guān)聯(lián)性降到接近于0,可以達(dá)到最佳的對抗多徑衰落的效果。使用空間分集技術(shù)的劣勢是整個系統(tǒng)的成本會上升。傳統(tǒng)的AM/FM玻璃天線方案如圖4。傳統(tǒng)的車載電話天線如圖5。兩個天線是分開的。圖6為后車玻璃天線的FM頻帶內(nèi)有源增益平均值。2am/fm天線的平均有增效這個新型天線的設(shè)計(jì)通過以下方法實(shí)現(xiàn)小型化,AM/FM頻段天線的物理尺寸遠(yuǎn)小于波長所以需要加入低噪聲放大器,電話頻段天線物理尺寸接近1/6波長所以不需要放大器。2.1.1采用多個諧振枝,產(chǎn)生多個電流路徑用于不同的頻段,將AM/FM/電話頻段集成在一個天線內(nèi)。圖7為AM/FM/車載電話天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖7為AM/FM/車載電話集成天線在FM整個頻帶內(nèi)的平均有源增益。圖9為AM/FM/車載電話集成天線在GSM整個頻帶內(nèi)的平均有源增益。2.1.2利用頂部金屬片加載,降低諧振頻率2.1.3提高天線的輻射電阻,降低天線的損耗電阻采用高電導(dǎo)率的金屬材料作為天線的輻射體,采用低損耗的介質(zhì)材料作為天線的載體,來降低天線的損耗電阻,同時(shí)滿足帶寬要求。2.1.4在AM/FM頻段采用低噪聲放大器,提高整體天線增益和SNR(信噪比)GΣ≈Ga?Gamp,GΣ是天線系統(tǒng)整體增益,Ga是天線增益,Gamp是低噪聲放大器增益。電小天線的極限增益為由于新型集成天線的物理尺寸遠(yuǎn)小于波長,所以天線的無源增益比較小,需要加入低噪聲放大器來提高天線整體增益。信噪比SNR是整個接收機(jī)系統(tǒng)最重要的性能參數(shù),低噪聲放大器的輸入端,要使用史密斯圓圖工具進(jìn)行最佳噪聲匹配和增益匹配。低噪聲放大器有2種匹配技術(shù),一種是增益最大,一種是噪聲最低。2.1.5利用功分器將天線收到的信號分為兩路,一路輸出到AM/FM低噪聲發(fā)大器輸入端,另外一路連接車載電話收發(fā)信機(jī)。這樣可以將傳統(tǒng)AM/FM天線和車載電話天線,兩個天線合為一個天線,減小天線的物理尺寸。使用L,C分離元件設(shè)計(jì)的AM/FM/電話頻段分路器,可以達(dá)