劉冰冰，楊　兵，王　艷，李凌云

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0　引言

隨著無線通信技術(shù)快速地發(fā)展，現(xiàn)代汽車中都裝備了很多信息和通信設(shè)備，這些設(shè)備能為汽車駕駛員提供先進(jìn)的信息服務(wù)[1]。為了滿足客戶的需求，提升產(chǎn)品的競爭力，汽車制造商開始把更多的注意力放在無線移動(dòng)通信應(yīng)用系統(tǒng)中[2]。然而，高速行駛的汽車受到多徑衰落的影響[3]，會(huì)出現(xiàn)通信的質(zhì)量的下降。為了有效地減少多徑衰落和實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，超寬帶(UWB)無線通信和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)[4]已經(jīng)開始被建議應(yīng)用于汽車通信系統(tǒng)中[5]。此外，在汽車車內(nèi)部署超寬帶無線通信系統(tǒng)，能用無線的方式取代傳統(tǒng)電纜的方式來為車內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備提供通信服務(wù)，這樣可以顯著降低布線的成本[6]。

作為UWB無線通信系統(tǒng)中必不可少的一部分，PCB天線由于能很好地在PCB板上與其他射頻和微波電路集成在一起而成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與其他在自由空間進(jìn)行無線通信的應(yīng)用相比，汽車通信系統(tǒng)需要考慮天線安置環(huán)境對(duì)其性能的影響。近年來對(duì)汽車通信系統(tǒng)中PCB天線的主要研究工作有：文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于汽車通信系統(tǒng)中的超寬帶PCB天線；文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一種集成藍(lán)牙具有雙陷波特性的超寬帶PCB天線，然而，其設(shè)計(jì)的MIMO天線并沒有研究天線安置環(huán)境對(duì)其性能的影響。

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上研究了實(shí)際安置環(huán)境對(duì)MIMO天線性能的影響，通過CST軟件仿真[9]，驗(yàn)證了該MIMO天線能夠很好地應(yīng)用于汽車通信系統(tǒng)。

1　汽車通信系統(tǒng)中MIMO天線設(shè)計(jì)

本文采用文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)的MIMO天線作為汽車通信系統(tǒng)中超寬帶天線[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。此天線由一個(gè)地、4個(gè)樁型線和一個(gè)U型輻射體組成[11]。它的工作頻率為2.39～ 2.49 GHz和3.11～11.4 GH，這2個(gè)頻段分別對(duì)應(yīng)藍(lán)牙和超寬帶通信頻段，該天線對(duì)上行WLAN和下行WLAN頻段具有雙陷波特性。該天線印刷在介電常數(shù)為4.4、功率損耗因子為0.02的FR4板上，單個(gè)天線的尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm，MIMO天線的尺寸為60 mm×30 mm×1.6 mm。單個(gè)天線的具體尺寸如圖2所示，具體尺寸如表1所示[12]。

圖1　MIMO天線結(jié)構(gòu)

表1天線尺寸參數(shù)表

參數(shù)值/mmL30Wf3L111．25L40．6Ln11．5s21．0Ws113．0Ws24．0Ls46．6參數(shù)值/mmW30Lf14．25L22．75Lr2．0Wn9．0LS118．9Ws120．5Ls36．75Ws41．0參數(shù)值/mmLg13s2L33．5Wr3．5s11．75LS128．9Ls210．3Ws31．5

圖2　單個(gè)天線結(jié)構(gòu)

2　模擬安置環(huán)境條件下MIMO天線的仿真

汽車通信系統(tǒng)中PCB天線的性能與安置環(huán)境有很大的關(guān)系[13]。通常天線安裝在車頂上或者跟汽車其他電子元器件集成在一起。根據(jù)實(shí)際情況，本文采用了文獻(xiàn)[8]中的安置仿真模型，并用CST仿真軟件對(duì)MIMO天線的性能進(jìn)行了仿真，仿真環(huán)境模型如圖3所示[14]。其中，圖3(a)描述了汽車通信系統(tǒng)中的MIMO天線安置環(huán)境中的情景一，即天線安裝在距離金屬板正上方10 mm處；圖3(b)描述了汽車通信系統(tǒng)中的MIMO天線安置環(huán)境的情景二，即天線安裝在距離金屬板側(cè)面25 mm處。本文的安置環(huán)境忽略了汽車上的非金屬材料對(duì)通信的影響，只考慮了汽車的金屬板對(duì)通信的影響[15]。

