整車天線無源性能測試結(jié)果計算模型研究

摘 要：整車天線測試是為保障智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信性能而開展的基礎性測試。在實際測試場景中，結(jié)果數(shù)據(jù)的處理和分析是一個重要環(huán)節(jié)。天線種類復雜、測試頻點眾多、計算需求多樣等因素，增加了結(jié)果數(shù)據(jù)處理和分析的難度及復雜度。本文以目前最常見的球面近場測試為研究背景，以線性平均增益計算為研究目標，提取了整車天線測試場景下的關鍵要素，歸納了數(shù)據(jù)處理的關鍵環(huán)節(jié)，設計出線性平均增益計算模型的整體框架。針對不同測試場景，對結(jié)果計算模型的數(shù)據(jù)處理邏輯進行了詳細的設計。該模型通過模塊化、流程化的設計，在滿足不同計算需求的同時能夠大大提高測試結(jié)果數(shù)據(jù)處理的效率。

關鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 整車天線測試 線性平均增益 數(shù)據(jù)處理

隨著人工智能、5G等技術的持續(xù)發(fā)展，智能化和網(wǎng)聯(lián)化浪潮正在助推各行各業(yè)的技術創(chuàng)新。在汽車行業(yè)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為當下汽車產(chǎn)業(yè)聚焦的主要方向，汽車逐漸成為集成多種技術和功能的復合終端[1]。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心功能之一就是整車無線通信能力。在單車智能方面，蜂窩通信、高精定位等功能的實現(xiàn)都依托于整車的無線通信能力。而隨著車聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，汽車需要與周圍車輛、行人等交通參與者進行全方位實時信息交互，這也對通信網(wǎng)絡的時延、可靠性、時效性等提出了更加嚴苛的要求，無線通信能力對汽車的重要性更加突出[2]。因此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的通信能力發(fā)揮著基礎性關鍵作用，一旦通信中斷，就有可能會影響到駕乘的安全性[3]。

而在汽車無線通信中，天線發(fā)揮了至關重要的作用，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的天線類型有蜂窩、GNSS、WiFi、藍牙等[4]。天線種類的增加也帶來了更多的功能。有學者針對車載天線性能進行了研究，例如許緯杰等人[5]針對整車特征，從尺寸、頻段覆蓋、全向性等角度出發(fā)，設計了一種車載全向天線。王蒙軍等人[6]以車窗玻璃為載體，設計了一種能夠提高增益、便于集成的多頻透明天線，能夠應用在車聯(lián)網(wǎng)無線通信中。

對于整車無線通信來說，除了天線自身的基礎性能之外，其整體通信性能還容易受到天線安裝位置的影響[7]，且不同天線的分布也會對整體性能帶來一定程度的干擾[8]。為了驗證整車無線通信的性能，需要將整車作為測試對象，對車載天線的無源性能進行測試。

線性平均增益是衡量整車天線在不同方向整體性能的重要指標，其計算需要在不同角度采樣點的測試數(shù)據(jù)基礎上進行，當測試任務復雜時，往往會帶來很大的計算成本。因此，為提高結(jié)果計算的效率及靈活性，本文梳理和歸納了線性平均增益計算的主要影響因素，構(gòu)建了測試結(jié)果數(shù)據(jù)計算模型框架，并對模型的數(shù)據(jù)處理邏輯進行了詳細設計。

1 測試系統(tǒng)概述

1.1 測試方法概述

在整車天線無源性能測試領域，球面近場的測試方法是0cbfc6ad9873dd43b73664d1f78a6515b25493d4512b5053e2b8861c00ca7b8d業(yè)界使用最普遍的測試方法[9-10]。該方法通過間隔角度采樣的方式，對整車上半球面的測試點進行測試，然后通過近遠場轉(zhuǎn)換算法將近場數(shù)值轉(zhuǎn)為遠場結(jié)果。

