王 紀(jì)，馬 健，蔣明音

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽 亳州 236800)

隨著城市鄉(xiāng)村的快速發(fā)展，廣播類節(jié)目覆蓋區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大[1].數(shù)字音像、視頻廣播早已成為當(dāng)今廣播模式的主流，更已應(yīng)用于日新月異發(fā)展的天線車載接收系統(tǒng)[2].為了提高信息服務(wù)水平，交通運(yùn)輸部門當(dāng)前亦正在推廣利用建設(shè)公路沿線調(diào)頻同步廣播系統(tǒng)[3].然而，市面上的車載調(diào)頻天線仍采用點(diǎn)頻傳輸方式，其缺點(diǎn)是發(fā)射功率小，車輛發(fā)射機(jī)使用時(shí)附近不能有較高功率[4]，為了滿足語(yǔ)音、視頻廣播移動(dòng)車載通信的需求，本文提出了新型寬頻帶印制天線結(jié)構(gòu)模型，來(lái)為愛(ài)好收聽(tīng)廣播裝飾愛(ài)車工程設(shè)計(jì)提供一定參考.主要研究?jī)?nèi)容：運(yùn)用頻率展寬方式并對(duì)介質(zhì)基板進(jìn)行合理選擇，設(shè)計(jì)一種精巧的車載寬頻帶天線.包括具有長(zhǎng)短邊的矩形接地板、含第一部分的介質(zhì)基板、用于頻帶工作并具有至少三個(gè)角和邊的輻射元件.

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

現(xiàn)在許多的車輛已經(jīng)在車的不同位置的安裝了各種天線.通常這些天線是位于后窗或車頂上的單極天線.但這些車載的直立細(xì)線單極子天線的阻抗一般帶寬很窄[5].故而我們考慮設(shè)計(jì)寬頻帶印制天線，即通過(guò)采用頻帶拓寬技術(shù)改良印制天線結(jié)構(gòu)后，獲得具更佳輻射特性和更寬工作頻帶的天線[6].此外，伴隨著美學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的趨勢(shì)變化，最近的消費(fèi)者明顯對(duì)流線型和光滑外觀的車型愈加青睞[7].為了滿足消費(fèi)者的口味和提供駕駛員所需要的所有無(wú)線通信服務(wù)，汽車行業(yè)傾向于將單一通信服務(wù)的通信模塊集成，例如電話、AM/FM收音機(jī)、衛(wèi)星數(shù)字音頻廣播服務(wù)(SDARS)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)及數(shù)字音頻廣播(DAB)等，如此可以在成本、質(zhì)量和工程開(kāi)發(fā)時(shí)間方面取得巨大優(yōu)勢(shì)[8-9].

單純集成、減小天線系統(tǒng)的尺寸會(huì)影響其性能[10].為了給汽車使用者提供可靠的通信支持，本文研究設(shè)計(jì)的車載高效率寬帶天線同時(shí)具備小尺寸、高效率和寬帶，還可在所有LTE頻帶上工作而不會(huì)在任何頻帶中損失其寬帶和高效特性.

2 寬頻帶印刷天線設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)思想

車載寬帶天線系統(tǒng)包括的輻射元件，用于在至少一個(gè)操作頻帶中工作并設(shè)于電介質(zhì)材料的至少第一部分上，基板布置在該第一部分上接地點(diǎn)、饋電元件和由具有所述矩形外接的接地板.接地板可以布置在與輻射元件相同的基底中，布置在基底的第二部分上，或者在基底外部垂直于輻射元件.輻射元件的第一邊基本上與外接矩形的一側(cè)對(duì)齊，第一角具有頂點(diǎn)且該角為輻射元件到接地板的最近點(diǎn).導(dǎo)電元件具有至少第一部分，且該部分在輻射元件與第一邊之間延伸.而導(dǎo)電元件與輻射元件電隔離.此外，導(dǎo)電元件通過(guò)接地點(diǎn)連接到地平面.接地點(diǎn)設(shè)置在基板的第一部分的一個(gè)極限處，饋電元件通過(guò)第一角的頂點(diǎn)與輻射元件電磁耦合.另以λ為天線的最低頻率，第一部分各主要邊具有至少0.13λ的電長(zhǎng)度，并且第一角小于156°，其光圈在 80°至 156°的范圍內(nèi)，最佳范圍為120°至156°，最佳光圈值為150°.導(dǎo)電元件具有電長(zhǎng)度，并且接地板的主邊電長(zhǎng)度和導(dǎo)電元件電長(zhǎng)度之和的范圍為0.18λ到0.22λ.輻射元件從第一邊到第一角的長(zhǎng)度小于1/10λ，且輻射元件的第一邊寬度小于λλ，導(dǎo)電元件的第一部分大于λλ.如上所述提供輻射元件和導(dǎo)電元件，天線系統(tǒng)修改接地板的電長(zhǎng)度和其頻率特性.這種改進(jìn)的頻率特性將接地板的諧振帶入較低頻率，激發(fā)新的諧振頻率，從表1看出新的諧振頻率在LTE 700頻帶上激增[11].因此本天線系統(tǒng)能夠覆蓋小尺寸接地板上的LTE的最低頻率，尤其是在至少0.13λ的接地板上，即 λ=700 MHz(接地板：55.9 mm)時(shí).

