3種射頻通信天線(xiàn)的全方位仿真分析與研究

作者：郭軍朝、王斌、張正剛、夏云

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化是汽車(chē)的技術(shù)大趨勢(shì)，而智能座艙是智能化、網(wǎng)聯(lián)化的重要組成部分。智能座艙包含的技術(shù)信息含量很豐富，例如機(jī)械、電磁、軟硬件、環(huán)境感知與識(shí)別等領(lǐng)域。本論文即是以某車(chē)型開(kāi)發(fā)的智能座艙的影音域控制器為研究對(duì)象，運(yùn)用基于有限元的射頻仿真技術(shù)對(duì)控制器內(nèi)的3個(gè)射頻天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析，從天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、電磁特性參數(shù)等角度進(jìn)行了深度研究與比較，為天線(xiàn)設(shè)計(jì)指明了方向。

隨著人工智能和車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，這將給人的生活與出行帶來(lái)極大變革，汽車(chē)座艙形態(tài)、座艙功能、交互方式等也將發(fā)生巨大變化。因此，汽車(chē)智能座艙的設(shè)計(jì)成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展和創(chuàng)新的關(guān)鍵因素，也是打造差異化、吸引用戶(hù)的重要因素。智能座艙是傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)演變?yōu)樯鷳B(tài)產(chǎn)業(yè)的切入口，可以衍生出各種新商業(yè)模式。

智能汽車(chē)座艙發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：包括電子座艙階段、智能助理階段、人機(jī)共駕階段、第三生活空間。當(dāng)前隨著智能汽車(chē)在AI算法、智能駕駛上的不斷發(fā)展進(jìn)入了L3級(jí)自動(dòng)駕駛的“人機(jī)共駕階段”。在智能座艙的表現(xiàn)形式為該階段包含對(duì)語(yǔ)音控制和手勢(shì)控制技術(shù)突破，車(chē)內(nèi)軟硬件一體化聚合，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛感知精細(xì)化，車(chē)輛可在上車(chē)-行駛-下車(chē)的整個(gè)用車(chē)周期中，為駕乘人主動(dòng)提供場(chǎng)景化的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自主/半自主決策。AI座艙核心價(jià)值將表現(xiàn)為基于場(chǎng)景的主動(dòng)化交互和服務(wù)，很多也被稱(chēng)之為SOA的智能車(chē)服務(wù)[1]。

智能座艙顯示呈現(xiàn)3D、多屏化、大屏化及多樣化布局趨勢(shì)。在注重場(chǎng)景化交互的時(shí)代里面，座艙布局不再千篇一律。例如除傳統(tǒng)中控儀表設(shè)計(jì)外，中控臺(tái)聯(lián)屏設(shè)計(jì)在2021年被多家主機(jī)廠(chǎng)所應(yīng)用，從雙聯(lián)屏、三聯(lián)屏甚至達(dá)到五聯(lián)屏設(shè)計(jì)。此外，如控制屏、副駕駛娛樂(lè)屏、后排顯示屏、透明A柱等新型顯示屏出現(xiàn)在車(chē)上，也出現(xiàn)新的布局方式。2022年?yáng)|風(fēng)皓極車(chē)型的兩聯(lián)屏設(shè)計(jì)，這些新穎設(shè)計(jì)無(wú)疑為新車(chē)增添亮點(diǎn)。

整個(gè)智能座艙架構(gòu)一般由3層模型構(gòu)成，即底層、中間層、服務(wù)層。其中，底層是硬件層，包含攝像頭，麥克風(fēng)陣列，內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器（磁盤(pán)）EMMC、內(nèi)存DDR等。中間層是系統(tǒng)軟件層，包含操作駕駛域系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（Linux/QNX Drive）與座艙域系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（Android DriveSPI）；中間層之上是功能軟件層，包含與智能駕駛公用部分的感知軟件，智能座艙自身域的感知軟件，功能安全分析層。車(chē)機(jī)端的再向上層是服務(wù)層，包含啟用攝像頭人臉識(shí)別、自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)據(jù)服務(wù)、場(chǎng)景網(wǎng)關(guān)、賬號(hào)鑒權(quán)等[2]。

本文是以某車(chē)型智能座艙的車(chē)機(jī)為基礎(chǔ)，硬件端口如圖2所示，主要是以車(chē)內(nèi)的3種射頻通信天線(xiàn)為研究對(duì)象，從駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場(chǎng)增益等角度進(jìn)行全方位仿真分析與研究，為設(shè)計(jì)人員深度理解車(chē)內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信、天線(xiàn)設(shè)計(jì)與布局、座艙內(nèi)感知與融合技術(shù)，提供了指導(dǎo)。

