整车天线近场测试方法

胡洋 喻春 周进

（重庆信息通信研究院 重庆市 401336）

天线广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感等利用电磁波传递信息的工程系统中，其性能好坏将直接影响到整个无线通信系统的正常运行与移动用户的体验。天线性能测试评估方法的研究有助于规范行业测试方法，统一测试标准，减少测试分歧，降低测试成本。在以往的测试中，汽车天线生产企业往往将天线作为单体产品来测试，这与使用环境存在较大的差异。

本文以车载天线近场测试方法为着手点，紧紧围绕我国车载天线小型化、宽频化、有源化发展趋势，面向汽车检测市场测试精度高、频率覆盖范围广的测试需求，研究低频（400MHz～6GHz）与高频（6GHz～80GHz）整车天线近场测试方法，开拓性、创新性地提出整车天线近场检测的新方法和新模式，提出一套包含测试场地、测试方法、数据收集和数据分析方法的整车天线近场测试方案。通过单体天线与整车天线近场测试数据对比分析，验证该方法能有效协助产业判断汽车无线信息交互的性能特征，为汽车的无线通信提供一种有利的验证方法，推动无线通信在汽车上大规模应用。

1 现状

1.1 车载天线数量呈指数级增加

随着汽车智能化、网联化程度加深，新型无线通信与传感器技术在汽车产业得到迅速发展，广泛应用于自适应巡航、紧急制动刹车、车道保持辅助、V2X 等高级自动驾驶辅助系统。同时随着信息娱乐系统、汽车防盗系统（PEPS）、胎压监测系统（TPMS）、自动驾驶辅助系统（ADAS）、网联交互协同系统（V2X）、电子收费支付系统（ETC）等多种汽车电子、智能网联功能在车辆上的应用，车载天线的种类越来越多，包括从联网用的蜂窝天线、连接热点的Wi-Fi 以及导航用的GNSS，到紧急呼叫系统、定位技术、卫星广播、AM/FM、对象侦测用的雷达、智能手机与其他装置连接用的蓝牙，以及车对车与车对基础设施(V2V/V2I)等应用的专用短距离通讯(DSRC)天线等。由于毫米波雷达、激光雷达等智能感知系统与LTE-V2X 蓝牙、Wi-Fi 等网联通信系统依赖于无线信息传输，天线作为无线信息交互的必备接口，承担着高速互联网连接、车辆诊断、汽车制造商软件更新推送以及卫星定位等重要任务。车载天线不仅在当今车联网中扮演着重要角色，未来也将在无人驾驶技术领域中承担中枢功能。

1.2 整车天线测试的需求迫切

多种类型的车载天线安装于车身架构的各个位置，其性能优劣直接影响汽车驾驶的安全、舒适、高效、便捷。为了保证车载无线通信系统的良好工作，需要对车载天线特性进行严谨的全面测试。

在以往的测试中，天线生产企业往往将车载天线进行部品级性能测试。但结果是即使单体天线与配套终端满足企业的设计要求，由于车身金属架构对信号屏蔽遮挡的影响，以及其它电子元器件对通信终端信号的干扰，整车天线与单体天线的性能测试结果差异仍然较大。因此主机厂装车后，如果不对天线位置和整车天线性能进行深入研究与检测，将会影响车辆的智能网联通信性能。由于汽车体积大、重量沉，通信领域的远场天线测试不能直接应用于汽车行业。为了准确评估及判断车辆的天线性能，提出一种汽车的整车级天线性能测试非常必要。然而目前国内整车天线测试环境不足，测试效率不高，在一定程度上制约了汽车行业智能化发展。

2 车载天线测试需求及方法分析

2.1 外置通信天线测试需求

外置通信天线用于车辆外部与通信设备进行信息交互，其天线性能主要受天线安装位置、角度、车身金属屏蔽效应等影响，因此在测试时需尽量模拟天线在实车环境下的安装情况进行试验。外置天线包括：