表1 天線主要參數(shù)值(mm)Table 1 Main parameters of antenna(mm)

另外天線的諧振頻率的值可由以下公式計(jì)算[12-13]：

其中λi是工作頻帶i上的共振波長(zhǎng)，Li和Wi是工作頻段上輻射表面的長(zhǎng)度和寬度，是基材的介電常數(shù).

2.2 天線設(shè)計(jì)

圖1 天線組裝圖Fig.1 The assembly of antenna

圖1示出了寬帶天線系統(tǒng)的組裝后造型，天線類似一個(gè)鯊魚(yú)鰭形狀(以下稱鯊魚(yú)鰭天線).該寬帶天線系統(tǒng)除了手機(jī)LTE和AM/FM天線，還在設(shè)計(jì)上為加入以下天線保留了空間：衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)(SDARS)天線，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)天線和數(shù)字音頻廣播(DAB)天線.寬帶天線系統(tǒng)本身被蓋子蓋住，可直接連接到車身.鯊魚(yú)鰭天線包括上部和下部?jī)蓚€(gè)天線模塊部分.上部天線模塊包括裝有輻射元件和導(dǎo)電元件的寬帶天線基板的第一部分，以及裝有衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)天線，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線的第一和第二附加基板，第一和第二DSRC V2X(車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間專用短距離通信)天線以及遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)天線.輻射元件、導(dǎo)電元件、第一DSRC V2X天線和遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入天線裝在基板的第一部分區(qū)域中；第二DSRC V2X天線裝在第一附加基板中，衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線裝在第二附加基板中.下部天線模塊包括用于裝備Wi-Fi/藍(lán)牙天線、數(shù)字音頻廣播天線接口、AM/FM天線接口和電視信號(hào)接口的第三附加基板.第三附加基板可簡(jiǎn)單助力于上部和下部天線模塊之間的支撐.此外，第三附加基板本身由基座支撐，基座可以用來(lái)固定到天線安裝車輛的車頂.這樣，鯊魚(yú)鰭天線成功將所有這些無(wú)線電通信服務(wù)集成在一個(gè)緊湊的設(shè)備里.

3 分析結(jié)果

本研究中獲得的仿真結(jié)果是基于使用時(shí)域有限差分法(FDTD)的電磁建模[14]，使用市售的電磁模擬器SEMCAD(Schmid＆Partner Engineering AG)測(cè)試，加以仿真軟件HFSS 14.0進(jìn)行仿真優(yōu)化和分析[15].

