天線設計的基礎知識

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

現(xiàn)代車輛能夠提供一系列令人眼花繚亂的駕駛員安全性、舒適性和信息娛樂等功能，其中許多都依賴于無線連接。集成有天線預認證無線的模塊產(chǎn)品非常受市場歡迎，但它們卻不能為某些特定應用提供可行的選擇方案。當工程團隊需要將天線作為設計的一部分時，市場存在哪些選項？本文將討論這些問題。為了幫助讀者，我們在本文中也涵蓋了天線設計的基礎知識，并幫助解釋選擇天線時可能遇到的一些術語。本文還將重點介紹安裝在車輛外部的天線，例如用于 ADAS、GPS、V2X，以及安裝在 ECU 或信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)部的天線，其目的是實現(xiàn)車載 Wi-Fi 和藍牙連接。

連接性和當代汽車

從1970 年代使用的簡單伸縮天線開始，汽車天線已經(jīng)走過了很長的發(fā)展過程。早期階段，在信息娛樂系統(tǒng)出現(xiàn)之前，我們需要天線的唯一目的是用于汽車收音機。而今，越來越多的功能需要天線。信息娛樂系統(tǒng)可單獨承載收音機、導航系統(tǒng)以及與智能手機的無線連接；高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的某些方面還需要與其他基于云的服務進行無線連接，以便查閱交通路線，實現(xiàn)更復雜的車對車 (V2V/C2C) 和車對基礎設施 (V2X/C2X)通信功能。在車內(nèi)，無線通信用于提供Wi-Fi，為乘客提供便利以及實現(xiàn)不同功能之間的通信，例如，可用于車門后視鏡中盲點檢測指示器。

現(xiàn)在已經(jīng)是汽車互連時代，不起眼的天線卻發(fā)揮著重要作用，能夠為車內(nèi)和車外服務提供可靠且靈活的無線通信。

選擇合適的天線需要充分了解應用需求，其中工作頻率是基本參數(shù)。當今的車載收音機調(diào)諧器很少有中波（530?～?1,700 kHz）或長波（150?～250 kHz）頻段選項，而甚高頻 (VHF) 調(diào)頻 (FM) 廣播電臺（80?～108 MHz）則最受歡迎。英國數(shù)字音頻廣播 (DAB)等更高質(zhì)量數(shù)字廣播已經(jīng)開始出現(xiàn)，它們使用 175?～240 MHz 頻譜。

除了無線電廣播，其它主要的無線頻率范圍包括 Wi-Fi 和藍牙 - 2.4 GHz、GNSS - 1.1 ～ 1.6 GHz，以及手機 - 700 MHz、850 MHz 和 1,700 ～ 2,100 MHz。此外，5G 蜂窩通信在之前的基礎上增加了 6 GHz。大多數(shù) V2X/V2V 應用使用以 5.9 GHz 為中心的蜂窩通信方法。

天線類型

天線大致分為外部天線和內(nèi)部天線兩大類別。

外部天線通常安裝在車頂后方，以最大限度地減少來自發(fā)動機的電氣干擾。除了天線的電氣特性（將在下一節(jié)介紹）之外，保護天線免受濕氣、灰塵和其他污染物進入也至關重要。國際 IP 標準定義了入口的保護。天線由于暴露在惡劣的天氣條件下，需要在潮濕、結冰或遭受強風等情況下可靠運行。許多外部天線封裝在“鯊魚鰭”式塑料外殼內(nèi)，以滿足車輛美學和環(huán)境條件要求。天線外殼為流線型，材質(zhì)也可噴涂為車輛顏色。其他外部天線包括“圓盤”式裝置，通常能夠以磁性方式附著在車身上。許多外部天線將多個天線組合在同一個外殼內(nèi)，但都采用單獨布線，例如GNSS、蜂窩/5G 和 V2X/V2C等天線。

內(nèi)部天線則比較多樣化，通常可安裝在 PCB 上或蝕刻為 PCB 金屬線跡。一些內(nèi)置天線設計安裝在所連接系統(tǒng)的外部，并且通常隨附一個自粘安裝墊和一條連接到嵌入式系統(tǒng)的同軸電纜。

天線基礎知識

在為您的應用選擇天線時，需要考慮幾個關鍵參數(shù)。天線的性能包括幾個不同的屬性，可確保將射頻能量從發(fā)射器以最有效的方式傳輸?shù)教炀€，之后輻射到自由空間。發(fā)射器的信號輸出是沿傳輸線（例如同軸電纜）發(fā)送到天線。同樣，接收到的信號也需要被天線有效地拾取并傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。天線是最簡單形式的一段電線，其長度由所需要的工作頻率決定。當天線的長度等于發(fā)射或接收信號的波長時，天線就會發(fā)生諧振。例如，頻率為 2.4GHz時的波長為 12.5cm。

在大多數(shù)情況下，天線的效率僅限于較窄的頻率范圍。天線能夠以多種不同方式構建，其中最簡單的是偶極子。偶極子通常是根據(jù)它們的工作波長來描述，即全波或半波偶極子等。

