3种射频通信天线的全方位仿真分析与研究

作者：郭军朝、王斌、张正刚、夏云

电动化、智能化、网联化、共享化是汽车的技术大趋势，而智能座舱是智能化、网联化的重要组成部分。智能座舱包含的技术信息含量很丰富，例如机械、电磁、软硬件、环境感知与识别等领域。本论文即是以某车型开发的智能座舱的影音域控制器为研究对象，运用基于有限元的射频仿真技术对控制器内的3个射频天线进行仿真分析，从天线结构、电磁特性参数等角度进行了深度研究与比较，为天线设计指明了方向。

随着人工智能和车联网技术的不断发展，汽车电动化、智能化、网联化、共享化成为汽车行业发展趋势，这将给人的生活与出行带来极大变革，汽车座舱形态、座舱功能、交互方式等也将发生巨大变化。因此，汽车智能座舱的设计成为未来汽车发展和创新的关键因素，也是打造差异化、吸引用户的重要因素。智能座舱是传统汽车产业演变为生态产业的切入口，可以衍生出各种新商业模式。

智能汽车座舱发展主要经历了四个阶段：包括电子座舱阶段、智能助理阶段、人机共驾阶段、第三生活空间。当前随着智能汽车在AI算法、智能驾驶上的不断发展进入了L3级自动驾驶的“人机共驾阶段”。在智能座舱的表现形式为该阶段包含对语音控制和手势控制技术突破，车内软硬件一体化聚合，实现车辆感知精细化，车辆可在上车-行驶-下车的整个用车周期中，为驾乘人主动提供场景化的服务，实现机器自主/半自主决策。AI座舱核心价值将表现为基于场景的主动化交互和服务，很多也被称之为SOA的智能车服务[1]。

智能座舱显示呈现3D、多屏化、大屏化及多样化布局趋势。在注重场景化交互的时代里面，座舱布局不再千篇一律。例如除传统中控仪表设计外，中控台联屏设计在2021年被多家主机厂所应用，从双联屏、三联屏甚至达到五联屏设计。此外，如控制屏、副驾驶娱乐屏、后排显示屏、透明A柱等新型显示屏出现在车上，也出现新的布局方式。2022年东风皓极车型的两联屏设计，这些新颖设计无疑为新车增添亮点。

整个智能座舱架构一般由3层模型构成，即底层、中间层、服务层。其中，底层是硬件层，包含摄像头，麦克风阵列，内嵌式存储器（磁盘）EMMC、内存DDR等。中间层是系统软件层，包含操作驾驶域系统驱动（Linux/QNX Drive）与座舱域系统驱动（Android DriveSPI）；中间层之上是功能软件层，包含与智能驾驶公用部分的感知软件，智能座舱自身域的感知软件，功能安全分析层。车机端的再向上层是服务层，包含启用摄像头人脸识别、自动语音识别、数据服务、场景网关、账号鉴权等[2]。

本文是以某车型智能座舱的车机为基础，硬件端口如图2所示，主要是以车内的3种射频通信天线为研究对象，从驻波比、S参数、三维远场增益等角度进行全方位仿真分析与研究，为设计人员深度理解车内无线通信、天线设计与布局、座舱内感知与融合技术，提供了指导。

图2 智能座舱内车机硬件端口

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天线基本理论

天线的作用是把传输结构的导波转换成自由空间波。随着智能化、网联化技术在汽车上的应用，车内短距无线通信、车外长距无线通信、车与星链广距无线通信功能使得不同频段的车载天线使用种类、数量日趋增多[3]。

具备智能化、网联化车辆一般都是通过无线系统与道路指示灯、前后方车辆、整车厂远程服务、云端安全、地表基站及卫星定位系统进行不间断实时通信。车辆V2X的物联网如图3所示，万物互联之间的无线通信与射频天线是息息相关的。

图3 车辆V2X与多领域的无线通信

例如收音FM/AM天线、GPS导航天线、5G天线、后风窗天线、北斗天线等传统天线；又如毫米波雷达阵列天线等与主动安全有关的天线阵列，如图4所示。

图4 车载多种类型天线

虽然车载天线种类很多，但依然有规律可寻，可按照车载天线电磁频谱分布的规律进行系统研究[4]。如图5所示，电磁频谱频率从左到右逐渐增大，对应工作频段的天线种类、形状也在改变。由此可对车载天线开展从低频到高频的有序的天线单体研究，进而开展车身+天线的联合仿真研究，还可开展车载多天线隔离度的研究。

图5 车载天线种类与电磁频率分布

最简单的天线即是电基本振子，又称电流元或者电偶极子，如图6所示，它是一段高频电流直导线，其长度dl＜＜波长λ，其截面半径a＜＜dl。导线上的电流处处等幅同相。这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础[5]。

图6 电基本阵子辐射场

电基本振子上的电流大小使用I表示，则矢量位A可以表示为：

在球坐标系下，由矢量位A可得辐射磁场H:

根据麦克斯韦方程，可得辐射电场E:

式中，E为电场强度，单位为V/m，H为磁场强度，单位是A/m；下标r、θ、ψ分别表示球坐标系的各个方向分量；ε0是自由空间介电常数，ε0=1×10-9/36π，单位是F/m；μ0是自由空间磁导率，μ0=4π×10-7，单位是H/m；k是自由空间相位常数，k=2π/λ=ω(μ0ε0)1/2,λ是自由空间波长[6]。