圖2 智能座艙內(nèi)車(chē)機(jī)硬件端口

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天線(xiàn)基本理論

天線(xiàn)的作用是把傳輸結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成自由空間波。隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用，車(chē)內(nèi)短距無(wú)線(xiàn)通信、車(chē)外長(zhǎng)距無(wú)線(xiàn)通信、車(chē)與星鏈廣距無(wú)線(xiàn)通信功能使得不同頻段的車(chē)載天線(xiàn)使用種類(lèi)、數(shù)量日趨增多[3]。

具備智能化、網(wǎng)聯(lián)化車(chē)輛一般都是通過(guò)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)與道路指示燈、前后方車(chē)輛、整車(chē)廠(chǎng)遠(yuǎn)程服務(wù)、云端安全、地表基站及衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)通信。車(chē)輛V2X的物聯(lián)網(wǎng)如圖3所示，萬(wàn)物互聯(lián)之間的無(wú)線(xiàn)通信與射頻天線(xiàn)是息息相關(guān)的。

圖3 車(chē)輛V2X與多領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)通信

例如收音FM/AM天線(xiàn)、GPS導(dǎo)航天線(xiàn)、5G天線(xiàn)、后風(fēng)窗天線(xiàn)、北斗天線(xiàn)等傳統(tǒng)天線(xiàn)；又如毫米波雷達(dá)陣列天線(xiàn)等與主動(dòng)安全有關(guān)的天線(xiàn)陣列，如圖4所示。

圖4 車(chē)載多種類(lèi)型天線(xiàn)

雖然車(chē)載天線(xiàn)種類(lèi)很多，但依然有規(guī)律可尋，可按照車(chē)載天線(xiàn)電磁頻譜分布的規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究[4]。如圖5所示，電磁頻譜頻率從左到右逐漸增大，對(duì)應(yīng)工作頻段的天線(xiàn)種類(lèi)、形狀也在改變。由此可對(duì)車(chē)載天線(xiàn)開(kāi)展從低頻到高頻的有序的天線(xiàn)單體研究，進(jìn)而開(kāi)展車(chē)身+天線(xiàn)的聯(lián)合仿真研究，還可開(kāi)展車(chē)載多天線(xiàn)隔離度的研究。

圖5 車(chē)載天線(xiàn)種類(lèi)與電磁頻率分布

最簡(jiǎn)單的天線(xiàn)即是電基本振子，又稱(chēng)電流元或者電偶極子，如圖6所示，它是一段高頻電流直導(dǎo)線(xiàn)，其長(zhǎng)度dl＜＜波長(zhǎng)λ，其截面半徑a＜＜dl。導(dǎo)線(xiàn)上的電流處處等幅同相。這樣的電基本振子可以組成實(shí)際的復(fù)雜天線(xiàn)，所以電基本振子的輻射特性是研究復(fù)雜天線(xiàn)輻射特性的基礎(chǔ)[5]。

圖6 電基本陣子輻射場(chǎng)

電基本振子上的電流大小使用I表示，則矢量位A可以表示為：

在球坐標(biāo)系下，由矢量位A可得輻射磁場(chǎng)H:

根據(jù)麥克斯韋方程，可得輻射電場(chǎng)E:

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位是A/m；下標(biāo)r、θ、ψ分別表示球坐標(biāo)系的各個(gè)方向分量；ε0是自由空間介電常數(shù)，ε0=1×10-9/36π，單位是F/m；μ0是自由空間磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7，單位是H/m；k是自由空間相位常數(shù)，k=2π/λ=ω(μ0ε0)1/2,λ是自由空間波長(zhǎng)[6]。

從設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真三個(gè)角度研究車(chē)載天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)的參數(shù)非常多。一般工程常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場(chǎng)增益、E面增益、H面增益等。

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某車(chē)型智能座艙影音域控制器

以博世經(jīng)典的五域分類(lèi)拆分整車(chē)為動(dòng)力域（安全）、底盤(pán)域（車(chē)輛運(yùn)動(dòng)）、座艙域/智能信息域（娛樂(lè)信息）、自動(dòng)駕駛域（輔助駕駛）和車(chē)身域（車(chē)身電子）， 這五大域控制模塊較為完備的集成了L3 及以上級(jí)別自動(dòng)駕駛車(chē)輛的所有控制功能。

