多频段车载天线电性能参数的研究

多频段车载天线电性能参数的研究

1车辆天线的开发过程和多段集成天线的设计要求1.1基于am/fm的车载天线自1921年使用第一个美国间谍车辆表的车辆通信天线以来，它已经扩展了近100年。在过去的100年里，无线通信的功能和范围不断扩展。汽车与通讯是21世纪全球发展最快、效益最显著的两大支柱产业。近年来,新型汽车中都已装配了多功能多频段的无线通信系统,包括调频调幅收音机(AM/FM),卫星数字音频广播,全球定位系统(GPS/GLONASS/GALILEO/北斗),车载电话(2G/3G/LTE),数字音频广播(DAB),无钥匙进入,远程启动,胎压检测,自动收费,无人驾驶,电视接收,蓝牙,WIFI,车对车通讯,车对地通信等等。由于多频段通讯在汽车中应用,就出现了多频段小型化车载天线的设计需求。我的设计内容是针对中国市场应用的AM,FM和车载电话(2G/3G)集成天线。车载调频收音机(FM)的工作频率为87.5-108MHz(中国),调幅收音机(AM)的工作频率是530-1700KHz(中国)。车载电话的工作频率是824-960MHz,1710-2170MHz。传统AM/FM/车载电话天线主要采用两种方式,杆式天线和玻璃印刷天线。车载电话的功能是,收发信机通过和汽车总线以及GPS定位系统的连接,可以对车辆进行全程跟踪,远程控制(打开关闭引擎,远程检测),紧急救援(车辆发生事故时,自动紧急呼叫急救中心)等。车载电话功能目前在中国处于起步阶段。1.2车载天线的主要电性能参数要研究天线的性能,首先要了解天线的电性能参数。以下为关于车载天线电性能参数的介绍。1.2.1天线信号的功率密度增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度,用G表示。1.2.2直流电织构在地面的极化天线的极化是指在最大辐射方向上电场矢量随时间的变化方向。当电场强度变化方向垂直于地面时,此电波称垂直极化波;当电场强度变化方向平行于地面时,此电波称水平极化波。根据电场矢量的端点轨迹形状,电磁波的极化分为三种:线极化,圆极化和椭圆极化。车载AM/FM/电话天线的主极化为垂直极化。1.2.3功率密度差异的天线的最大功率密度方向性系数描述了天线方向性的强弱,定义天线的远区辐射方向上某点的功率密度与辐射功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比,为天线的方向性系数D。积分区域为从0度到360度,θ从0到180度。1.2.4行驻波的合成在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为最大电压振幅Vmax,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比,记为VSWR。1.2.5工作频带宽度天线带宽是指满足天线所有电性能指标的工作频带宽度,用BW表示。BW=•100%,Fh是指上限频率,Fl是指下限频率,Fc是指中心频率。1.3传统pm-m-m工厂的设计方案和问题1.3.1下推杆式天线传统的车载AM/FM/电话天线的实现方式是杆式天线,已经被使用了有50多年,杆式天线通常被安装在车顶。缺点是在汽车高速行驶的时候,由于杆式天线比较长,为了外观的考虑直径不能做的很粗,方向图容易受到风噪的影响,造成天线的360度方向图非常的不规则,在某些方向有明显的凹陷。在洗车等应用环境下容易断裂。图2为传统杆式天线的外部结构。图3为传统杆式天线的FM频段有源增益。1.3.2dm天线的升级改造近年来,AM/FM玻璃印刷天线开始流行起来,安装位置可以是汽车的前挡风玻璃,后侧窗玻璃,后挡风玻璃。有无源的,也有有源的(天线后端连接低噪声放大器)。前挡风玻璃天线的缺点是容易受到其他电子装置的干扰,在汽车的前部安装了很多电子装置,比如引擎,空调,雨刮,喷水装置等,这些电子装置的辐射骚扰会造成前挡风玻璃天线在汽车动态运行中,增益,底噪等性能受到严重干扰。后挡风玻璃天线,通常是印刷在后挡风玻璃除雾加热丝的上方,除雾加热丝通电后会干扰上方的AM/FM天线,所以需要在除雾加热丝的正极和负极加入AM和FM陷波器,这样就会增加整个系统的成本。玻璃印刷天线有一个共同的缺点,就是天线增益具有很强的方向性,因为玻璃天线在某些角度会被车身金属结构遮挡,比如立柱。在FM波段,单个前挡风玻璃或者后挡风玻璃天线的γ值会超过25dB,单个后侧玻璃天线的r值会超过15dB.解决玻璃天线方向性问题的方法是采用空间分集技术,用2个或2个以上天线来补偿单个天线增益凹陷的角度,来对抗多径衰落。比如,可以在汽车的2个后侧玻璃上各印刷一个天线,或者在汽车后挡风玻璃的左上角和右上角各印刷一个天线,分集设计要求2个或2个以上天线之间有很好的隔离度,减少关联性,当2个天线之间的距离大于1/2波长时,关联性降到接近于0,可以达到最佳的对抗多径衰落的效果。使用空间分集技术的劣势是整个系统的成本会上升。传统的AM/FM玻璃天线方案如图4。传统的车载电话天线如图5。两个天线是分开的。图6为后车玻璃天线的FM频带内有源增益平均值。2am/fm天线的平均有增效这个新型天线的设计通过以下方法实现小型化,AM/FM频段天线的物理尺寸远小于波长所以需要加入低噪声放大器,电话频段天线物理尺寸接近1/6波长所以不需要放大器。2.1.1采用多个谐振枝,产生多个电流路径用于不同的频段,将AM/FM/电话频段集成在一个天线内。图7为AM/FM/车载电话天线的内部结构,图7为AM/FM/车载电话集成天线在FM整个频带内的平均有源增益。图9为AM/FM/车载电话集成天线在GSM整个频带内的平均有源增益。2.1.2利用顶部金属片加载,降低谐振频率2.1.3提高天线的辐射电阻,降低天线的损耗电阻采用高电导率的金属材料作为天线的辐射体,采用低损耗的介质材料作为天线的载体,来降低天线的损耗电阻,同时满足带宽要求。2.1.4在AM/FM频段采用低噪声放大器,提高整体天线增益和SNR(信噪比)GΣ≈Ga•Gamp,GΣ是天线系统整体增益,Ga是天线增益,Gamp是低噪声放大器增益。电小天线的极限增益为由于新型集成天线的物理尺寸远小于波长,所以天线的无源增益比较小,需要加入低噪声放大器来提高天线整体增益。信噪比SNR是整个接收机系统最重要的性能参数,低噪声放大器的输入端,要使用史密斯圆图工具进行最佳噪声匹配和增益匹配。低噪声放大器有2种匹配技术,一种是增益最大,一种是噪声最低。2.1.5利用功分器将天线收到的信号分为两路,一路输出到AM/FM低噪声发大器输入端,另外一路连接车载电话收发信机。这样可以将传统AM/FM天线和车载电话天线,两个天线合为一个天线,减小天线的物理尺寸。使用L,C分离元件设计的AM/FM/电话频段分路器,可以达