汽車(chē)通信系統(tǒng)中的超寬帶MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真

劉冰冰，楊　兵，王　艷，李凌云

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0　引言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)快速地發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)中都裝備了很多信息和通信設(shè)備，這些設(shè)備能為汽車(chē)駕駛員提供先進(jìn)的信息服務(wù)[1]。為了滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，汽車(chē)制造商開(kāi)始把更多的注意力放在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信應(yīng)用系統(tǒng)中[2]。然而，高速行駛的汽車(chē)受到多徑衰落的影響[3]，會(huì)出現(xiàn)通信的質(zhì)量的下降。為了有效地減少多徑衰落和實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，超寬帶(UWB)無(wú)線(xiàn)通信和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)[4]已經(jīng)開(kāi)始被建議應(yīng)用于汽車(chē)通信系統(tǒng)中[5]。此外，在汽車(chē)車(chē)內(nèi)部署超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，能用無(wú)線(xiàn)的方式取代傳統(tǒng)電纜的方式來(lái)為車(chē)內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備提供通信服務(wù)，這樣可以顯著降低布線(xiàn)的成本[6]。

作為UWB無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中必不可少的一部分，PCB天線(xiàn)由于能很好地在PCB板上與其他射頻和微波電路集成在一起而成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與其他在自由空間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用相比，汽車(chē)通信系統(tǒng)需要考慮天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)其性能的影響。近年來(lái)對(duì)汽車(chē)通信系統(tǒng)中PCB天線(xiàn)的主要研究工作有：文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于汽車(chē)通信系統(tǒng)中的超寬帶PCB天線(xiàn)；文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一種集成藍(lán)牙具有雙陷波特性的超寬帶PCB天線(xiàn)，然而，其設(shè)計(jì)的MIMO天線(xiàn)并沒(méi)有研究天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)其性能的影響。

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上研究了實(shí)際安置環(huán)境對(duì)MIMO天線(xiàn)性能的影響，通過(guò)CST軟件仿真[9]，驗(yàn)證了該MIMO天線(xiàn)能夠很好地應(yīng)用于汽車(chē)通信系統(tǒng)。

1　汽車(chē)通信系統(tǒng)中MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本文采用文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)的MIMO天線(xiàn)作為汽車(chē)通信系統(tǒng)中超寬帶天線(xiàn)[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。此天線(xiàn)由一個(gè)地、4個(gè)樁型線(xiàn)和一個(gè)U型輻射體組成[11]。它的工作頻率為2.39～ 2.49 GHz和3.11～11.4 GH，這2個(gè)頻段分別對(duì)應(yīng)藍(lán)牙和超寬帶通信頻段，該天線(xiàn)對(duì)上行WLAN和下行WLAN頻段具有雙陷波特性。該天線(xiàn)印刷在介電常數(shù)為4.4、功率損耗因子為0.02的FR4板上，單個(gè)天線(xiàn)的尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm，MIMO天線(xiàn)的尺寸為60 mm×30 mm×1.6 mm。單個(gè)天線(xiàn)的具體尺寸如圖2所示，具體尺寸如表1所示[12]。

圖1　MIMO天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

表1天線(xiàn)尺寸參數(shù)表

參數(shù)值/mmL30Wf3L111．25L40．6Ln11．5s21．0Ws113．0Ws24．0Ls46．6參數(shù)值/mmW30Lf14．25L22．75Lr2．0Wn9．0LS118．9Ws120．5Ls36．75Ws41．0參數(shù)值/mmLg13s2L33．5Wr3．5s11．75LS128．9Ls210．3Ws31．5

圖2　單個(gè)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

2　模擬安置環(huán)境條件下MIMO天線(xiàn)的仿真

汽車(chē)通信系統(tǒng)中PCB天線(xiàn)的性能與安置環(huán)境有很大的關(guān)系[13]。通常天線(xiàn)安裝在車(chē)頂上或者跟汽車(chē)其他電子元器件集成在一起。根據(jù)實(shí)際情況，本文采用了文獻(xiàn)[8]中的安置仿真模型，并用CST仿真軟件對(duì)MIMO天線(xiàn)的性能進(jìn)行了仿真，仿真環(huán)境模型如圖3所示[14]。其中，圖3(a)描述了汽車(chē)通信系統(tǒng)中的MIMO天線(xiàn)安置環(huán)境中的情景一，即天線(xiàn)安裝在距離金屬板正上方10 mm處；圖3(b)描述了汽車(chē)通信系統(tǒng)中的MIMO天線(xiàn)安置環(huán)境的情景二，即天線(xiàn)安裝在距離金屬板側(cè)面25 mm處。本文的安置環(huán)境忽略了汽車(chē)上的非金屬材料對(duì)通信的影響，只考慮了汽車(chē)的金屬板對(duì)通信的影響[15]。

圖3　汽車(chē)通信系統(tǒng)中天線(xiàn)安置環(huán)境仿真模型

通過(guò)CST軟件對(duì)MIMO天線(xiàn)在汽車(chē)通信系統(tǒng)中天線(xiàn)的帶寬性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖4所示。參數(shù)S11、S22分別代表天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的匹配性能，參數(shù)S21、S12分別代表天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的隔離度。當(dāng)參數(shù)S11、S22<-10 dB時(shí)，代表天線(xiàn)的工作頻段；當(dāng)參數(shù)S11、S22>-10 dB時(shí)，代表著帶隙頻段。由圖4 (a)和(d)可得，天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)其匹配性能的影響如表2和表3所示。

由圖4(b)和(c)可得，在情景一、情景二和自由空間3種情景中，天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的隔離度>15 dB，能很好地符合MIMO系統(tǒng)對(duì)隔離度的要求。由以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽車(chē)通信系統(tǒng)中天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的匹配性能以及它們之間的隔離度影響都不大。這個(gè)結(jié)論表明該MIMO天線(xiàn)很好地用于汽車(chē)通信中。

圖4　汽車(chē)通信系統(tǒng)中天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)S參數(shù)的影響

表23種情景天線(xiàn)匹配性能S11比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．26～2．443．02～12．004．89～5．435．65～5．96情景二2．20～2．413．44～11．345．18～5．425．70～5．93自由空間2．30～2．493．09～11．375．07～5．435．67～5．95

表33種情景天線(xiàn)匹配性能S22比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．38～2．483．01～12．004．80～5．435．61～5．96情景二2．36～2．482．99～12．004．68～5．445．58～5．97自由空間2．38～2．483．02～12．004．80～5．435．62～5．95

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種MIMO天線(xiàn)，分析了它在汽車(chē)通信系統(tǒng)中的性能。通過(guò)CST軟件仿真得到：在模擬的車(chē)載環(huán)境中，天線(xiàn)安置環(huán)境對(duì)天線(xiàn)1和天線(xiàn)2的匹配性能以及天線(xiàn)1和天線(xiàn)2 間的隔離度影響都不大，這個(gè)結(jié)論驗(yàn)證了該MIMO天線(xiàn)很好地應(yīng)用于汽車(chē)通信系統(tǒng)中。

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