車載T-BOX通信系統的集成天線設計

曾炳豪，朱浩奎

（東莞笛卡爾電子科技有限公司，廣東 東莞 523000）

1 前言

汽車是日常生活不可缺少的交通工具之一，除單純的代步之外，人們對汽車的駕駛環境條件要求也越來越高。隨著科技的進步，車內多媒體的配置已從可聽廣播、音樂提升成可點播、直播視頻，在高配車型中還裝配有衛星導航與其他智能通信系統的配置［1-2］。近幾年， 許多車輛生產企業已陸續將T-Box設備規劃成車輛標準配置， 帶有支持4G／GPS／WLAN功能的車聯網標準終端T-BOX將深層鏈接汽車控制器局域網總線 （CAN-BUS）系統，是一種運用無線通信技術來提升更好的用戶駕駛體驗與車輛經濟結構的新興產品［3-4］。

為了更好的駕駛環境與共享交通信息，未來將會有更多的通信系統和車輛緊密結合。其中天線的設計在緊湊性、帶寬、效率和隔離度等方面變得具有挑戰性［5］。在以往文獻數據里，常見的集成天線設計分別為GPS／WLAN、GPS／4G以及GPS／WLAN／4G的組合［6］。其中4G天線大部分都只設計成單天線，GPS只提供了L1頻段的單頻GPS衛星接收能力，其實所能做到的定位精準度并不高［7］。在本文研究中，提出了一種新的四合一緊湊型集成天線解決方案，該方案包括運用PIFA結構設計的兩個4G天線 （主-副天線）， 工作頻段滿 足 4G TDD-LTE： TD38／39／40／41； 4G FDD-LTE：LTE1／3／4／7，也同時滿足3G TD-SCDMA／UMTS：TD34／39，WCDMA1／2／4／5／8；2G GSM：GSM850／900／1800／1900頻段［8］。一個WLAN天線頻段為2400～2484 MHz，以及GPS天線雙頻段為 L1:1575 MHz和L5:1176 MHz［9-10］。提出的集成天線支持4G信號的同步收發，加速數據傳送與接收［6］。GPS（L1／L5）雙頻天線支持高精度導航定位，可將民用定位精度從此前的5米提升至0.3米，可滿足移動通信與車道級智能導航需求。

2 天線結構與設計

2.1 天線結構

使用面積長尺寸110×42 mm，厚度為1.0 mm的金屬板做為接地面。在這面積區間內共有4支天線，分別為4G主-副平面倒F天線 （PIFA），一個WLAN天線和一個高定位精度GPS堆疊陶瓷天線，集成天線設計結構如圖1所示。可由圖1很清楚看出其天線分布位置，高精度GPS天線被設計于約為中間偏右的位置，4G主-副兩只天線分別設計于左上與最右邊，WLAN天線則被設計于左下方位置。天線出線口設計于長方形外觀的側邊出線，饋電方式皆使用長度為150 mm，匹配阻抗為50Ω同軸饋線（RG174）來激發天線。4支天線全部使用車載規范50Ω的FAKRA連接器（接頭規格:4G主-副天線分別為D和K;GPS天線為C;WLAN天線為I）。四合一集成天線的整體外觀尺寸為125×46×20 mm。

2.2 天線設計

天線的工作頻率與其幾何尺寸以及結構基材中的介電常數有關。4G天線采用型號XANTAR LDS3730的PC材料做為結構基材，介電常數為3.0， 天線幾何圖形使用LDS制程技術來設計成PIFA天線。可滿足4G TDD-LTE：TD38／39／40／41；4G FDD-LTE：LTE1／3／4／7，也同時覆蓋到3G／WCDMA／2G GSM頻段。WLAN天線采用板厚度為0.8 mm，介電常數為4.4的FR4介質材料作基板來設計成PIFA天線，滿足帶寬2400～2484 MHz工作頻段。GPS雙頻天線是由上下兩塊高介電常數陶瓷基板堆疊而成與低噪聲放大器 （LNA）整合在一起。堆疊天線尺寸大小分別用15×15×4 mm與25×25×4 mm的陶瓷基板來進行設計，采用單饋入點結構方式饋電。上面第一塊陶瓷微帶天線的上層金屬貼片是通過Pin針連接低噪聲放大器的輸入端，下面第二塊陶瓷基板的下層金屬貼片與低噪聲放大器金屬接地面連接。帶寬滿足GPS（L1:1575 MHz／L5:1176 MHz） 工作頻段，支持高精度導航定位。車載4G主-副天線、GPS雙頻以及WLAN四合一集成天線成品，如圖2所示。

