GPS和4G天线的开发设计

马 宁，王彩云，马文峰，王子军

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林 长春 130012）

1 汽车天线系统的功能和应用

汽车天线系统的最大功能就是完成电路中的电信号与空间中的电磁信号的相互转化，使远隔万里的电子系统能够互相交流。到目前为止，汽车天线系统依旧被称为车载接收系统，因为其功能还集中在接收信号方面。空间中的电磁信号经由天线转化为电信号，再由放大器调整信号，通过同轴电缆交由车载娱乐系统主机进行解码和后期处理。一种天线就应该固定接收一定频率范围内的电磁信号，因此天线就是通过选择性接收不同的信号频率。除了传统的FM/AM模拟广播信号，还有GPS、数字广播/电视信号（DAB）、远程控制（TS）、蓝牙、卫星信号、4G/5G、车对车通信等，它们各自占有不同的频率段。

2 GPS天线、4G天线概述

2.1 GPS天线定义及工作原理

GPS天线就是指通过接收卫星信号，从而进行定位或者导航所用到的天线。车载GPS卫星信号的频率为1575.42 MHz，信号为圆形极化，信号一般在-166dBm左右，属于弱信号。

目前绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质，其组成成分为：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆、接头。其中，陶瓷天线也叫无源天线、介质天线，它是GPS天线的核心技术所在。一根GPS天线的信号接收能力，大部分取决于其陶瓷部分的配料如何。低噪声信号模块也称为LAN，是将信号进行放大和滤波的部分，其元器件的选择也很重要，否则会加大GPS信号的反射损耗，以及造成噪声过大。线缆的选择也要以降低反射为标准，保证阻抗的匹配。

GPS天线主要用来接收卫星传递的信息，并将其传送到车载主机进行处理。GPS接收天线的原理如图1所示。

图1 GPS天线原理图

GPS天线接收来自卫星的信号，通过信号放大与滤波之后传送到车载主机，由车载主机对接收的GPS信号进行处理计算。

2.2 4G天线定义及分类

4G天线是将高频电流或波导方式的能量变换成电磁波并向规则方向发射出去或把来自必定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备。

4G天线分类：①按用处可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；②按作业频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；③按方向性可分为全向天线、定向天线等；④按外形可分为线状天线、面状天线等。

3 车载GPS和4G天线的开发设计

3.1 系统概述

车载GPS和4G天线主要集成了GPS和4G功能，分为外置和内置2种形式。外置指GPS和4G模块集成在鲨鱼鳍天线里，布置在车顶，当然鲨鱼鳍天线还可以集成收音等其他功能。内置主要指GPS和4G模块集成在一个盒子里形成GPS和4G单元，该单元布置在仪表板内。本文主要介绍一款目前正在开发的内置GPS和4G天线。

3.2 方案说明

该天线须为二合一的方案，同时满足 GPS + 4G之需求。考虑4G数据传输与接收，在天线的设计上，采用两回路设计（MIMO技术），支持TX/RX分离，可加速数据传送与接收。

3.3 结构组成

车载GPS和4G天线的组成如图2所示。

3.4 安装布置要求

由于GPS和4G 天线的布置要求比较严格，而仪表板内零件比较繁杂，为了保证天线的单体性能，天线应该尽量靠仪表板的上表面，并且远离仪表（仪表会产生信号干扰），副驾驶侧和LCD单元后侧是不错的位置。具体要求现总结如下（仅供参考）。

1）天线主体水平放置（与地面夹角小于5°） 。

2）天线上方和周边无金属物/含金属成分的物体，主体上方120°夹角方向无金属物质 ，如图3所示。

3）尽可能地远离可能的干扰源，比如鼓风机单元、震荡电路（开关电源，振荡器等），至少要保证远离上述易产生干扰的电路单元200 mm以上。

4）天线的信号线走线也要避免与电机的供电线、开关电路电源线捆扎在一起，尽量保持单独走线，避免不必要的干扰。

图2 GPS和4G天线构成图

图3 布置要求

3.5 设计参数

GPS天线电气参数要求如表1所示。

表1 GPS天线电气参数

4G天线电气参数要求如表2所示。

表2 4G天线电气参数

4 总结

本文介绍一款首次开发设计的GPS 和4G天线，为车联网中的智能车载终端T-BOX系统提供了GPS和4G信号，用以完成其GPS定位功能和4G上网功能。GPS 和4G天线是目前智能车载终端T-BOX系统的一个很好的补充，对车联网的发展有长远的意义。