座艙域/智能信息域（娛樂(lè)信息）傳統(tǒng)座艙域是由幾個(gè)分散子系統(tǒng)或單獨(dú)模塊組成，這種架構(gòu)無(wú)法支持多屏聯(lián)動(dòng)、多屏駕駛等復(fù)雜電子座艙功能，因此催生出座艙域控制器這種域集中式的計(jì)算平臺(tái)。座艙域控制器（DCU）通過(guò)以太網(wǎng)/MOST/CAN，實(shí)現(xiàn)抬頭顯示、儀表盤(pán)、導(dǎo)航等部件的融合，不僅具有傳統(tǒng)座艙電子部件，還進(jìn)一步整合智能駕駛 ADAS 系統(tǒng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng) V2X 系統(tǒng)，從而進(jìn)一步優(yōu)化智能駕駛、車(chē)載互聯(lián)、信息娛樂(lè)等功能[7]。

本論文是以現(xiàn)開(kāi)發(fā)某車(chē)型智能座艙中的影音域控制器為研究對(duì)象，影音域控制器與IP橫梁、天線(xiàn)罩、編號(hào)2和3的射頻天線(xiàn)、編號(hào)4的射頻天線(xiàn)，分別如圖7 a、b、c、d所示。

a影音域控制器與IP橫梁

b 影音域控制器上殼的天線(xiàn)罩

c 隱藏天線(xiàn)罩罩后的2個(gè)射頻天線(xiàn)

d 隱藏側(cè)面塑料件后的1個(gè)射頻天線(xiàn)

圖7 某車(chē)型影音域控制器實(shí)車(chē)布置

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射頻天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

倒F天線(xiàn)就像是一個(gè)倒著寫(xiě)的F一樣，兩個(gè)腳，一個(gè)是饋點(diǎn)，一個(gè)是短路點(diǎn)。倒F天線(xiàn)由金屬線(xiàn)輻射體換成金屬板，這樣可以展寬頻寬。PIFA天線(xiàn)在其結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含有接地金屬面，可以降低對(duì)模塊中接地金屬面的敏感度，所以非常適合用在車(chē)機(jī)內(nèi)短距無(wú)線(xiàn)通信，手機(jī)藍(lán)牙模塊裝置等場(chǎng)合[8]。

本文所述智能座艙影音域控制器的射頻天線(xiàn)有3個(gè)，具體結(jié)構(gòu)及周?chē)h(huán)境件如表1所示。分析三種天線(xiàn)的特點(diǎn)可得都是平面倒F天線(xiàn)的變形。

表1 三款射頻天線(xiàn)

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射頻天線(xiàn)仿真建模

運(yùn)用Ansys公司的HFSS模塊仿真分析射頻天線(xiàn)，需要對(duì)天線(xiàn)、基材、控制器殼體、介質(zhì)分別設(shè)置相關(guān)的材料，并對(duì)金屬設(shè)置相關(guān)的理想導(dǎo)體邊界條件，施加激勵(lì)邊界條件、創(chuàng)建相關(guān)的三維空間計(jì)算域[9]。

本文影音域控制器中的三個(gè)天線(xiàn)的邊界條件、計(jì)算域如表2所示，為減少計(jì)算量，本文對(duì)影音域控制器的殼體僅取了部分區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。

表2 三款射頻天線(xiàn)邊界及周?chē)?jì)算域

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射頻天線(xiàn)輻射特性分析

射頻天線(xiàn)的電磁輻射參數(shù)很多，例如駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場(chǎng)增益等。其中，駐波比全稱(chēng)為電壓駐波比，又名VSWR和SWR，為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡(jiǎn)寫(xiě)。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱(chēng)為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時(shí)，表示饋線(xiàn)和天線(xiàn)的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線(xiàn)輻射出去，沒(méi)有能量的反射損耗；駐波比為無(wú)窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒(méi)有輻射出去。

