一種集成式車載天線設(shè)計

曾炳豪，朱浩奎，尹紹立，江文雄

(深圳市維力谷無線技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518000)

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一種集成式車載天線設(shè)計

曾炳豪，朱浩奎，尹紹立，江文雄

(深圳市維力谷無線技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518000)

提出一款應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的GNSS/4G/WiFi集成式天線設(shè)計。衛(wèi)星導(dǎo)航天線采用陶瓷基板、尺寸大小為25 mm×25 mm×4 mm、單饋入點結(jié)構(gòu)設(shè)計，配合低噪聲放大器，可工作于GPS/BDS導(dǎo)航系統(tǒng) (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)。 4G天線為共平面微帶天線，在介電常數(shù)為4.4、板材厚度為1.0 mm的FR4基板上進行設(shè)計，使用微帶線饋電方式，天線結(jié)構(gòu)是由不同長度的微帶線分支所組成。集成式天線的整體外觀尺寸為76 mm×65 mm×13 mm，具有低剖面、體積小的特點，適合安裝于任何一種需求衛(wèi)星導(dǎo)航、4G通信與WiFi上網(wǎng)功能的車輛上。

車載通信; 集成式天線；微帶天線；共平面天線

0 引言

伴隨電子通信技術(shù)的進步與移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展， 汽車天線也不再局限于收聽廣播，所需的天線也不是只有一根桿的(AM/FM)天線可以滿足的[1]。近幾年來，全球的車輛越來越多要求安裝帶有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)、4G通信系統(tǒng)與WiFi上網(wǎng)等多種功能[2-4]，所需的天線外觀也由筆直的結(jié)構(gòu)不斷地進化出各種不同的結(jié)構(gòu)外形[5]。在文獻數(shù)據(jù)里，常見的為GPS/WiFi集成式天線[6]，而具備這3種功能的車載集成式天線卻是較少被提出討論的。為了提高有限空間的資源利用率，減少天線對整臺車體美觀的影響，天線的數(shù)量和體積必須盡可能減少。作者在衛(wèi)星導(dǎo)航天線的設(shè)計中，采用高介電常數(shù)的陶瓷基板[6-8]、單饋入點結(jié)構(gòu)設(shè)計，配合低噪聲放大器， 可工作于GPS/BDS導(dǎo)航系統(tǒng) (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)[9]。使用微帶線與玻璃纖維板(FR4) 來進行4G天線與WiFi天線的設(shè)計， 4G天線頻段需要滿足LTE2300/2500的工作頻段，同時還要覆蓋到GSM850/900/1800/1900和UMTS2100等2G(GSM)、3G(UMTS、CDMA)頻段[10-12]；WiFi天線工作頻段為2 400～2 484 MHz[13-14]。提出的集成式天線可完全符合車載天線衛(wèi)星導(dǎo)航、移動通信與WiFi上網(wǎng)的需求。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)

提出一款應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的GNSS/4G/WiFi集成式天線，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用面積為57 mm×57 mm、厚度為1.0 mm、介電常數(shù)為4.4(損耗角正切為0.02)的FR4介質(zhì)材料作基板。集成式天線是由3支天線組合而成，可從圖1很清楚看出其天線分布位置，衛(wèi)星導(dǎo)航有源天線被設(shè)計于約為置中的位置，4G天線設(shè)計面積范圍包含上、下方與右側(cè)，WiFi天線則被設(shè)計于左方位置。天線的饋電方式皆使用長度為15 cm、匹配阻抗為50 Ω同軸饋線(RG174)來激發(fā)天線。采用車載規(guī)范的連接器，在衛(wèi)星導(dǎo)航天線(GNSS)與4G天線使用50 Ω的Fakra連接器，WiFi天線則采用50 Ω的SMA連接器。集成式天線的整體外觀尺寸為76 mm×65 mm×13 mm。

圖1 集成式天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 天線設(shè)計

GNSS天線是由微帶天線與低噪聲放大器(LNA)集成在一起。微帶天線是使用尺寸大小為25 mm×25 mm×4 mm，介電常數(shù)為20的陶瓷基板來進行設(shè)計，采用單饋入點結(jié)構(gòu)方式饋電。微帶天線的上層金屬貼片通過Pin針連接低噪聲放大器的輸入端，陶瓷基板下層金屬貼片與低噪聲放大器金屬接地面連接。提出的共平面結(jié)構(gòu)的4G與WiFi天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)尺寸圖

采用厚度為1.0 mm、介電常數(shù)為4.4 的FR4介質(zhì)材料作基板。4G天線被設(shè)計于包含上、下方與右側(cè)。天線的饋入方式是使用50 Ω同軸饋線來激發(fā)天線，在圖2中有標示，點A為饋電點，點B為接地點。為滿足LTE2300/2500的工作頻段，同時還要覆蓋到GSM850/900/1800/1900和UMTS2100等頻段，需要采用微帶線支節(jié)分支方式設(shè)計多個諧振頻段。因此，天線采用一個挖空三角形微帶線結(jié)構(gòu)作為輻射主體， 并在其頂部添加一個分支來產(chǎn)生多頻諧振。WiFi天線也是使用共平面結(jié)構(gòu)，被設(shè)計于左方位置，點C為饋電點，點D為接地點，帶寬滿足2 400～2 484 MHz工作頻段。GNSS/4G/WiFi集成式天線尺寸參數(shù)已清楚標示于圖2。

2 天線量測結(jié)果

使用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5071C)分別對衛(wèi)星導(dǎo)航天線(GNSS)、4G與WiFi集成式天線進行量測。圖3為GNSS天線在向量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的實測結(jié)果，量測結(jié)果顯示在S11小于-10 dB時，帶寬范圍為1 550～1 593 MHz，可以實現(xiàn)GPS/BDS導(dǎo)航系統(tǒng)(L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz)的工作頻率，衛(wèi)星導(dǎo)航天線參數(shù)特性整理如表1所示。

