采用螺旋线实现高隔离度的车载多频宽带MIMO天线

摘" 要： 为解决车载天线工作带宽窄和MIMO天线低频段隔离度低等问题，提出一种应用于车载通信系统的多频宽带高隔离度的MIMO天线，其工作频段为824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，可覆盖民用移动通信的2G/3G/4G/5G和无线局域网/车联网等频段。单极子天线单元采用弯曲、开槽等诸多技术实现多频宽带，还通过添加接地枝节来降低天线高度和提高物理稳定性；在MIMO天线设计上采用螺旋线来提高天线单元之间的隔离度。实测结果表明，天线在工作频段内的反射系数小于-10 dB，隔离度小于-20 dB，低频段增益和辐射效率略低，中高频段的增益均大于4 dBi，最高达到7 dBi，效率均高于70%，最高可以达到96%。实测数据与仿真数据具有良好的一致性，所研制的天线可满足车载天线对多频段通信和高隔离度MIMO天线的技术要求，其结构和尺寸专为安装于汽车内部中控台背面而设计。

关键词： 车载天线； 多频段天线； 宽带天线； 单极子天线； MIMO天线； 高隔离度

中图分类号： TN828.6⁃34" " " " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）05⁃0015⁃08

Implementation of vehicular high isolation multi⁃band wideband

MIMO antenna with helical wire

ZHENG Zhenkun1， LIN Fumin1， ZHANG Huafu2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Hi⁃Target Navigation Tech Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： In view of the narrow operating bandwidth of vehicular antenna and low isolation of multiple⁃input multiple⁃output （MIMO） antenna in low frequency band， a multi⁃band wideband high isolation MIMO antenna applied to vehicle communication systems is proposed. It works in the frequency bands of 824～960 MHz and 1 710～6 000 MHz， and can cover the frequency bands of civil mobile communication such as 2G/3G/4G/5G and wireless local area network （WLAN）/Vehicle to Everything （V2X）. The monopole antenna unit is designed with techniques such as bending and slotting， so as to achieve multi⁃wideband. In addition， the grounded branch is added to reduce the antenna′s height and improve its physical stability. MIMO antenna is designed by adopting helical wire to improve the isolation of the antenna unit. The measured results show that the reflection coefficient of the antenna is less than -10 dB and its isolation is less than -20 dB in the operating band， its gain and radiation efficiency is slightly lower in the low⁃frequency band， and in the middle and high⁃frequency bands， its gain is greater than 4 dBi and its maximum is 7 dBi， and its efficiency is higher than 70% and its maximum is 96%. The measured and simulated results have high consistency. The developed antenna can meet the technical requirements of vehicle antenna for multi⁃band communication and high isolation MIMO antenna， and its structure and size are specially designed for mounting on the back of the center console inside the vehicle.

Keywords： vehicular antenna; multi⁃band antenna; wideband antenna; monopole antenna; MIMO antenna; high isolation

0" 引" 言

随着车载通信技术的迅速发展，多频宽带天线在车载通信系统的应用越来越广泛，对能够覆盖民用移动通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等通信频段的天线的需求也随之增加。目前大部分车载天线为印刷天线，比如印刷单极子天线[1⁃6]和倒F天线[7⁃9]。大部分天线覆盖的频段是824～2 690 MHz，文献[5]中的单极子印刷天线能覆盖5G的sub_6 GHz频段，但是没有覆盖低频段的车载通信频段。

印刷天线的设计自由度较小，不能充分利用有限空间，所能提供的增益和效率相对较低，特别是低频段。为了在有限的空间内天线能够获得更好的性能，具有较大设计自由度的金属天线逐渐得到了应用。目前国内外研究中多数金属天线应用于鲨鱼鳍式天线罩内部[10⁃14]，但是仍存在一些不足，比如文献[12⁃13]中的金属天线的尺寸较大，且不能完全覆盖2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等频段。由于考虑汽车的外观美学，有研究将天线部署在汽车内部，文献[15]中将天线部署在汽车仪表盘内，但是存在接地平面过大和中高频段阻抗匹配不好的问题。文献[16]中将天线部署在车顶后方的扰流板内部，但是大部分工作频段的反射系数大于-10 dB。因此，部署在汽车内部的金属天线有着很大的挑战，需要考虑尺寸和天线性能等。

在车载通信系统中，多输入多输出（Multiple⁃Input Multiple⁃Output， MIMO）天线系统得到了广泛的使用， MIMO天线由两个或多个天线单元组成，可以大幅度提高天线辐射性能。MIMO天线间存在耦合效应，因此如何提高MIMO中天线单元之间的隔离度很重要。对于金属MIMO天线，大部分文献采用增加天线端口之间的距离来提高隔离度，但这种方法并不能很好地提高低频段的隔离度[17⁃21]。文献[20]采用了在基板底层设计解耦网络来提高MIMO天线的隔离度，但是整体尺寸相对较大，且设计解耦网络具有一定的复杂性。那么在天线单元之间保持一定距离的条件下，如何提高金属MIMO天线的隔离度是设计的一大难点。