（1）车顶通信天线，例如鲨鱼鳍天线、杆式天线。该通信天线一般安装于车顶或引擎盖外部；

（2）风窗通信天线。该天线主要安装于车辆前后挡风玻璃或侧车窗玻璃；

（3）车身天线，例如车载雷达（77G）等。该天线安装于车身四周或者后视镜等位置，用于进行车辆与四周设备的信息交互。

2.2 内置天线测试需求

内置通信天线安装于车辆内部，包含两种通信天线：一种天线用于与车辆外部进行通信，一种天线用于与车内其他设备进行通信。

（1）车外通信的天线，例如：车机自带天线（如移动通信天线、Wi-Fi 天线）、板载PCB 天线（如遥控接收天线）。该类天线需要穿过车辆与外部设备进行通讯，因此测试时需考虑车辆内部结构进行整车环境下的测试。

（2）车内通信的天线，例如：车机自带天线（如车机内置的蓝牙天线）、板载PCB 天线（如胎压监测天线）。由于其通讯对象和天线本身都在车辆内部，正常工作时往往是以部件级形式进行通讯，因此对此类天线进行通讯性能测试时，需要与所属零部件及其封装一起测试，以模拟天线在所属部件上工作的实际状态。

2.3 车载天线测试方法及发展趋势

天线性能包含电参数性能和辐射性能。电参数性能测试需要使用矢量网络分析仪在暗室或空旷的区域进行，测试时天线静置，无需转动或举起，对场地尺寸无特别要求，测试方法简单、容易实现；辐射性能包含增益、波束宽度、旁瓣、OTA 测试等指标，一般需要在暗室中测试，需要转台、矢量网络分析仪、信号源、频谱仪等设备。由于需要测试天线各个方向的辐射性能，测试时需转动天线。而整车天线测试时，汽车已成为天线不可分割的一部分，需对整车进行测试。整车长度一般在3 米以上，重量超过一吨，无法像传统基站天线一样安装在抱杆上进行测试，需根据实际情况采取合适的测试方案。

由于应用场景的增加，车载天线向小型化、多频段、有源化方向发展，测试技术会有相应改变。在测试系统频率覆盖方面，一般为全频段覆盖和400MHz～80GHz 两种方案。对全频段覆盖方案，目前有集成商推出30MHz～6GHz 的球面近场，但目前无具体案例，仅停留在设计方案上。常规方案采用球面近场加平面近场，或球面近场加柱面近场的方案来覆盖400MHz～80GHz 频段。FM 频段因存在频率低、暗室反射较大、测试精度不高等问题，可考虑室外远场测试。由于车载天线向有源化发展，预计未来车载天线测试将向OTA 测试方向发展。

图1：多探头控制系统配置框图

图2：探头拱铝制结构示意图

图3：参考通道补偿效果图

3 整车天线近场测试方法研究

3.1 传统车载测试方法分析

传统车载测试方法一般有以下几种：

3.1.1 远场单体天线测试

该方法将天线视为独立的样品进行无源测试，测试项目有增益、阻抗、波束宽度、效率等。测试环境可采用远场暗室，测试与车辆无关，测试精度可能较高，但与使用环境不一致，只能作为参考，意义不大。

3.1.2 整车锥形远场测试

该方法可测试低频天线，如FM/AM 天线。原理是锥形前端充当反射面，通过多次反射形成平面波，但在低频段，吸波材料的吸波效果较差，一般在-35dB 以下，静区反射电平在-30dB 左右，测试精度不高，一般只做二维方向图测试。

3.1.3 单探头摇臂测试

该方法属近场测试，采用悬臂与转台配合的方式，采集整个上半球幅度和相位。由于采用单探头机械扫描，测试效率较低。测试场地一般针对6GHz 以下频段。在微波频段，由于波长小，扫描架和转台精度往往达不到要求，测试精度难以保障。

