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      智能網聯車載天線性能開發驗證淺析
      2020-11-20
        首先說一下車載天線,這里面有個關鍵詞就是“車載”,有一種說法就是我們的車輛現在是一個跑在路上的手機或者說終端,從天線的角度我個人覺得描述得不是非常準確。車載天線相對于手機天線可能沒有手機天線那么高的小型化的要求,但是它相對于手機天線有自主的難點,覺得主要是兩塊。第一塊是它的一些功能應用和場景需求更復雜,比如說它有天上的衛星通訊,有和電臺、基站的通訊,再到和基礎設施,人、車之間的通訊,以及用戶車內、車外感知的交互,它的通訊內容和場景需求非常多。第二個難點,車載之后天線是裝在車上的,會隨著車的運行以及工作情況的環境跟車一致,所以它會處在非常眼庫的環境,震動、運動,機械的,然后非常復雜的電子,車載天線就處在車載這個環境下面,它的性能要求也是非常高的。

        現在大家看的比較多的天線是12級天線,車外做好的天線不是非常多,好的天線在車內?,F在車身級基本還是鋼結構,可以說這些車內天線處在鋼結構的環境下工作的,環境也是比較惡劣的。這個圖是說現在車上的天線越來越多,包括我們剛才說的各種場景。

        簡單把車載天線用一個坐標軸體現,橫坐標是頻率,做EMC或者做射頻比較關注的是頻率。縱坐標是車載天線發展的應用階段,早期的車是收音電臺的應用,后面有移動通訊的應用需求,我把導航等需求方在這個階段。再往后有娛樂交互應用需求,再往后有車身舒適性的應用階段,這個時候主要是4G,胎壓監測,比如說無線充電,儀表傳感器放在這個地方,現在目前比較熱的智能網聯階段,EWB做定位,ETC做前裝的開發需求,然后自動駕駛雷達的應用,現在還有NFC的應用在這個范圍內。總體上看到車載天線應用的頻段越來越寬,大概從100K到100G的范圍,它應用的內容越來越多,也就是現階段車上車載天線這么一個情況。

        前面說了這么一個大概的車上天線的應用情況,這個地方是把我們企業的一些典型車載無線電收發零件、系統列了一個表在這里。比如動力電池,按照頻率從低到高,比如動力電池的無線充電,125K的應用,像無鑰匙進入,鑰匙低頻的應,手機無線充電的應用。然后是收音電臺的AM、FM、DAB,然后是43鑰匙的高頻,433的TPNS,然后是移動通信1G、2G、3G、4G、5G的頻段,然后下面是導航定位GNSS的頻段,然后是wifi是DT的,包括wifi的5G頻段,然后UWB的定位,然后UTC的,然后V2X,以及車載雷達的,還有4G,這些天線會涉及到一些系統零件,右邊這一列是說它涉及到哪些系統零部件,可能每家車企表現形式稍微有一點差別。

        前面說了車上有這么多的天線,我們是不是可以做一個總結概括,就是這些天線看上去各個需求都不一樣,平臺也不一樣,應用也不一樣。我們簡單概括一下車上的天線是怎么樣的情況,這個大框,我們車上的天線可以是單零件,也可以是多零件組成的系統,這是目前的狀態。下面綠框,首先我們肯定有天線和收發機,這兩個是實的綠框。中間兩個虛的綠框根據需求,你的實際零件的天線如果有匹配的需求,會增加一些匹配。再中間如果是有天線的,肯定需要有放大器,這里面把濾波放大,這個濾波可以根據你實際的需求,是增加濾波,或者做一些調整,放大的話也可以根據你的需求做一些放大的需求。收發機這一頭不同天線根據應用需求可以緊收,也可以是緊發,也可以收發都有。所以車載天線形式總結一下就是這么一個表現形態。

        下面說一下零件級的開發和驗證,這邊是一個流程,零件級的車載天線怎么做開發和驗證。第一步要明確開發的需求,需求主要是頻率范圍,零件有多大的尺寸可以做設計,然后這個天線是全向天線還是定向天線,方向性的要求,然后射頻性能的指標要求,基于這些需求來選擇特定的天線形式。這里的天線形式可以有很多種,常規見到的是一些個PCB板載天線,還有GPS經常用的陶瓷天線,還有螺旋天線,也有PCB的螺旋天線,還有桿天線,還有玻璃天線,還有放在零件內部用一種軟膜貼片技術的,各種天線形式都可以根據你的要求選擇合適的做設計。

        選擇天線之后怎么做設計?天線的設計肯定是要靠仿真實現的,天線仿真精度的確比電磁兼容仿真的精度高很多。第一步我們要做仿真設計,仿真設計的點涉及到諧振頻率、特性阻抗、駐波、增益,如果你是單天線,別人是多個天線,你要考慮隔離度,隔離度設計是否達到要求。基于這些仿真設計出來的方案之后,下面就是做一個原型調試,可以是一個簡單的模型上做一些銅模貼片,再做實體的測試驗證,基于原型調試,調試完之后,基于原型調試的方案再做最終的制板打樣,制板打樣包括天線端的,低噪放的設置,基于這些制板打樣。制板打樣回來之后做車載級零件的一些測試驗證,包括常規的EMC、環境、可靠性、材料,這些是必須要做的。對于天線的零件必須要做天線的性能,以及硬件的性能是不是能達到前面提到的射頻指標的要求。