天線(xiàn)S參數(shù)的理解：1）S11 是S參數(shù)中的一個(gè)，表示回波損耗特性，一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線(xiàn)的發(fā)射效率好不好，數(shù)值越大，表示天線(xiàn)本身反射回來(lái)的能量越大，這樣天線(xiàn)的效率就越差。2）波不通過(guò)傳輸線(xiàn)，直接在天線(xiàn)饋電處對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行激勵(lì)，在仿真軟件中，一般天線(xiàn)饋電處采用端口激勵(lì)，此處認(rèn)為端口已匹配好，若在該端口監(jiān)測(cè)到反射波，那么這個(gè)反射波也不是由于該端口處沒(méi)有匹配好造成的，而是在波傳播方向上天線(xiàn)阻抗不匹配以及環(huán)境的反射所致。3）波通過(guò)傳輸線(xiàn)，連接天線(xiàn)，通過(guò)激勵(lì)傳輸線(xiàn)的端口，進(jìn)而將波的能量通過(guò)傳輸線(xiàn)輸送給天線(xiàn)，通過(guò)天線(xiàn)將電磁波輻射出去。

增益是指在輸入功率相等條件下，天線(xiàn)在最大輻射方向上某點(diǎn)的功率密度和理想的無(wú)方向性天線(xiàn)在同一點(diǎn)處的功率密度（或場(chǎng)強(qiáng)振幅的平方值）之比。天線(xiàn)效率是指天線(xiàn)輻射功率與輸入到天線(xiàn)的總功率之比。增益是綜合衡量天線(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線(xiàn)效率的乘積[10]。

本論文仿真研究得到的三個(gè)射頻天線(xiàn)駐波比參數(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益的比較如表3所示。

表3 三個(gè)射頻天線(xiàn)的駐波比、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益分析

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天線(xiàn)參數(shù)比較分析

為橫向比較三個(gè)射頻天線(xiàn)的不同，本文詳細(xì)分析射頻天線(xiàn)的參數(shù)，例如最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大增益、最大實(shí)際與系統(tǒng)增益、輻射功率、凈輸入功率、輸入功率、輻射效率、前后向軸比、延遲因子等參數(shù)[11]。

本文研究的三個(gè)射頻天線(xiàn)的參數(shù)如表4所示，表中5列分別是變量、參數(shù)解釋?zhuān)炀€(xiàn)1工作2.45GHz時(shí)的最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、增益與功率及效率，天線(xiàn)2工作在2.45GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，天線(xiàn)3工作在2.45GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)參數(shù)。

表4 三種天線(xiàn)在2.45GHz時(shí)的多參數(shù)的比較

天線(xiàn)形狀不同使得天線(xiàn)的工作頻段也不同，也影響著駐波比的大小及S參數(shù)。一般是希望S參數(shù)波谷點(diǎn)與天線(xiàn)工作頻點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，駐波比參數(shù)一般在2～5范圍之內(nèi)[12]。本文研究的三個(gè)射頻天線(xiàn)的駐波比、S參數(shù)分析如表5所示。

表5 三個(gè)射頻天線(xiàn)的駐波比與s參數(shù)比較

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結(jié)論

本論文首先簡(jiǎn)要介紹汽車(chē)智能化核心組成-智能座艙的構(gòu)成與功能，進(jìn)而引出無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在智能座艙中的應(yīng)用是日趨廣泛的，并且從電磁頻譜角度闡述天線(xiàn)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。其次詳細(xì)描述射頻技術(shù)在車(chē)機(jī)中的應(yīng)用，梳理總結(jié)如下：

本論文運(yùn)用Ansys公司基于有限元原理的HFSS模塊，對(duì)在研車(chē)型的智能駕駛座艙的影音域控制器內(nèi)射頻天線(xiàn)進(jìn)行電磁仿真分析與研究，并且仔細(xì)對(duì)比了三個(gè)天線(xiàn)的電磁輻射特性。

從工作頻率角度分析，建議調(diào)整射頻天線(xiàn)1設(shè)計(jì)方案，使天線(xiàn)諧振頻率從2.7GHz變?yōu)?.45GHz；從駐波比角度分析，建議對(duì)射頻天線(xiàn)2進(jìn)行設(shè)計(jì)方案修改，使得其駐波比在2以下；從最大輻射場(chǎng)強(qiáng)、輻射效率角度分析，射頻天線(xiàn)3設(shè)計(jì)方案是比較合理的。

本文在仿真三款射頻天線(xiàn)時(shí)，未考慮同軸線(xiàn)束、錫焊接地點(diǎn)等細(xì)節(jié)對(duì)阻抗的影響，今后采取措施使得天線(xiàn)輸入阻抗在合理范圍內(nèi)是后續(xù)工作研究的重點(diǎn)。

審核編輯：郭婷