圖2 低頻區(qū)效率Fig.2 Efficiency at the low frequency area

圖3 平均增益Fig.3 Average gain

圖4 最大增益Fig.4 Maximum gain

圖2至圖4分別示出了寬帶天線系統(tǒng)仿真結(jié)果的效率，平均增益和最大增益的圖形.如圖2所示，天線系統(tǒng)在為700MHz到960MHz的低LTE頻帶，其效率大于-2dB，平均增益大于-1.5dBi，最大增益大于1dBi.因此，寬帶天線系統(tǒng)滿足包括較低4G頻帶(LTE 700/LTE 800)的用戶要求，具有良好的方向性和較小的功率損耗(高效率)，并具有比當(dāng)前通行的損失6dB的移動(dòng)電話天線更好的頻率響應(yīng).天線系統(tǒng)還覆蓋范圍從1400MHz到1500MHz的LTE頻帶，其效率大于-3dB，平均增益大于-3dBi，最大增益大于1dBi.寬帶天線系統(tǒng)提供的高效天線更在1700至2200MHz范圍的LTE頻帶上具有大于-2.5dB的平均效率，大于-2.5dBi的平均增益以及大于0dBi的最大增益，足以顯示天線系統(tǒng)的增益值滿足一般通信運(yùn)營(yíng)商所需的天線規(guī)格.而且，天線系統(tǒng)在2500MHz到2700MHz的范圍的LTE頻帶提供大于-2.5dB的效率，大于-2dBi的平均增益和大于3dB的最大增益.可見(jiàn)，寬帶天線系統(tǒng)在此范圍內(nèi)提供了非常高的指令和效率特性.

圖5 電壓駐波比(VSWR)Fig.5 Voltage standing wave ratio(VSWR)

圖6 阻抗Fig.6 Impedance

圖7 電壓駐波比比較Fig.7 The comparation of VSWRs

圖5至圖7分別示出了安裝后的寬帶天線系統(tǒng)的效果.圖5示出了提供對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的寬帶天線系統(tǒng)的電壓駐波比(VSWR)，天線系統(tǒng)在相對(duì)帶寬95%(700-960MHz，1600-2900MHz)時(shí)的 VSWR ＜ 2.5，即該天線在低頻區(qū)域提供良好的VSWR，在高頻區(qū)域提供寬帶特性.圖6以虛線示出傳統(tǒng)寬帶λ/4單極子的阻抗的實(shí)部，實(shí)線示出本寬帶天線系統(tǒng)的阻抗的實(shí)部.如圖所示，常規(guī)單極子的實(shí)部的值低于在較低頻率下的所需50歐姆.寬帶天線系統(tǒng)的導(dǎo)電元件有助于增加LTE較低頻率處的阻抗的實(shí)部，從而展開(kāi)這些頻率處的通信.因此，寬帶天線系統(tǒng)增加了天線的阻抗并產(chǎn)生雙倍頻率響應(yīng).圖7以虛線示出傳統(tǒng)寬帶λ/4單極子的VSWR測(cè)量，實(shí)線示出本寬帶天線系統(tǒng)的VSWR測(cè)量.如圖所示，新天線系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的寬帶單極子修正了諧振頻率位置，具備了進(jìn)一步擴(kuò)展后的工作頻帶.對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)減小阻抗的虛部的絕對(duì)量值以實(shí)現(xiàn)良好的VSWR結(jié)果.

圖8 不同角度下實(shí)施例Fig.8 Embodiments with different angles

圖9 實(shí)施例中的阻抗Fig.9 Impedances in the embodiments

圖8是寬帶天線系統(tǒng)的幾個(gè)實(shí)施例.其中輻射元件的第一角逐漸增大.該第一角使得通過(guò)輻射元件各邊的電流與接地板足夠分離，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能.輻射元件的第一角對(duì)天線系統(tǒng)的阻抗的實(shí)部有直接影響，為此，圖9示出了圖8中寬帶天線系統(tǒng)的阻抗.已知天線阻抗的實(shí)部與天線的效率直接相關(guān)，如阻抗的實(shí)部小于5Ω，則天線的效率將極低.如圖8所示，第一角必須小于156°，以便天線系統(tǒng)的阻抗的實(shí)部適用于提供理想的天線性能.

4 結(jié)論

現(xiàn)有的通信系統(tǒng)通常是單獨(dú)工作在幾個(gè)頻段內(nèi)，而在實(shí)際中人們往往希望設(shè)計(jì)出能夠覆蓋某通信系統(tǒng)所需求的全部帶寬的天線.以上設(shè)計(jì)的寬帶車載調(diào)頻發(fā)射天線即在簡(jiǎn)易印刷天線的基礎(chǔ)上，以巧妙的設(shè)計(jì)既保持了車型美觀，同時(shí)保持了帶寬和高增益，使得天線及載體得以結(jié)合.結(jié)果顯示，該天線具有良好的輻射性能，能夠覆蓋普通通信頻帶，整合度高且運(yùn)行穩(wěn)定，適用于車載移動(dòng)通信系統(tǒng).