在測試時，轉(zhuǎn)臺繞測試中心進行水平方向的圓周轉(zhuǎn)動，構(gòu)成方位角，測試天線繞測試中心進行垂直方向的圓弧移動，為俯仰角。測試系統(tǒng)會對全部角度進行測試結(jié)果的測量和記錄，從而完成待測車輛的上半球面的天線增益的測試。

1.2 測試任務結(jié)構(gòu)

在實際測試場景中，被測車輛上通常存在多種類型的天線。對于某些類型的天線，整車上可能安裝多個以便保證不同區(qū)域的性能。而每個天線通常又會包含多個測試頻點，每個測試頻點都會對應一個由俯仰角和方位角構(gòu)成測試結(jié)果表。

測試完成以后，軟件系統(tǒng)能夠?qū)μ炀€的遠場增益結(jié)果進行導出。線性平均增益的計算需要在結(jié)果表的基礎上進行，當天線類型越復雜、天線及測試頻點數(shù)量越多時，數(shù)據(jù)處理和分析需要考慮的因素就越多、重復性工作也就越多。

2 結(jié)果計算模型框架設計

2.1 測試場景與需求分析

從整車天線測試的實際場景出發(fā)，線性平均增益計算的需求受到多種因素的影響。首先考慮天線維度：

（1）每個天線分別處理和分析，即每根天線都會有各自的結(jié)果；

（2）多個同類型天線，需要將這些天線當做一個整體，將不同天線下相同頻點的增益結(jié)果取最大值，得到一個綜合結(jié)果。

之后考慮頻點維度：

（1）每個頻點單獨看待，分別計算每個頻點的結(jié)果；

（2）多個頻點進行整體看待，結(jié)果的計算不再對各個頻點的結(jié)果進行劃分，而是將這些頻點結(jié)果表中的增益值取均值。

之后考慮測試的角度：

（1）只考慮俯仰角；

（2）考慮俯仰角和方位角組合的角度范圍。

2.2 結(jié)果計算模型整體框架

針對以上測試場景，考慮數(shù)據(jù)導入、計算、導出等數(shù)據(jù)流程，能夠提取出線性平均增益結(jié)果計算的關鍵環(huán)節(jié)，包括以下九個部分：

P1：數(shù)據(jù)讀取；P2：頻點遍歷；P3：俯仰角索引；P4：方位角索引；P5：結(jié)果計算與匯總；P6：結(jié)果導出；P7：天線遍歷；P8：增益取最大；P9：增益取平均。

以1和2分別表示天線、頻點、角度的場景。將其與以上九個關鍵環(huán)節(jié)進行匹配，設計出模型的整體框架如圖1所示。

其中，P1-P2-P3-P5-P6對應著每個天線分別處理和分析、每個頻點都會被單獨看待、只考慮俯仰角即1-1-1的測試場景，這也是結(jié)果計算模型最基本的組成部分，其他情形均由此延伸而來。

3 結(jié)果計算模型詳細設計

3.1 基準數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

將某個具體頻點的增益結(jié)果作為基準數(shù)據(jù)表，其他計算步驟建立在該基準之上。基準數(shù)據(jù)表由所有俯仰角和方位角組合的增益數(shù)據(jù)組成。俯仰角集合可以表示為T={1，2，...，i，...，m}，方位角集合可以表示為T={φ1，φ2，...，φj，...，φn}。為了保證數(shù)據(jù)處理步驟的可復用性，應將每個頻點的數(shù)據(jù)樣式進行統(tǒng)一，即可以把俯仰角作為行，把方位角作為列，構(gòu)成基本二維表樣式。

3.2 每個天線分別處理

3.2.1 只考慮俯仰角

對于圖1中的1-1-1場景，P3結(jié)果計算與匯總是核心步驟。對于線性平均增益計算來說，此時只考慮某個俯仰角i，計算其水平面內(nèi)全部方位角的線性平均增益，計算公式如下。

其中，j表示第幾個方位角，n表示方位角總個數(shù)，φj表示方位角序號為j時對應的實際方位角，g（φj）為方位角為φj時天線的增益值（線性表示），G（i）為俯仰角i時，該水平面的線性平均增益值（對數(shù)表示）。

