汽车通信系统中的超宽带MIMO天线设计与仿真

刘冰冰，杨　兵，王　艳，李凌云

(华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079)

0　引言

随着无线通信技术快速地发展，现代汽车中都装备了很多信息和通信设备，这些设备能为汽车驾驶员提供先进的信息服务[1]。为了满足客户的需求，提升产品的竞争力，汽车制造商开始把更多的注意力放在无线移动通信应用系统中[2]。然而，高速行驶的汽车受到多径衰落的影响[3]，会出现通信的质量的下降。为了有效地减少多径衰落和实现高速率数据传输，超宽带(UWB)无线通信和多输入多输出(MIMO)技术[4]已经开始被建议应用于汽车通信系统中[5]。此外，在汽车车内部署超宽带无线通信系统，能用无线的方式取代传统电缆的方式来为车内的移动设备提供通信服务，这样可以显著降低布线的成本[6]。

作为UWB无线通信系统中必不可少的一部分，PCB天线由于能很好地在PCB板上与其他射频和微波电路集成在一起而成为当前的一个研究热点。与其他在自由空间进行无线通信的应用相比，汽车通信系统需要考虑天线安置环境对其性能的影响。近年来对汽车通信系统中PCB天线的主要研究工作有：文献[7]中设计了一种应用于汽车通信系统中的超宽带PCB天线；文献[8]中设计了一种集成蓝牙具有双陷波特性的超宽带PCB天线，然而，其设计的MIMO天线并没有研究天线安置环境对其性能的影响。

本文在文献[8]的基础上研究了实际安置环境对MIMO天线性能的影响，通过CST软件仿真[9]，验证了该MIMO天线能够很好地应用于汽车通信系统。

1　汽车通信系统中MIMO天线设计

本文采用文献[8]中设计的MIMO天线作为汽车通信系统中超宽带天线[10]，其结构如图1所示。此天线由一个地、4个桩型线和一个U型辐射体组成[11]。它的工作频率为2.39～ 2.49 GHz和3.11～11.4 GH，这2个频段分别对应蓝牙和超宽带通信频段，该天线对上行WLAN和下行WLAN频段具有双陷波特性。该天线印刷在介电常数为4.4、功率损耗因子为0.02的FR4板上，单个天线的尺寸为30 mm×30 mm×1.6 mm，MIMO天线的尺寸为60 mm×30 mm×1.6 mm。单个天线的具体尺寸如图2所示，具体尺寸如表1所示[12]。

图1　MIMO天线结构

表1天线尺寸参数表

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

图2　单个天线结构

2　模拟安置环境条件下MIMO天线的仿真

汽车通信系统中PCB天线的性能与安置环境有很大的关系[13]。通常天线安装在车顶上或者跟汽车其他电子元器件集成在一起。根据实际情况，本文采用了文献[8]中的安置仿真模型，并用CST仿真软件对MIMO天线的性能进行了仿真，仿真环境模型如图3所示[14]。其中，图3(a)描述了汽车通信系统中的MIMO天线安置环境中的情景一，即天线安装在距离金属板正上方10 mm处；图3(b)描述了汽车通信系统中的MIMO天线安置环境的情景二，即天线安装在距离金属板侧面25 mm处。本文的安置环境忽略了汽车上的非金属材料对通信的影响，只考虑了汽车的金属板对通信的影响[15]。

图3　汽车通信系统中天线安置环境仿真模型

通过CST软件对MIMO天线在汽车通信系统中天线的带宽性能进行了仿真实验，仿真结果如图4所示。参数S11、S22分别代表天线1和天线2的匹配性能，参数S21、S12分别代表天线1和天线2的隔离度。当参数S11、S22<-10 dB时，代表天线的工作频段；当参数S11、S22>-10 dB时，代表着带隙频段。由图4 (a)和(d)可得，天线安置环境对其匹配性能的影响如表2和表3所示。

由图4(b)和(c)可得，在情景一、情景二和自由空间3种情景中，天线1和天线2的隔离度>15 dB，能很好地符合MIMO系统对隔离度的要求。由以上仿真实验结果表明，汽车通信系统中天线安置环境对天线1和天线2的匹配性能以及它们之间的隔离度影响都不大。这个结论表明该MIMO天线很好地用于汽车通信中。

图4　汽车通信系统中天线安置环境对S参数的影响

表23种情景天线匹配性能S11比较

情景工作频率/GHz低带隙频段/GHz高带隙频段/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自由空间2．30～2．493．09～11．375．07～5．435．67～5．95

表33种情景天线匹配性能S22比较

情景工作频率/GHz低带隙频段/GHz高带隙频段/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自由空间2．38～2．483．02～12．004．80～5．435．62～5．95

3　结束语

本文设计了一种MIMO天线，分析了它在汽车通信系统中的性能。通过CST软件仿真得到：在模拟的车载环境中，天线安置环境对天线1和天线2的匹配性能以及天线1和天线2 间的隔离度影响都不大，这个结论验证了该MIMO天线很好地应用于汽车通信系统中。

[1]孙家可.超宽带通信技术的研究现状与发展前景[J].信息通信,2014(6):258-259.

[2]张恒,王霄,曲行达,等.无线信号在室内走廊中的传播特性分析[J/OL].计算机工程,1-7(2017-10-30)http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1289.TP.20171030.1305.002.html.

[3]王茜竹,李楠.大规模MIMO系统的改进RTS信号检测算法[J].计算机工程与应用:1-10(2017-06-22).http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20170622.1850.018.html

[4]彭立.紧凑型宽频带MIMO天线的设计[D].成都：电子科技大学,2014.

[5]Zuazol I J G，Elmirghani J M H,Batchelor J C.A Telematics System Using in-vehicle UWB Communications[C]∥In: Novel Applications of the UWB Technologies,Intech,Dubrovnik,Croatia,2011:195-208.

[6]Garicia Z.High-speed Ultra-wide Band in-car Wireless Channel Measurements[J].IET Communications,2009,3(7):1115-1123.

[7]Alsath M G N.Compact UWB Monopole Antenna for Automotive Communications [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2015,63(9):4204-4208.

[8]Yang B.A Compact Integrated Bluetooth UWB Dual-band Notch Antenna for Automotive Communications[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017,80:104-113.

[9]陈志贤.PBG结构圆柱形微带贴片天线的设计与仿真[J].电子测量技术,2016(1):54-56.

[10] 施荣华,徐曦,董健.一种双陷波超宽带天线设计与研究[J].电子与信息学报,2014,36(2):482-487.

[11] 黄志清,王卫东,陈斌.超宽带通信技术抗部分频带干扰性能研究[J].通信技术,2009,42(12):40-42.

[12] 傅云鹏,赵元珍.超宽带通信技术研究及最新发展动向[J].西北水电,2008(1):48-51.

[13] 焦胜才.超宽带通信系统关键技术研究[D].北京：北京邮电大学,2006.

[14] 黄聪,薛锋章.一种小型化高隔离MIMO吸顶天线[J].电讯技术,2011,51(11):103-106.

[15] 王茜竹,邱聪聪.Massive MIMO系统基于子空间的半盲信道估计[J/OL].计算机工程与应用:1-6(2017-04-01).http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20170401.0838.012.html.