车载T-BOX通信系统的集成天线设计

曾炳豪，朱浩奎

（东莞笛卡尔电子科技有限公司，广东 东莞 523000）

1 前言

汽车是日常生活不可缺少的交通工具之一，除单纯的代步之外，人们对汽车的驾驶环境条件要求也越来越高。随着科技的进步，车内多媒体的配置已从可听广播、音乐提升成可点播、直播视频，在高配车型中还装配有卫星导航与其他智能通信系统的配置［1-2］。近几年， 许多车辆生产企业已陆续将T-Box设备规划成车辆标准配置， 带有支持4G／GPS／WLAN功能的车联网标准终端T-BOX将深层链接汽车控制器局域网总线 （CAN-BUS）系统，是一种运用无线通信技术来提升更好的用户驾驶体验与车辆经济结构的新兴产品［3-4］。

为了更好的驾驶环境与共享交通信息，未来将会有更多的通信系统和车辆紧密结合。其中天线的设计在紧凑性、带宽、效率和隔离度等方面变得具有挑战性［5］。在以往文献数据里，常见的集成天线设计分别为GPS／WLAN、GPS／4G以及GPS／WLAN／4G的组合［6］。其中4G天线大部分都只设计成单天线，GPS只提供了L1频段的单频GPS卫星接收能力，其实所能做到的定位精准度并不高［7］。在本文研究中，提出了一种新的四合一紧凑型集成天线解决方案，该方案包括运用PIFA结构设计的两个4G天线 （主-副天线）， 工作频段满 足 4G TDD-LTE： TD38／39／40／41； 4G FDD-LTE：LTE1／3／4／7，也同时满足3G TD-SCDMA／UMTS：TD34／39，WCDMA1／2／4／5／8；2G GSM：GSM850／900／1800／1900频段［8］。一个WLAN天线频段为2400～2484 MHz，以及GPS天线双频段为 L1:1575 MHz和L5:1176 MHz［9-10］。提出的集成天线支持4G信号的同步收发，加速数据传送与接收［6］。GPS（L1／L5）双频天线支持高精度导航定位，可将民用定位精度从此前的5米提升至0.3米，可满足移动通信与车道级智能导航需求。

2 天线结构与设计

2.1 天线结构

使用面积长尺寸110×42 mm，厚度为1.0 mm的金属板做为接地面。在这面积区间内共有4支天线，分别为4G主-副平面倒F天线 （PIFA），一个WLAN天线和一个高定位精度GPS堆叠陶瓷天线，集成天线设计结构如图1所示。可由图1很清楚看出其天线分布位置，高精度GPS天线被设计于约为中间偏右的位置，4G主-副两只天线分别设计于左上与最右边，WLAN天线则被设计于左下方位置。天线出线口设计于长方形外观的侧边出线，馈电方式皆使用长度为150 mm，匹配阻抗为50Ω同轴馈线（RG174）来激发天线。4支天线全部使用车载规范50Ω的FAKRA连接器（接头规格:4G主-副天线分别为D和K;GPS天线为C;WLAN天线为I）。四合一集成天线的整体外观尺寸为125×46×20 mm。

2.2 天线设计

天线的工作频率与其几何尺寸以及结构基材中的介电常数有关。4G天线采用型号XANTAR LDS3730的PC材料做为结构基材，介电常数为3.0， 天线几何图形使用LDS制程技术来设计成PIFA天线。可满足4G TDD-LTE：TD38／39／40／41；4G FDD-LTE：LTE1／3／4／7，也同时覆盖到3G／WCDMA／2G GSM频段。WLAN天线采用板厚度为0.8 mm，介电常数为4.4的FR4介质材料作基板来设计成PIFA天线，满足带宽2400～2484 MHz工作频段。GPS双频天线是由上下两块高介电常数陶瓷基板堆叠而成与低噪声放大器 （LNA）整合在一起。堆叠天线尺寸大小分别用15×15×4 mm与25×25×4 mm的陶瓷基板来进行设计，采用单馈入点结构方式馈电。上面第一块陶瓷微带天线的上层金属贴片是通过Pin针连接低噪声放大器的输入端，下面第二块陶瓷基板的下层金属贴片与低噪声放大器金属接地面连接。带宽满足GPS（L1:1575 MHz／L5:1176 MHz） 工作频段，支持高精度导航定位。车载4G主-副天线、GPS双频以及WLAN四合一集成天线成品，如图2所示。

