汽车鲨鱼鳍天线的改良设计

王玉麟 曾雨晨 唐振海

摘 要：鱼鳍型汽车天线充分利用电子的特性，将静电电子引导到鲨鱼鳍天线的顶端释放，不管鲨鱼鳍天线安装在汽车的什么位置，都可以减少静电作用。本设计采用仿真软件和天线参数优化设计，提高增益，降低噪声系数，减少回波损耗。并根据汽车空气动力学仿真分析和风洞试验，设计了鲨鱼鳍的形状，以改变车辆尾部气流，减少车辆运行时的空气阻力。

关键词：汽车天线；鱼鳍外形；减少气阻；增强信号

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.016

1 汽车天线的发展背景

汽车的设计，生产和服务不断演变并不断完善以满足人们多样化，个性化，综合化的需求，在消费者日益增长的需求下，汽车收音机，导航GPS，车载雷达等功能配置也越来越多地被提及，对于这些功能，作为构建这些设备的核心组件，汽车天线的研究也越来越重要。

2 传统天线与鲨鱼鳍天线的优缺点

传统天线缺点：天线太长，不仅影响美观，而且还会增加汽车在行驶过程中的风阻，同时当你行驶过隧道或是一些比较低矮的地方时，就有可能会触碰到。优点：在一些比较偏远的地方，比如一些山区里，接收信号效果也会很不错。

鲨鱼鳍天线的优点：鲨鱼鳍型汽车天线具有非常时尚、炫酷、灵动的外观。能够通过加装鲨鱼鳍天線达到减小汽车行驶阻力的作用，天线的功能满足收音机系统的工作。缺点：其接收信号的能力并不如传统的天线强。

3 天线的设计

3.1 蛇形结构天线设计

鲨鱼鳍天线的内部空间比较小，为了尽量满足天线的长度，我们需要减小偶极天线的水平尺寸。采用双偶极天线的两臂弯曲变形，以减小天线的横向尺寸。从图1可以看出，偶极子弯曲结构的参数如下：弯折臂深度h，臂宽d横向相邻弯曲臂间距d，线直径w，线径w对天线的阻抗影响最小一般为w = 1.0，mm。

3.2 介质基片材料的选择

由于低成本印刷天线生产要求，选择FR4材料介质衬底，其廉价，加工简单，可以使用PCB技术天线，然后考虑介质的厚度，微带贴片天线通常需要介质厚度满足h < 0.01A。一般的小型天线底部材料选择的厚度在0.5mm，根据实际的应用要求，稍微加一点材料厚度，能够达到增益的提高和宽度的增加，增加的厚度又不能太大，不然会影响表面的波形，进而会影响天线的辐射系统。根据上面分析，选择做基体材料为FR4，其介电常数ε=4.8，厚度我们选取为h=0.1mm，损耗正切角tgδ=0.018，通过公式计算，并初步设计参数。

初步设计的参数有单边臂长（L）为30mm，线宽（w）为1mm，弯折臂的弯折深度（h）为80mm-100mm，弯折臂间距（s）为1mm，单边弯折次数（n）为16，铜箔的厚度（d）为0.1mm。

最终通过仿真软件FHSS计算分析确定最终尺寸参数。

单边臂长（L）为29mm，线宽（w）为1mm，弯折臂的弯折深度（h）为75mm-95mm，弯折臂间距（s）为0.8mm，单边弯折次数（n）为16，铜箔的厚度（d）为0.1mm。根据确定的数据尺寸确定的模型结构如图1所示。

3.3 仿真结果分析

通过仿真的结果如图2，我们得到驻波比与频率的曲线关系，其最低点为88.5MHz处，在此处的驻波比值是1.5，所得的最低值符合我们设计的要求。

而从回波损耗与频率的关系曲线如图3所示，我们得到天线的接收频率在102MHz的位置，回波损耗的值为-1.62dB。汽车结构的不同，安装在车上的天线频率会受到一定的影响，根据结构的影响不同，通常情况下频率点会向低一点的位置移动， 到达88MHz-108MHz的中心位置（98MHz），此数值满足设计要求。

最后我们得到一个三维天线增益图案，三维图像显得不是很方便，因此我们把三维图像进行剖面，得到二位维更能直观的描述辐射特性。在图4上我们得到了水平方向的增益可以有效的到达3.20dB，处于垂直位置增益也有1.80dB以上，和需要设计的天线增益一样，满足了设计要求。

4 鲨鱼鳍外壳的设计

4.1 风洞实验

应用仿真技术并通过风洞试验，对安装初始鲨鱼鳍结构的车模形进行车表外气流场计算，实验结果显示空气阻力系数Cd为0.3078，而原车的气动阻力系数为0.3198，比较之下明显发现气动阻力降低了。

主要是汽车尾部由原来的成熟发展的2个反螺旋涡减少为1个成熟发展的反螺旋涡和1个没有成熟发展小反螺旋涡，并且发现涡流的直径得到了减小，从而实现能量消耗降低；螺旋涡的个数的减少，同样起了能耗降低的作用。

4.2 优化结果分析

通过优化设计后，采用优化后的参数车模进行分析实验，对比优化前后车身尾部反螺旋涡，从中发现由原来的1个不成熟发展的有涡核的螺旋涡，改变为1个没有涡核的螺旋涡，使气阻对能量消耗进一步减小；优化后的涡流涡核中心更高了， 结果表明，汽车下部气流平稳，所以车身背面的涡流更小，优化结果最终体现在车辆空气动力阻力系数从优化前的0.3078减小到0.3036。与原车相比，总减阻率为5.05%。

通过优化结果得到最终模型参数长度（L）为163mm，前端高度（a）为10mm，后端高度（b）为72mm，后端宽度（c）为86mm。

5 结论

本文按汽车天线发展较高要求，设计改良出新型的天线，满足了尺寸小、频带宽、增益高的特性。

参考文献：

[1]王明浩.汽车FM天线低噪声放大器的设计[D].大连海事大学，2015.

[2]吴鹏飞.型化隐蔽汽车天线的应用研究[D].安徽：安徽工程大学硕士学位论文，2011.

本文来源于2017年广西科技大学自治区级大学生创新创业训练计划项目“汽车鲨鱼鳍天线的改良设计”项目编号：201710594226成果。

作者简介：王玉麟（1994-），男，广西桂平人，创新训练小组成员，研究方向：汽车服务工程。