从设计、测试、仿真三个角度研究车载天线时，天线的参数非常多。一般工程常用的评价指标有驻波比、S参数、三维远场增益、E面增益、H面增益等。

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某车型智能座舱影音域控制器

以博世经典的五域分类拆分整车为动力域（安全）、底盘域（车辆运动）、座舱域/智能信息域（娱乐信息）、自动驾驶域（辅助驾驶）和车身域（车身电子）， 这五大域控制模块较为完备的集成了L3 及以上级别自动驾驶车辆的所有控制功能。

座舱域/智能信息域（娱乐信息）传统座舱域是由几个分散子系统或单独模块组成，这种架构无法支持多屏联动、多屏驾驶等复杂电子座舱功能，因此催生出座舱域控制器这种域集中式的计算平台。座舱域控制器（DCU）通过以太网/MOST/CAN，实现抬头显示、仪表盘、导航等部件的融合，不仅具有传统座舱电子部件，还进一步整合智能驾驶 ADAS 系统和车联网 V2X 系统，从而进一步优化智能驾驶、车载互联、信息娱乐等功能[7]。

本论文是以现开发某车型智能座舱中的影音域控制器为研究对象，影音域控制器与IP横梁、天线罩、编号2和3的射频天线、编号4的射频天线，分别如图7 a、b、c、d所示。

a 影音域控制器与IP横梁

b 影音域控制器上壳的天线罩

c 隐藏天线罩罩后的2个射频天线

d 隐藏侧面塑料件后的1个射频天线

图7 某车型影音域控制器实车布置

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射频天线结构

倒F天线就像是一个倒着写的F一样，两个脚，一个是馈点，一个是短路点。倒F天线由金属线辐射体换成金属板，这样可以展宽频宽。PIFA天线在其结构中已经包含有接地金属面，可以降低对模块中接地金属面的敏感度，所以非常适合用在车机内短距无线通信，手机蓝牙模块装置等场合[8]。

本文所述智能座舱影音域控制器的射频天线有3个，具体结构及周围环境件如表1所示。分析三种天线的特点可得都是平面倒F天线的变形。

表1 三款射频天线

 

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射频天线仿真建模

运用Ansys公司的HFSS模块仿真分析射频天线，需要对天线、基材、控制器壳体、介质分别设置相关的材料，并对金属设置相关的理想导体边界条件，施加激励边界条件、创建相关的三维空间计算域[9]。

本文影音域控制器中的三个天线的边界条件、计算域如表2所示，为减少计算量，本文对影音域控制器的壳体仅取了部分区域进行计算。

表2 三款射频天线边界及周围计算域

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射频天线辐射特性分析

射频天线的电磁辐射参数很多，例如驻波比、S参数、三维远场增益等。其中，驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

天线S参数的理解：1）S11 是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。此参数表示天线的发射效率好不好，数值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。2）波不通过传输线，直接在天线馈电处对天线进行激励，在仿真软件中，一般天线馈电处采用端口激励，此处认为端口已匹配好，若在该端口监测到反射波，那么这个反射波也不是由于该端口处没有匹配好造成的，而是在波传播方向上天线阻抗不匹配以及环境的反射所致。3）波通过传输线，连接天线，通过激励传输线的端口，进而将波的能量通过传输线输送给天线，通过天线将电磁波辐射出去。

增益是指在输入功率相等条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率密度和理想的无方向性天线在同一点处的功率密度（或场强振幅的平方值）之比。天线效率是指天线辐射功率与输入到天线的总功率之比。增益是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向性系数与天线效率的乘积[10]。

本论文仿真研究得到的三个射频天线驻波比参数、远场辐射增益的比较如表3所示。

表3 三个射频天线的驻波比、远场辐射增益分析

 

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天线参数比较分析

为横向比较三个射频天线的不同，本文详细分析射频天线的参数，例如最大辐射强度、方向性系数、最大增益、最大实际与系统增益、辐射功率、净输入功率、输入功率、辐射效率、前后向轴比、延迟因子等参数[11]。

本文研究的三个射频天线的参数如表4所示，表中5列分别是变量、参数解释，天线1工作2.45GHz时的最大辐射强度、方向性系数、增益与功率及效率，天线2工作在2.45GHz时对应的参数，天线3工作在2.45GHz时对应的天线参数。

表4 三种天线在2.45GHz时的多参数的比较

天线形状不同使得天线的工作频段也不同，也影响着驻波比的大小及S参数。一般是希望S参数波谷点与天线工作频点相对应，驻波比参数一般在2～5范围之内[12]。本文研究的三个射频天线的驻波比、S参数分析如表5所示。

表5 三个射频天线的驻波比与s参数比较

 

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结论

本论文首先简要介绍汽车智能化核心组成-智能座舱的构成与功能，进而引出无线通信技术在智能座舱中的应用是日趋广泛的，并且从电磁频谱角度阐述天线在汽车开发中的应用。其次详细描述射频技术在车机中的应用，梳理总结如下：

本论文运用Ansys公司基于有限元原理的HFSS模块，对在研车型的智能驾驶座舱的影音域控制器内射频天线进行电磁仿真分析与研究，并且仔细对比了三个天线的电磁辐射特性。

从工作频率角度分析，建议调整射频天线1设计方案，使天线谐振频率从2.7GHz变为2.45GHz；从驻波比角度分析，建议对射频天线2进行设计方案修改，使得其驻波比在2以下；从最大辐射场强、辐射效率角度分析，射频天线3设计方案是比较合理的。

本文在仿真三款射频天线时，未考虑同轴线束、锡焊接地点等细节对阻抗的影响，今后采取措施使得天线输入阻抗在合理范围内是后续工作研究的重点。

审核编辑：郭婷