本文研制了一种应用于车载通信系统的多频宽带高隔离度的MIMO天线，工作频段为824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，覆盖了民用移动通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等频段，具有多频宽带和高隔离度的优点，其结构和尺寸专为安装于汽车内部中控台背面而设计。在文中第一节和第二节中分别对天线单元和MIMO天线进行结构说明和仿真测试数据的分析。

1" 单极子天线单元的设计与分析

1.1" 天线单元结构的设计

本文所设计的单极子天线结构如图1所示，该天线是基于[14]波长单极子天线原理设计的，由板厚为1 mm的不锈钢板切割而成，在天线表面进行缝隙切割，得到的“倒T”型的缝隙可以将天线分为两部分，天线的上部分主要工作在低频段（824～960 MHz），天线的下部分主要工作在中高频段（1 710～6 000 MHz）。

图1中给出了天线结构设计的几何参数，对应的参数取值如表1所示。

图2给出了天线的设计过程和对应的反射系数曲线。以天线1为基础，通过在金属板上半部分进行“倒T”型开缝和添加向外弯折延伸的金属枝节，从而得到天线2和天线3。从图2e）可以看出，天线3不能很好地覆盖低频段，并且从天线结构的物理稳定性来说，天线3的结构容易脱落，不适合安装在高速移动的汽车上。为了解决以上两个问题，在天线3的基础上，采用短路接地枝节来调节天线的低频工作频段和提高天线结构的物理稳定性。图2e）中天线4的反射系数曲线展示了添加接地枝节可以使得天线工作频段往低频段频偏，不需要通过增大天线低频电流路径，就可以使其覆盖到824～960 MHz和1 710～6 000 MHz。

1.2" 天线模型与参数分析

1.2.1" 天线等效电路模型

利用文献[22]中的方法，从仿真数据中推导出天线的一种等效电路模型，如图3a）所示，其中天线结构上的“倒T”型缝隙起到带阻滤波器的作用，在等效电路模型中用电容[C3]、串联接地的电感[L2]和[C2]来表示。图3b）展示的是天线仿真和等效电路模型的反射系数的对比，结果表明，电路模型的反射系数与天线仿真数据具有良好的一致性，证明了该电路模型可以表示本文设计的天线。

1.2.2" “倒T”型缝隙参数分析

图4展示了“倒T”型缝隙参数[LS1]、[LS3]和[H2]对反射系数的影响，其中参数[H2]对“倒T”型缝隙的结构有着很大影响，如图4c）所示，随着[H2]值的减小，相当于减小图3a）中等效电路中的[C2]值，影响中高频阻抗匹配。通过仿真分析，[LS1]、[LS3]和[H2]分别取值为1 mm、15 mm和41.5 mm。

2" MIMO天线的研制与分析

2.1" MIMO天线的研制

将两个单极子天线并排放置组成MIMO天线（将左边天线单元设定为天线1，另一个设定为天线2）。由于实际车载系统应用中需要构建等电势面，MIMO天线一般需要共地，因此天线1和天线2采用不共地的方式来提高天线隔离度的方法是不建议采用的。

在MIMO天线设计过程中有两种天线结构，如图5所示。结构一将天线1和天线2直接共地连接，结构二采用螺旋线来实现两个天线共地。螺旋线参数如下：圈径[D]=5 mm，线径[d]=0.6 mm，圈距[S]=1.6 mm，长度[L]=30 mm，圈数为18.5。

在仿真过程中，将天线1的端口激励，天线2的端口接上50 Ω负载，这两个模型仿真得到的天线[S]参数对比如图6所示。

通过图6a）和图6b）可以发现，结构一的[S]参数在低频段的反射系数大于-10 dB，隔离度[S21]大于-15 dB，因此结构一不能改善MIMO天线的隔离度。而为了提高天线隔离度，去不断增大天线间距离的做法是不符合实际的。所以在这里提出了采用螺旋线来提高隔离度的方法。在接地板之间加入金属螺旋线之后，可以有效地减弱接地板上低频电流的干扰，从而提高MIMO天线的隔离度。结构二的反射系数和隔离度[S21]均得到了明显的改善，工作频段内的反射系数基本小于-10 dB，隔离度[S21]基本小于-20 dB。

2.2" MIMO天线仿真与实测数据分析

2.2.1" 螺旋线参数分析

可以将螺旋线等效为一个电感，对耦合电流有着很大的阻隔作用，其尺寸参数对隔离度的影响如图7所示，圈径[D]、线径[d]和圈距[S]对低频段隔离度影响较大，圈数对隔离度的影响较小。通过仿真分析与实际加工考虑来取得合适参数值。