3.1.4 多探头球面测试（1/4 环）

该方法属于近场测试，一般用来测试400MHz～6GHz 频段，可扩展为400MHz～18GHz 频段。测试400MHz 以下低频时，探头间会有较大的耦合，测试精度下降；测试400MHz～18GHz 频段时需要两套探头。球面近场测试效率高，可生成3D 方向图，但目前对有源天线测试尚不完善，对18GHz以上频段也无法开展测试。

3.2 整车天线近场测试方法分析

采用近场测试有两种方式，分别为半环单探头系统和1/4 环多探头系统，两种方式目前都有试验系统，各有优劣。半环单探头系统分固定式和摇摆式，通过转台和探头的移动组合达到采集上半球幅度及相位。半环单探头系统成本低，精度高，但测试效率低，难以满足目前大批量测试需求。1/4 环多探头系统中每个探头都是固定的，通过电子开关控制来完成100°内信号幅度、相位的扫描，配合下方转台，完成整个上半球的数据采集。多探头系统采用电子扫描替代单探头的机械运动，采集速度成倍提高，仅需几分钟就可完成一次天线3D 方向图完整测试，测试精度高，但用于在高频段还不成熟。

根据汽车天线中各类天线不同的频段结合1/4 环多探头球面近场测试与平面近场测试系统，重庆信通院创新性提出整车天线近场检测的新方法。

3.3 6GHz以下测试方法——1/4环多探头球面近场测试

系统由多探头拱、探头阵列、探头选择单元、测试转台和系统软件组成，多探头拱对探头阵列提供支撑作用，利用软件控制探头阵列进行扫描，配合转台达到整个半球的数据采集，再采用快速傅立叶变换，将近场测试数据转换为远场方向图。多探头控制系统配置框图如图1所示。

3.3.1 多探头拱

探头阵列的支撑结构，是由带有精确定制曲率的铝制结构组成。测量探头被安装在U 型的两壁之间，而电子开关及射频电缆通过电介质覆盖后安装在铝制结构的背面。

在测量探头的四周都有特制的U 型吸波材料覆盖，这种吸波材料物理外形被定制成U 形，在探头拱的内径内侧有一个十字的小型孔，测量探头刚好通过十字孔突出吸波材料的表面。这种设计极大地降低了探头射频信号的散射。如图2所示。

3.3.2 探头阵列

多探头阵列的每个探头间的角度排列为1 度，探头覆盖角度从-10 度到90 度，探头间的物理矩离为11cm。

多探头阵列的关键技术在于宽频带双极化探头，这些探头为一系列高精度高带宽双极化的天线，安装在线型阵列轴线上，两个线性偏振的组合得到其他极化形式，探头是完全对称的，做到接收和传输的完美结合。

探头阵列主要技术指标如下：

（1）探头幅度均匀性：±0.15dB；

（2）探头相位均匀性：±2°；

（3）探头交叉极化（校准后）：≤-30dB

3.3.3 探头选择单元

多探头选择单元是所有测量探头的管理单元，内部有射频切换开关和控制电路，可以控制每一个探头和选择极化方向。

多探头选择单元废弃了中频链路的思路，通过同样长度的高稳射频线缆直接连接各个测量探头，这样设计的优势在于，因为线缆的长度都是一致的，为各链路衰减和相位的一致打好基础，在后期系统校准时，相应的补偿量可控制在相当小的量级，保证系统的测量精度和稳定性。

3.3.4 参考通道

此参考通道设计在第101 通道，在系统校准完成后，即对第101路通道做闭合测试，即放大器链路的测量，做为系统的初始数据，同时在第一次100 通道采集时，都增加一路101 通道，这样就可以对每一次测量数据做一次验证和补偿，再结合系统的温度监控系统，有效的分析和改善系统的测量误差。如图3所示。

从实际测量的曲线可以看出，增加参考通道后，温度变化在±2.5℃时，可以保证系统测量不确认在±0.25dB，因此针对温度未知，或温度不能完全稳定的系统测量环境中，参考通道是很有必要的。