為了幫助選擇和閱讀天線數(shù)據(jù)表，以下是可能遇到的一些關鍵參數(shù)簡要說明：

回波損耗：該術語表示天線與發(fā)射器的輸出部分和傳輸線的匹配程度。回波損耗以 dB 表示，表示由于不匹配而從天線和傳輸線反射發(fā)射器輸出信號的多少。大多數(shù)天線的阻抗為 50歐姆，因此它們需要與傳輸線和發(fā)射器末級相匹配。回波損耗以 dB 為單位，其值越高，反射功率越小。完美匹配會導致幾乎無限（infinite）的回波損耗。另一種測量回波損耗的方法是使用電壓駐波比 (VSWR)，VSWR 表示發(fā)射器輸出功率與反射功率量之間的比率，完美的匹配可表示為 VSWR 1（也就是 1:1）。VSWR 或回波損耗參數(shù)都會在特定頻率或工作窄帶頻譜的天線數(shù)據(jù)表中指明。

VSWR 為 2 時表示回波損耗為 10dB，這些指標可用作設計要達到的最佳實踐基準。

數(shù)據(jù)表通常包括天線 VSWR 和回波損耗性能與頻率的關系圖。圖 1 說明了 PulseLarsen 天線的 VSWR 圖表，其最佳工作頻率范圍為用于蜂窩或 ISM 通信的 650?～?880 MHz。

圖 1：PulseLarsen 薄型天線 ICEFIN 系列的 VSWR 圖表。（來源：PulseLarsen）

輻射方向圖和天線增益：圖 2 重點顯示了PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射方向圖特性。一些天線的結構使其在某些方向上比其他方向能夠更有效地輻射射頻能量。有時一個天線會出現(xiàn)某個特定增益，在給定方向上的輻射功率量大于天線的輸入功率。全向輻射圖被認為是大多數(shù)實際應用的理想選擇，并且平面特性（垂直/仰角或水平）對于某些應用至關重要。請注意，天線特性中接收性能和發(fā)射性能同樣重要。

圖 2：PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射特性。（來源：PulseLarsen）

阻抗匹配：如前所述，大多數(shù)天線提供 50 歐姆的阻抗。天線需要與發(fā)射器和傳輸線的輸出阻抗相匹配。對于一根同軸電纜，其阻抗對于外部天線來說是匹配的，但如果您必須添加電纜，則必須同樣與天線的阻抗相匹配。對于 PCB 天線，可能需要在收發(fā)器 IC 和印刷或表面安裝天線之間創(chuàng)建一個匹配電路，該電路通常由電感器和電容器組成，其阻抗隨頻率變化。天線的阻抗和回波損耗/VSWR 特性可使用一種稱為矢量網(wǎng)絡分析儀 (VNA) 的專業(yè)測試工具進行測量，矢量網(wǎng)絡分析儀可作為獨立儀器使用，或集成到高端射頻頻譜分析儀中一起使用。

矢量網(wǎng)絡分析儀通常包含許多帶有圖形顯示的測試功能，例如 VSWR、回波損耗和阻抗等。天線阻抗通常顯示為史密斯圓圖（Smith chart），請參見圖 3。

圖 3：Taoglas MA310 GNSS 天線的阻抗史密斯圓圖。（來源 ：Taoglas）

簡而言之，圖表的中心線（紅色）是電阻阻抗。在上方，它是電感性，在下方，為電容性。右邊是開路情況，左邊是短路情況。綠色曲線突出顯示了天線阻抗隨頻率的變化。紅線上的 1.0 位置表示天線阻抗的完美匹配。

示例天線

Taoglas Raptor 3是一個外部安裝“鯊魚鰭”型IP67 級天線示例。該天線適用于汽車和商用車等應用，并可把多個天線集成在一個封裝中，可提供 GNSS、4G/5G 蜂窩 MIMO、雙頻 Wi-FI、有源 AM/FM 天線和 TETRA（集群無線電）。

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對于 GNSS 應用，內(nèi)部安裝的嵌入貼片式Taoglas GPDF357?支持所有 GPS 和伽利略頻段，并可提供良好的增益和全向功能。此外，該緊湊型天線適用于智能農(nóng)業(yè)和公共安全領域的一系列高精度定位應用。

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另一種多頻段天線是外部安裝的 4 合 1?Taoglas MA354?，這種扁平緊湊型 IP65 級天線具有集成的磁性安裝座，可在車輛上快速免鉆孔安裝。五個內(nèi)置天線支持雙頻 Wi-Fi、兼容3G/2G的4G/5G和GNSS。

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另一種外部安裝的 IP67 級多頻天線是?PulseLarsen IceFin系列。該系列能夠提供的天線工作頻率范圍是 698?～?6000MHz。

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PulseLarsen 還提供一系列天線套件，包含用于原型設計和開發(fā)目的各種嵌入式、內(nèi)部和外部天線。該套件可提供三個版本：工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 天線套件、LoRa 天線套件和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。其中一個例子是物聯(lián)網(wǎng)天線套件，它包含 26 種不同的天線，適用于各種采用雙頻 Wi-Fi、蜂窩和 GNSS 連接的物聯(lián)網(wǎng)應用，天線類型包括陶瓷、螺旋（helical）、PCB、棒型和刀片變體型等等。

可靠連接需要合適的天線

在本文中，我們總結了能夠幫助您進行天線選擇的基本信息，其中也介紹了一些流行的天線類型，并舉例說明了一些示例。為了幫助理解數(shù)據(jù)表信息，我們還簡要討論了一些需要注意的重要天線參數(shù)，這些或許能幫助您針對具體應用選擇適合的天線。
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