圖3　汽車通信系統(tǒng)中天線安置環(huán)境仿真模型

通過CST軟件對(duì)MIMO天線在汽車通信系統(tǒng)中天線的帶寬性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖4所示。參數(shù)S11、S22分別代表天線1和天線2的匹配性能，參數(shù)S21、S12分別代表天線1和天線2的隔離度。當(dāng)參數(shù)S11、S22<-10 dB時(shí)，代表天線的工作頻段；當(dāng)參數(shù)S11、S22>-10 dB時(shí)，代表著帶隙頻段。由圖4 (a)和(d)可得，天線安置環(huán)境對(duì)其匹配性能的影響如表2和表3所示。

由圖4(b)和(c)可得，在情景一、情景二和自由空間3種情景中，天線1和天線2的隔離度>15 dB，能很好地符合MIMO系統(tǒng)對(duì)隔離度的要求。由以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽車通信系統(tǒng)中天線安置環(huán)境對(duì)天線1和天線2的匹配性能以及它們之間的隔離度影響都不大。這個(gè)結(jié)論表明該MIMO天線很好地用于汽車通信中。

圖4　汽車通信系統(tǒng)中天線安置環(huán)境對(duì)S參數(shù)的影響

表23種情景天線匹配性能S11比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．26～2．443．02～12．004．89～5．435．65～5．96情景二2．20～2．413．44～11．345．18～5．425．70～5．93自由空間2．30～2．493．09～11．375．07～5．435．67～5．95

表33種情景天線匹配性能S22比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．38～2．483．01～12．004．80～5．435．61～5．96情景二2．36～2．482．99～12．004．68～5．445．58～5．97自由空間2．38～2．483．02～12．004．80～5．435．62～5．95

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種MIMO天線，分析了它在汽車通信系統(tǒng)中的性能。通過CST軟件仿真得到：在模擬的車載環(huán)境中，天線安置環(huán)境對(duì)天線1和天線2的匹配性能以及天線1和天線2 間的隔離度影響都不大，這個(gè)結(jié)論驗(yàn)證了該MIMO天線很好地應(yīng)用于汽車通信系統(tǒng)中。

[1]孫家可.超寬帶通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].信息通信,2014(6):258-259.

[2]張恒,王霄,曲行達(dá),等.無線信號(hào)在室內(nèi)走廊中的傳播特性分析[J/OL].計(jì)算機(jī)工程,1-7(2017-10-30)http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1289.TP.20171030.1305.002.html.

[3]王茜竹,李楠.大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的改進(jìn)RTS信號(hào)檢測算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用:1-10(2017-06-22).http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20170622.1850.018.html

[4]彭立.緊湊型寬頻帶MIMO天線的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2014.

[5]Zuazol I J G，Elmirghani J M H,Batchelor J C.A Telematics System Using in-vehicle UWB Communications[C]∥In: Novel Applications of the UWB Technologies,Intech,Dubrovnik,Croatia,2011:195-208.

[6]Garicia Z.High-speed Ultra-wide Band in-car Wireless Channel Measurements[J].IET Communications,2009,3(7):1115-1123.

[7]Alsath M G N.Compact UWB Monopole Antenna for Automotive Communications [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2015,63(9):4204-4208.

[8]Yang B.A Compact Integrated Bluetooth UWB Dual-band Notch Antenna for Automotive Communications[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017,80:104-113.

[9]陳志賢.PBG結(jié)構(gòu)圓柱形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測量技術(shù),2016(1):54-56.

[10] 施榮華,徐曦,董健.一種雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2014,36(2):482-487.

[11] 黃志清,王衛(wèi)東,陳斌.超寬帶通信技術(shù)抗部分頻帶干擾性能研究[J].通信技術(shù),2009,42(12):40-42.

[12] 傅云鵬,趙元珍.超寬帶通信技術(shù)研究及最新發(fā)展動(dòng)向[J].西北水電,2008(1):48-51.

[13] 焦勝才.超寬帶通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2006.

[14] 黃聰,薛鋒章.一種小型化高隔離MIMO吸頂天線[J].電訊技術(shù),2011,51(11):103-106.

[15] 王茜竹,邱聰聰.Massive MIMO系統(tǒng)基于子空間的半盲信道估計(jì)[J/OL].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用:1-6(2017-04-01).http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20170401.0838.012.html.