通常測試后基準數(shù)據(jù)表中的值以對數(shù)形式表示，因此需要先將這些增益值轉(zhuǎn)換成線性表示，公式如下：

上式中，為對數(shù)表示的增益值，G為線性表示的增益值。

在實際測試場景中，頻點集合可以表示為F={1，2，...，p， ...，k，}，共k個頻點。所需俯仰角度集合可以表示為TF={1， ...，r，}，共r個角度。以頻點p為例，除了數(shù)據(jù)讀取和結(jié)果導出之外，其余環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理流程圖如2所示。

對于頻點p來說，首先提取其對應的基準數(shù)據(jù)表，首先通過公式（2）進對數(shù)-線性化的轉(zhuǎn)換。之后依據(jù)TF，對數(shù)據(jù)表進行逐行索引。并通過公式（1）計算線性平均增益結(jié)果，匯總后得到全部結(jié)果集合G（p，TF）。以此類推，遍歷該天線的全部頻點，得到增益結(jié)果集合。通過行或列的方式統(tǒng)一拼接，得到頻點集合F的線性平均增益結(jié)果G（F，TF）。

當需要同時考慮多個頻點時，需要將各個頻點的結(jié)果取均值處理。具體地，將所需頻點集合表示為Fx={p1，...，px}，共x個頻點。首先遍歷各頻點的基準數(shù)據(jù)表，將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為線性值。之后計算均值，即：

其中，g（p，，φj）表示每個角度組合下的增益值，遍歷全部角度組合，得到頻點集合Fx最終的基準數(shù)據(jù)表。然后基于該數(shù)據(jù)表，計算每個俯仰角下的線性平均增益值。

3.2.2 考慮俯仰角和方位角范圍

當需要計算某角度范圍內(nèi)的線性平均增益結(jié)果時，所需俯仰角度集合可以表示為TF={1，...，r，}，共r個俯仰角度，所需方位角度集合可以表示為PF={φj1，...，φjs}，共s個方位角度。針對某個頻點，角度范圍內(nèi)的線性平均增益計算公式為：

其中，i表示第幾個俯仰角，j表示第幾個方位角，g（i，φj）為俯仰角和方位角分別為i和φj時的天線增益值（線性表示）。將每個頻點的結(jié)果拼接起來，得到該天線所有頻點集合F的線性平均增益結(jié)果G（F，TF，PF）。

3.3 多天線綜合分析

當需要同類型的多個天線綜合分析時，需要先將多根天線的結(jié)果取最大值。將待處理的同類型天線集合表示為A={a1，...，au}，共u個天線。對于每個天線來說，分別遍歷頻點，取各個基準數(shù)據(jù)表在不同角度組合下的最大值max，遍歷全部角度后完成頻點p基準數(shù)據(jù)表的最大值處理。遍歷全部頻點后，完成天線集合A的取最大值處理。（圖3）

上述數(shù)據(jù)處理步驟將所有天線的數(shù)據(jù)匯總成新的數(shù)據(jù)表，基本結(jié)構(gòu)與單天線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致，因此可以當做單天線進行處理。

4 結(jié)束語

本文以整車天線無源性能測試為研究背景，以測試結(jié)果數(shù)據(jù)作為研究對象，針對測試后幾種最常見的線性平均增益計算需求，設計了結(jié)果計算的模型。首先，從整體測試任務出發(fā)，通過測試天線、測試角度、測試頻點三個維度，分析了不同測試場景下的測試參數(shù)及計算需求，進行了模型的整體框架設計。之后針對不同的需求，以某個頻點的結(jié)果數(shù)據(jù)表作為基準數(shù)據(jù)，設計了詳細的數(shù)據(jù)處理邏輯設計。本文將線性平均增益計算場景下的關鍵環(huán)節(jié)進行提取，能夠提高實際測試場景下數(shù)據(jù)處理和結(jié)果計算的效率，便于后續(xù)的開發(fā)實現(xiàn)。

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