        重點說一下仿真設計以及后面的測試驗證,仿真設計說一下仿真的方法,主要是看左上角駐波的仿真結果,左下角是有隔離度的仿真結果,中間是二維的增益仿真結果,右上角是三維的方向圖,基于駐波、增益、方向圖、隔離度這些指標來和目標做匹配,看看天線單體設計是不是達到零件級單體的要求。

        天線零件出來之后做測試驗證,關于測試驗證我分了兩大類,第一大類是研發測試,第二大類是無線電收發的認證測試。研發測試里面包括兩大塊,第一塊是天線性能的測試,包括增益、效率、駐波、隔離度、方向圖等等。低噪放硬件測試,包括增益、駐波比、帶外抑制、特性阻抗、噪聲電平系數,AGC動態范圍,還要關注一下二階三階互調產物。對認證測試主要分四大塊,第一塊是RF的認證測試要求,第二是電磁兼容的認證測試要求,第三是健康的,第四塊是安全的。安全主要是一些帶寬類的測試要求,功率類、靈敏度測試要求,以及帶外、雜散、鄰道、阻塞、互調的、自適應測試要求。EMC主要是發射測試和抗擾測試。健康主要是電磁場暴露,安全主要是起火和燙傷的風險,以及電池的天線零件的安全要求。

        這邊有幾張照片,左上角是天線零件的增益測試場地,左上角的場地是接收天線或者發射天線在遠端,被測天線在轉臺,這個轉臺兩個軸向可以調節,橫向可以360度轉,縱向可以360度轉,這樣可以實現天線360度增益、方向圖的測試。下面是常規的大家經常看到的多探頭的,我們直接把被測部置于多探頭的中心,通過多探頭測天線3D的增益、方向圖,這是目前天線里經常采用的兩種方式。

        下面是整車級的,首先說一下為什么要做整車級的性能儲備和驗證。這里有一個圖,我們是不是簡單理解天線單體,我再關注整車本身的,把兩個做一個疊加,是不是知道天線裝到整車之后天線的性能表現是什么樣子,這個其實是要打一個問號的,會受各種環境的影響,我們也仿真測試,結果還是會有比較大的差別。所以我們要做整車級的性能匹配和驗證。

        同樣,我們整車級主要關注點就是增益方向圖的分析,我們首先要出整車的模型,這個整車模型會做一些簡報,保證大體的模型不差。天線周圍的模型是必須要的,影響天線性能的要比較完整的。天線上了整車之后,方向圖的仿真結果主要關注的是增益,包括最大、最小和平均增益,右側是3D的結果。

        再說一下整車級的測試,最大的問題主要一個是太重,前面天線的場地做整車級的測試基本不可能實現。第二個它不可能支撐在原型廠的中間,它需求的頻率段非常寬,你如果想滿足整車前面提的所有關注頻率段的性能,這個場地是一個多種測試場地高度融合的方案。

        這里面說一下有哪些場地的形式,第一種是我們常說的直接測量法里面的傳統遠場,隔著遠場測天線上整車之后它的增益結果,這地方是必須要達到遠場的條件。包括室內的遠場,也包括室外的遠場。第二,通過個緊縮場的形式,通過反射面來實現遠場條件,就是通過發射面,可以是單反射面,也可以是多反射面緊縮場的形式直接測量遠場的方式。第二塊是間接測量法,可以是單探頭或者多探頭,按照測試場地的形式可以是一個平面近場,也可以是柱面近場,也可以是一個球面近場,不同的測量場地是不同的形式。通過近遠場算法來實現得到關注遠場的測量結果。

        車上的需求非常多,靠一種場地來實現這么多頻段,從低頻段,我們從FM開始70多兆,一直到雷達80G,靠一種場地實現非常困難,需要多種場地融合。現在也看到復合場地,比如多探頭近場和遠場的融合,各種融合的形式,也可以是多種場地做分開的形式。右邊是示意圖,這是一個效果圖。

        我們也會在一些實際場地做相關的測試驗證,左上角是一個室外遠場,被測物擱在轉臺上,被測天線在隔著30米的地方,是室外遠場的測試,可以測一定遠場的2D方向圖。左下角是單探頭的進場的測試場地,這個探頭是通過遙地形式實現3D的測試,中間是多探頭的探頭孔的測試場地,來實現整車的天線增益測試結果。除了天線增益的測試以外,我們也會關注車上這些天線處于通訊狀態的情況下我們來驗證它的EMC性能是不是能夠達到我們的要求,我們也會在EMC場地實現天線通訊的狀態來驗證它的天線性能在EMC的條件下是不是可以。

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