圖3 天線S11與Smith Chart 實測圖 (L1/B1頻段)

微帶天線(25mm×25mm×4mm)帶寬1550～1593MHz@-10dB軸比1557～1578MHz@3．0dB極化右手圓極化(RHCP)天線增益3．6dB(max)低噪聲放大器(LNA)頻率L1B1輸入輸出駐波≤2(50Ω)≤2(50Ω)噪聲系數(shù)≤2．0dB≤2．0dB增益30．3dB29．3dB輸出壓縮點≥-20dBm≥-20dBm電源電壓3～5V3～5V

圖4為4G天線在向量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的實測結(jié)果，量測結(jié)果顯示在S11小于-6 dB時，產(chǎn)生的兩個頻段分別為725～1 030 MHz和1 475～2 720 MHz，實現(xiàn)的工作頻段可以覆蓋低頻段的GSM850/900和高頻段的DCS1800和PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500。圖5為WiFi天線在向量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測試結(jié)果，量測結(jié)果顯示在S11小于-10 dB時，可以滿足2 400～2 484 MHz工作頻段。對于天線輻射特性的分析，在無反射室內(nèi)使用SATIMO天線量測設(shè)備進行天線輻射方向圖的量測，如圖6所示。

圖4 天線S11實測圖(4G頻段)

圖5 天線S11實測圖(WiFi 2 400 MHz頻段)

圖6 SATIMO天線量測設(shè)備

對于輻射方向圖的分析，圖7所呈現(xiàn)的是衛(wèi)星導(dǎo)航天線分別在GPS/BDS(L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz )的X-Z平面與Y-Z平面的方向圖。在圓極化特性部分[15-16]， 軸比(Axial Ration, AR) 的量測結(jié)果顯示：當AR值小于3 dB時， 所獲得帶寬范圍為1 557～1 578 MHz，如圖8所示?？捎蓤D7得知：L1(1 575 MHz)的AR值為2.4 dB，B1(1 561 MHz)的AR值為2.0 dB。圖9所呈現(xiàn)的是諧振頻率分別為860、1 900、2 300和2 600 MHz的X-Y剖面與X-Z剖面的輻射方向圖。圖10所呈現(xiàn)的是諧振頻率為2 450 MHz的X-Y剖面與X-Z剖面的輻射方向圖。實測結(jié)果顯示GNSS/4G/WiFi集成式天線所對應(yīng)的諧振頻率皆表現(xiàn)出良好的輻射特性。4G天線增益與輻射效率實際量測部分如圖11所示：低頻段GSM850/900的天線增益最大振幅為1.61 dBi，輻射效率最大可達到60.1%；高頻段DCS1800和PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500的增益最大振幅為4.62 dBi，輻射效率最大可達到71.1%；WiFi天線在2 450 MHz時的增益為2.8 dBi， 輻射效率為66.9%。

圖7 天線實測場型圖(4G)(L1/B1頻段)

圖8 天線的軸比(L1/B1頻段)

圖9 天線實測場型圖(4G)(諧振頻率分別為 860、1 900、2 300、2 600 MHz)

圖10 天線實測場型圖(WiFi)

圖11 天線增益與效率實測圖(4G)

3 天線安裝位置

應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的GNSS/4G/WiFi集成式天線產(chǎn)品，在外觀結(jié)構(gòu)上分別在兩側(cè)設(shè)計U形安裝孔，如圖12所示。此

天線產(chǎn)品建議安裝位置如圖13所示，分別可安裝放置在駕駛座左側(cè)A柱下方的儀表臺上(圖中符號A處)、中間儀表臺內(nèi)置或外置安裝(圖中符號B處)以及右側(cè)A柱下方的儀表臺上(圖中符號C處)與車內(nèi)后視鏡等位置。

圖12 車載GNSS/4G/WiFi集成式天線產(chǎn)品圖

圖13 天線產(chǎn)品建議安裝位置示意圖

4 結(jié)論

集成式車載天線產(chǎn)品， 整體外觀尺寸為76 mm×65 mm×13 mm，具有低剖面、體積小的特點，易于組裝制作，采用FR4介質(zhì)基板，可降低大量生產(chǎn)時所需的成本。適合安裝于任何一種需求衛(wèi)星導(dǎo)航、4G通信與WiFi上網(wǎng)功能的車輛上。

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Design of an Integrated Vehicular Antenna

ZENG Binghao, ZHU Haokui, YIN Shaoli, JIANG Wenxiong

(Shenzhen VLG Wireless Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China)

The design of a GNSS/4G/WiFi integrated antenna for vehicular communication system was proposed. For GNSS antenna, ceramic substrate was used, size was 25 mm×25 mm×4 mm, single feed point the structure design was adopted, with low noise amplifier, it was worked in GPS/BDS navigation system (L1:1 575 MHz/B1:1 561 MHz). 4G antenna was a coplanar microstrip antenna, which was designed on the FR4 substrate with a dielectric constant of 4.4 and a plate with a thickness of 1 mm, and the antenna structure was composed of microstrip lines with different lengths. The overall appearance size of the integrated antenna was 76 mm×65 mm×13 mm, with characteristics of low profile, small size.It is suitable for mounted on a vehicle for any kind of demand of satellite navigation, 4G communication and WiFi function.

Vehicular communication; Integrated antenna; Microstrip antenna; Coplanar antenna

2016-08-23

曾炳豪 (1981—)，男，博士，主要從事無線電通信領(lǐng)域和天線設(shè)計的研究。E-mail:aben911@sina.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.001

U461.99

A

1674-1986(2016)11-003-05