2.2.2" MIMO天线实测数据分析

将单极子天线和用于提高隔离度的螺旋线进行加工焊接，得到MIMO天线实物，如图8a）所示。使用矢量网络分析仪和微波暗室分别测试MIMO天线的[S]参数和辐射参数，如图8b）所示。

图9a）展示的MIMO天线的实测反射系数，在工作频段内基本小于-10 dB。图9b）中MIMO天线的实测隔离度在工作频段内基本满足[S21lt;]-20 dB，实测数据与仿真数据具有良好的一致性，说明螺旋线结构可以提高MIMO天线的隔离度，特别是明显提高了低频段的隔离度。从[S]参数实测数据得出所研制的MIMO天线耦合程度低、隔离度高。

MIMO天线的实测增益如图10a）所示，仿真采用电导率为5 000 S/m的不锈钢材料，在天线加工焊接误差和微波暗室测试误差内，可以发现测试数据和仿真数据具有良好的一致性。

天线增益和辐射效率的关系如下：

[er=PrPin=RrRr+Rg=11+RgRr] （1）

[G=D∗er] （2）

式中：[er]是天线辐射效率；[Pr]是天线辐射功率；[Pin]是天线接收功率；[Rr]是天线辐射电阻；[Rg]是损耗电阻；[G]是天线增益；[D]是方向性系数。如图10b）所示，由于采用较便宜的普通不锈钢材料损耗较大，天线在低频段的辐射效率较低（辐射效率大于30%，最高达到40%），对应低频段的增益也较低。天线在中高频段的辐射效率基本大于70%，最高可以达到96%，实测增益大于4 dBi，最高达到7 dBi。对不同电导率的不锈钢材料进行仿真，仿真结果显示，电导率的提高可以明显提高天线低频段的增益。若不计成本，可以采用质量好、电导率高的不锈钢来提高天线的低频增益。若不考虑天线的物理性能，可以采用更高性能的铜作为天线材料。

本文设计的MIMO天线的方向图测试结果如图11所示，分别展示了MIMO天线在860 MHz、1 900 MHz、3 500 MHz、4 900 MHz和5 910 MHz处的天线1和天线2在[XOZ]平面和[YOZ]平面的辐射方向图。这5个频点的方向图基本都是轴对称的，有利于MIMO天线应用于全方位的车载通信系统。

为了模拟MIMO天线部署在车控台内部，在仿真软件上进行模拟，模拟方法采用将MIMO天线紧贴在车控台内部的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）材料盒子后面，如图12a）所示。

使用高电导率、质量好的金属材料，比如铜，部署在PVC塑料盒背面的MIMO天线的增益仿真数据如图12b）所示。仿真采用介电常数为2.7、损耗角正切为0.05的PVC塑料，由于天线辐射空间的介电常数发生变化，使得天线工作频段发生频偏，对天线增益影响较小。

表2中展示了应用于车载通信系统的不同文献中的金属天线，大部分天线都应用于车顶或者鲨鱼鳍罩内，天线整体尺寸的宽度较大。文献[15]中应用于仪表盘内部的天线，其宽度较大，实际应用中接地板尺寸为145 mm×45 mm。本文研制的天线的接地板尺寸为70 mm×15 mm，在天线三维尺寸上具有较小的宽度，适合安装于汽车内部中控台背面。除此之外，表2中展示的MIMO天线的隔离度均大于-20 dB，文献[16⁃19]中的MIMO天线通过增大天线间隔距离来提高隔离度，但是天线隔离度没有得到明显提高。本文将螺旋线与天线接地板进行连接，使得在天线间距离为80 mm时天线隔离度基本实现工作频段内小于等于-20 dB。

3" 结" 语

单极子天线采用弯曲、开槽等诸多技术来实现多频宽带，并引入接地枝节来实现低频段匹配和提高天线的物理稳定性。不同于通过增大天线间距来提高隔离度的传统方法，本文采用螺旋线将两个单极子天线组合成MIMO天线。

天线仿真和实测数据展示出良好的一致性，在工作频段内具有较好的辐射特性，反射系数小于-10 dB，天线隔离度基本大于-20 dB。由于加工采用较便宜的普通不锈钢，损耗较大，以致天线低频段增益和辐射效率略低；中高频段的增益为4～7 dBi、辐射效率为70%～96%。若为了获得较高的低频增益而不考虑成本和材料的物理性能，可以采用高电导率的金属铜作为天线材料。

本文研制的天线具有结构简单、造价低、工作频带宽和高隔离度等优点，可满足车载天线对多频段通信和高隔离度MIMO天线的技术要求，其结构和尺寸专为安装于汽车内部中控台背面而设计，在车载通信应用中具有一定的实用价值。

注：本文通讯作者为林福民。

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