3.3.5 测试转台

转台系统需考虑承重和尺寸，主要用于实现多探头近场测试中待测天线的方位旋转。

转台主要参数如下：

转台精度：≤0.3°；

转台机械回差：≤0.3°；

图4：1GHz～50GHz 网络分析仪RF 子系统配置-幅相测试

图5：50～80GHz 采用外混频模式的RF 子系统配置

运行累积误差：≤0.3°；

转台最大转速≥3°/s。

旋转角度：连续360°；

3.3.6 测试软件系统

系统软件是球面近场测试的控制中枢，负责控制转台角度、探头选择、数据采集、近远场转化和数据分析。

3.4 6GHz以上测试方法——单探头平面近场测试

3.4.1 二维采样架

单探头采样架主要技术参数如下：

X 轴（水平轴）有效扫描行程：3m；

Y 轴（垂直轴）有效扫描行程：2m；

扫描速度连续无极可调，且最快速度≥0.25m/s；定位精度≤±0.1mm，重复精度≤0.1mm，轨道直线度≤0.2mm。

表1：车体对天线增益的影响

图6：单体和整车天线方向图

Z 轴（ 前后轴）的有效行程≥500mm( 配置支架可至1000mm)，定位精度≤0.1mm，位置分辨率≤0.1mm；电控调节置，电控速度连续无极可调且最快速度≥50mm/s，直线度≤0.1mm。

P 轴（极化轴）程控调整范围-90°～+90°,可无阻尼调节并锁定，总径向负载满足探头安装的需求。

3.4.2 采样探头

包含一套开口波导探头，可支持1GHz～80GHz 的频率范围。

3.4.3 低频系统配置

（1）工作原理。采用矢量网络分析仪内置源和接收机的直接测量系统，目前广泛应用于各类通信天线的近场测量。

系统配置了使用频段宽至50GHz 的功率放大器和低噪声放大器，弥补线缆插损，提高系统动态。系统连接十分简便。

（2）信号链路框图。

如图4所示。3.4.4 高频系统配置

（1）工作原理。信号源输出的微波信号馈送到探头向空间辐射，被测天线将接收信号馈送到混频器，混频器将测试信号频率与本振源的信号频率进行混频（谐波），输出中频（如8.33MHz）,中频信号进入网络分析仪接收机进行处理。

RF 系统关键器件包括本振/中频分配单元和射频模块进行技术集成定制的毫米波收发单元（50～80GHz）。85309B 放大功能，基本弥补了混频器的变频损耗，系统连接十分简便，动态设计满足不低于75dB 设计要求。

（2）信号链路框图。

如图5所示。

3.4.5 测试软件系统

系统软件是平面近场测试的控制中枢，负责控制转台角度、探头选择、数据采集、近远场转化和数据分析。

4 单体天线与整车天线测试结果比较及分析

4.1 单体天线与整车天线测试结果比较

为定量评价车体对天线辐射性能的影响，我们选取一付4G 全向天线，两款车型，分别测试单体天线、将天线安装在1#车和2#车前挡风玻璃下进行方向图测试，比较不同情况下车体对天线增益的影响。

在电磁波直接穿透车窗时，车窗对电磁波有一定的吸收损耗，同时车身对信号又起到反射作用，会加强部分区域的信号强度，由于天线安装在车辆内部，在此复杂环境作用下，本来圆度相对较好的全向天线，方向图出现不规则的凸起和凹陷。测试结果见表1。

4.2 结果分析

如图6所示，从测试数据来看，由于车体和地面对信号的反射，整车测试与单体天线方向图差异很大，尤其是天线轴向，单体天线的信号是很弱的，但整车测试时，该区域几乎被完全填充。另外，方向图表面不再平滑，最大增益有所抬升，但平均增益明显下降。

5 总结

考虑车载天线性能对于汽车信息交互的重要性，提出为最大限度降低车体对信号覆盖的影响，使天线性能更符合设计要求，增强用户体验，建议应将天线和车辆作为整体进行设计、调试。推动无线通信在汽车大规模应用的可靠推广。