GPS和4G天線的開發設計

馬 寧，王彩云，馬文峰，王子軍

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林 長春 130012）

1 汽車天線系統的功能和應用

汽車天線系統的最大功能就是完成電路中的電信號與空間中的電磁信號的相互轉化，使遠隔萬里的電子系統能夠互相交流。到目前為止，汽車天線系統依舊被稱為車載接收系統，因為其功能還集中在接收信號方面。空間中的電磁信號經由天線轉化為電信號，再由放大器調整信號，通過同軸電纜交由車載娛樂系統主機進行解碼和后期處理。一種天線就應該固定接收一定頻率范圍內的電磁信號，因此天線就是通過選擇性接收不同的信號頻率。除了傳統的FM/AM模擬廣播信號，還有GPS、數字廣播/電視信號（DAB）、遠程控制（TS）、藍牙、衛星信號、4G/5G、車對車通信等，它們各自占有不同的頻率段。

2 GPS天線、4G天線概述

2.1 GPS天線定義及工作原理

GPS天線就是指通過接收衛星信號，從而進行定位或者導航所用到的天線。車載GPS衛星信號的頻率為1575.42 MHz，信號為圓形極化，信號一般在-166dBm左右，屬于弱信號。

目前絕大部分GPS天線為右旋極化陶瓷介質，其組成成分為：陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜、接頭。其中，陶瓷天線也叫無源天線、介質天線，它是GPS天線的核心技術所在。一根GPS天線的信號接收能力，大部分取決于其陶瓷部分的配料如何。低噪聲信號模塊也稱為LAN，是將信號進行放大和濾波的部分，其元器件的選擇也很重要，否則會加大GPS信號的反射損耗，以及造成噪聲過大。線纜的選擇也要以降低反射為標準，保證阻抗的匹配。

GPS天線主要用來接收衛星傳遞的信息，并將其傳送到車載主機進行處理。GPS接收天線的原理如圖1所示。

圖1 GPS天線原理圖

GPS天線接收來自衛星的信號，通過信號放大與濾波之后傳送到車載主機，由車載主機對接收的GPS信號進行處理計算。

2.2 4G天線定義及分類

4G天線是將高頻電流或波導方式的能量變換成電磁波并向規則方向發射出去或把來自必定方向的電磁波還原為高頻電流的一種設備。

4G天線分類：①按用處可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；②按作業頻段可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；③按方向性可分為全向天線、定向天線等；④按外形可分為線狀天線、面狀天線等。

3 車載GPS和4G天線的開發設計

3.1 系統概述

車載GPS和4G天線主要集成了GPS和4G功能，分為外置和內置2種形式。外置指GPS和4G模塊集成在鯊魚鰭天線里，布置在車頂，當然鯊魚鰭天線還可以集成收音等其他功能。內置主要指GPS和4G模塊集成在一個盒子里形成GPS和4G單元，該單元布置在儀表板內。本文主要介紹一款目前正在開發的內置GPS和4G天線。

3.2 方案說明

該天線須為二合一的方案，同時滿足 GPS + 4G之需求。考慮4G數據傳輸與接收，在天線的設計上，采用兩回路設計（MIMO技術），支持TX/RX分離，可加速數據傳送與接收。

3.3 結構組成

車載GPS和4G天線的組成如圖2所示。

3.4 安裝布置要求

由于GPS和4G 天線的布置要求比較嚴格，而儀表板內零件比較繁雜，為了保證天線的單體性能，天線應該盡量靠儀表板的上表面，并且遠離儀表（儀表會產生信號干擾），副駕駛側和LCD單元后側是不錯的位置。具體要求現總結如下（僅供參考）。

1）天線主體水平放置（與地面夾角小于5°） 。

2）天線上方和周邊無金屬物/含金屬成分的物體，主體上方120°夾角方向無金屬物質 ，如圖3所示。

3）盡可能地遠離可能的干擾源，比如鼓風機單元、震蕩電路（開關電源，振蕩器等），至少要保證遠離上述易產生干擾的電路單元200 mm以上。

4）天線的信號線走線也要避免與電機的供電線、開關電路電源線捆扎在一起，盡量保持單獨走線，避免不必要的干擾。

圖2 GPS和4G天線構成圖

圖3 布置要求

3.5 設計參數

GPS天線電氣參數要求如表1所示。

表1 GPS天線電氣參數

4G天線電氣參數要求如表2所示。

表2 4G天線電氣參數

4 總結

本文介紹一款首次開發設計的GPS 和4G天線，為車聯網中的智能車載終端T-BOX系統提供了GPS和4G信號，用以完成其GPS定位功能和4G上網功能。GPS 和4G天線是目前智能車載終端T-BOX系統的一個很好的補充，對車聯網的發展有長遠的意義。