圖1 集成天線3D結構圖

圖2 車載四合一集成天線成品圖

3 天線量測

使用向量網絡分析儀 （Agilent E5062A）分別對4G主-副天線、高精度GPS雙頻天線與WLAN天線分別進行S參數量測。對于天線輻射特性的分析，在無反射室內使用天線量測設備進行天線輻射方向圖的量測，如圖3所示。

3.1 4G主-副天線

如圖4所示，主天線在網絡分析儀上的實測結果顯示在S11小于-6 dB時，產生的2個頻段分別為746～990 MHz和1601～2950 MHz。副天線量測結果顯示在S22小于-6 dB時，產生的2個頻段分別為796～954 MHz和1451～2702 MHz。實現的工作頻段可以覆蓋4G頻段的824～960、1710～2170以及2300～2690 MHz。選擇798、960、1710與2710 MHz四個頻率進行隔離度 （S21）量測，測出隔離度結果值分別為10.67、15.49、27.0和33.15 dB，低頻段隔離度＞10dB，高頻段達到隔離度＞27dB，呈現出較好的隔離度效果，如圖5所示。圖6所呈現的是諧振頻率分別為850 MHz、1800 MHz和2500 MHz的x-y剖面與x-z剖面的輻射方向圖。實測結果所對應的諧振頻率皆表現出良好的輻射特性。在增益與輻射效率實際量測部分，如圖7所示，低頻段 （824～960 MHz）的天線增益最大振幅值為3.61 dBi，輻射效率最大可達到66.5%。高頻段 （1710～2690 MHz）的增益最大振幅值為2.54 dBi，輻射效率最大可達到46.2%。

圖3 天線輻射方向圖量測設備

圖4 4G天線頻段S參數實測圖（S11：主天線，S22：副天線）

圖5 4G天線頻段隔離度 （S21）實測圖

圖6 4G天線實測場型圖

圖7 4G天線增益與效率實測圖

3.2 高精度GPS天線

圖8 為GPS天線在網絡分析儀上的實測結果，量測結果顯示在S11小于-10 dB時，帶寬分別為1562～1591 MHz與1170～1183 MHz，可以實現于高精度導航定位系統 （L1:1575 MHz／L5:1176 MHz）的工作頻率。天線參數特性整理如表1所示。對于輻射方向圖的分析，圖9所呈現是天線分別在L1／L5的x-z平面與y-z平面方向圖。在圓極化特性部分，軸比（Axial Ration，AR）的量測結果顯示，當AR值小于3 dB時，L5頻段所獲得帶寬范圍為1171.1～1177.3 MHz，頻率1176 MHz的AR值為2.86 dB。L1頻段所獲得帶寬范圍為1563.2～1581.9 MHz，頻率1575 MHz的AR值為1.51 dB，如圖10所示。

表1 GPS雙頻天線電氣參數

圖9 GPS天線實測場型圖

圖10 GPS天線軸比

3.3 WLAN天線

圖11 為WLAN天線在網絡分析儀上的測試顯示在S11小于-10 dB時，可以滿足2400～2484 MHz工作頻段。圖12所呈現的是諧振頻率分別為2450的x-y剖面與x-z剖面的輻射方向圖。天線在工作頻段內的平均增益大于3.0 dBi，效率平均大于65%， 如圖13所示。

圖11 WLAN天線S參數實測圖

4 結論

四合一集成式車載天線產品，整體外觀尺寸為125×46×20 mm，具有低剖面、體積小的特點，易于組裝制作。滿足WLAN上網功能、4G信號數據的同步收發與GPS（L1／L5） 高精度車道級智能導航需求。非常適合搭配安裝于帶有智能車載終端T-BOX通信系統功能的車輛上。

圖12 WLAN天線實測場型圖

圖13 WLAN天線增益與效率實測圖