图1 集成天线3D结构图

图2 车载四合一集成天线成品图

3 天线量测

使用向量网络分析仪 （Agilent E5062A）分别对4G主-副天线、高精度GPS双频天线与WLAN天线分别进行S参数量测。对于天线辐射特性的分析，在无反射室内使用天线量测设备进行天线辐射方向图的量测，如图3所示。

3.1 4G主-副天线

如图4所示，主天线在网络分析仪上的实测结果显示在S11小于-6 dB时，产生的2个频段分别为746～990 MHz和1601～2950 MHz。副天线量测结果显示在S22小于-6 dB时，产生的2个频段分别为796～954 MHz和1451～2702 MHz。实现的工作频段可以覆盖4G频段的824～960、1710～2170以及2300～2690 MHz。选择798、960、1710与2710 MHz四个频率进行隔离度 （S21）量测，测出隔离度结果值分别为10.67、15.49、27.0和33.15 dB，低频段隔离度＞10dB，高频段达到隔离度＞27dB，呈现出较好的隔离度效果，如图5所示。图6所呈现的是谐振频率分别为850 MHz、1800 MHz和2500 MHz的x-y剖面与x-z剖面的辐射方向图。实测结果所对应的谐振频率皆表现出良好的辐射特性。在增益与辐射效率实际量测部分，如图7所示，低频段 （824～960 MHz）的天线增益最大振幅值为3.61 dBi，辐射效率最大可达到66.5%。高频段 （1710～2690 MHz）的增益最大振幅值为2.54 dBi，辐射效率最大可达到46.2%。

图3 天线辐射方向图量测设备

图4 4G天线频段S参数实测图（S11：主天线，S22：副天线）

图5 4G天线频段隔离度 （S21）实测图

图6 4G天线实测场型图

图7 4G天线增益与效率实测图

3.2 高精度GPS天线

图8 为GPS天线在网络分析仪上的实测结果，量测结果显示在S11小于-10 dB时，带宽分别为1562～1591 MHz与1170～1183 MHz，可以实现于高精度导航定位系统 （L1:1575 MHz／L5:1176 MHz）的工作频率。天线参数特性整理如表1所示。对于辐射方向图的分析，图9所呈现是天线分别在L1／L5的x-z平面与y-z平面方向图。在圆极化特性部分，轴比（Axial Ration，AR）的量测结果显示，当AR值小于3 dB时，L5频段所获得带宽范围为1171.1～1177.3 MHz，频率1176 MHz的AR值为2.86 dB。L1频段所获得带宽范围为1563.2～1581.9 MHz，频率1575 MHz的AR值为1.51 dB，如图10所示。

表1 GPS双频天线电气参数

图9 GPS天线实测场型图

图10 GPS天线轴比

3.3 WLAN天线

图11 为WLAN天线在网络分析仪上的测试显示在S11小于-10 dB时，可以满足2400～2484 MHz工作频段。图12所呈现的是谐振频率分别为2450的x-y剖面与x-z剖面的辐射方向图。天线在工作频段内的平均增益大于3.0 dBi，效率平均大于65%， 如图13所示。

图11 WLAN天线S参数实测图

4 结论

四合一集成式车载天线产品，整体外观尺寸为125×46×20 mm，具有低剖面、体积小的特点，易于组装制作。满足WLAN上网功能、4G信号数据的同步收发与GPS（L1／L5） 高精度车道级智能导航需求。非常适合搭配安装于带有智能车载终端T-BOX通信系统功能的车辆上。

图12 WLAN天线实测场型图

图13 WLAN天线增益与效率实测图