汽車鯊魚鰭天線的改良設計

王玉麟 曾雨晨 唐振海

摘 要：魚鰭型汽車天線充分利用電子的特性，將靜電電子引導到鯊魚鰭天線的頂端釋放，不管鯊魚鰭天線安裝在汽車的什么位置，都可以減少靜電作用。本設計采用仿真軟件和天線參數優化設計，提高增益，降低噪聲系數，減少回波損耗。并根據汽車空氣動力學仿真分析和風洞試驗，設計了鯊魚鰭的形狀，以改變車輛尾部氣流，減少車輛運行時的空氣阻力。

關鍵詞：汽車天線；魚鰭外形；減少氣阻；增強信號

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.016

1 汽車天線的發展背景

汽車的設計，生產和服務不斷演變并不斷完善以滿足人們多樣化，個性化，綜合化的需求，在消費者日益增長的需求下，汽車收音機，導航GPS，車載雷達等功能配置也越來越多地被提及，對于這些功能，作為構建這些設備的核心組件，汽車天線的研究也越來越重要。

2 傳統天線與鯊魚鰭天線的優缺點

傳統天線缺點：天線太長，不僅影響美觀，而且還會增加汽車在行駛過程中的風阻，同時當你行駛過隧道或是一些比較低矮的地方時，就有可能會觸碰到。優點：在一些比較偏遠的地方，比如一些山區里，接收信號效果也會很不錯。

鯊魚鰭天線的優點：鯊魚鰭型汽車天線具有非常時尚、炫酷、靈動的外觀。能夠通過加裝鯊魚鰭天線達到減小汽車行駛阻力的作用，天線的功能滿足收音機系統的工作。缺點：其接收信號的能力并不如傳統的天線強。

3 天線的設計

3.1 蛇形結構天線設計

鯊魚鰭天線的內部空間比較小，為了盡量滿足天線的長度，我們需要減小偶極天線的水平尺寸。采用雙偶極天線的兩臂彎曲變形，以減小天線的橫向尺寸。從圖1可以看出，偶極子彎曲結構的參數如下：彎折臂深度h，臂寬d橫向相鄰彎曲臂間距d，線直徑w，線徑w對天線的阻抗影響最小一般為w = 1.0，mm。

3.2 介質基片材料的選擇

由于低成本印刷天線生產要求，選擇FR4材料介質襯底，其廉價，加工簡單，可以使用PCB技術天線，然后考慮介質的厚度，微帶貼片天線通常需要介質厚度滿足h < 0.01A。一般的小型天線底部材料選擇的厚度在0.5mm，根據實際的應用要求，稍微加一點材料厚度，能夠達到增益的提高和寬度的增加，增加的厚度又不能太大，不然會影響表面的波形，進而會影響天線的輻射系統。根據上面分析，選擇做基體材料為FR4，其介電常數ε=4.8，厚度我們選取為h=0.1mm，損耗正切角tgδ=0.018，通過公式計算，并初步設計參數。

初步設計的參數有單邊臂長（L）為30mm，線寬（w）為1mm，彎折臂的彎折深度（h）為80mm-100mm，彎折臂間距（s）為1mm，單邊彎折次數（n）為16，銅箔的厚度（d）為0.1mm。

最終通過仿真軟件FHSS計算分析確定最終尺寸參數。

單邊臂長（L）為29mm，線寬（w）為1mm，彎折臂的彎折深度（h）為75mm-95mm，彎折臂間距（s）為0.8mm，單邊彎折次數（n）為16，銅箔的厚度（d）為0.1mm。根據確定的數據尺寸確定的模型結構如圖1所示。

3.3 仿真結果分析

通過仿真的結果如圖2，我們得到駐波比與頻率的曲線關系，其最低點為88.5MHz處，在此處的駐波比值是1.5，所得的最低值符合我們設計的要求。

而從回波損耗與頻率的關系曲線如圖3所示，我們得到天線的接收頻率在102MHz的位置，回波損耗的值為-1.62dB。汽車結構的不同，安裝在車上的天線頻率會受到一定的影響，根據結構的影響不同，通常情況下頻率點會向低一點的位置移動， 到達88MHz-108MHz的中心位置（98MHz），此數值滿足設計要求。

最后我們得到一個三維天線增益圖案，三維圖像顯得不是很方便，因此我們把三維圖像進行剖面，得到二位維更能直觀的描述輻射特性。在圖4上我們得到了水平方向的增益可以有效的到達3.20dB，處于垂直位置增益也有1.80dB以上，和需要設計的天線增益一樣，滿足了設計要求。

4 鯊魚鰭外殼的設計

4.1 風洞實驗

應用仿真技術并通過風洞試驗，對安裝初始鯊魚鰭結構的車模形進行車表外氣流場計算，實驗結果顯示空氣阻力系數Cd為0.3078，而原車的氣動阻力系數為0.3198，比較之下明顯發現氣動阻力降低了。

主要是汽車尾部由原來的成熟發展的2個反螺旋渦減少為1個成熟發展的反螺旋渦和1個沒有成熟發展小反螺旋渦，并且發現渦流的直徑得到了減小，從而實現能量消耗降低；螺旋渦的個數的減少，同樣起了能耗降低的作用。

4.2 優化結果分析

通過優化設計后，采用優化后的參數車模進行分析實驗，對比優化前后車身尾部反螺旋渦，從中發現由原來的1個不成熟發展的有渦核的螺旋渦，改變為1個沒有渦核的螺旋渦，使氣阻對能量消耗進一步減小；優化后的渦流渦核中心更高了， 結果表明，汽車下部氣流平穩，所以車身背面的渦流更小，優化結果最終體現在車輛空氣動力阻力系數從優化前的0.3078減小到0.3036。與原車相比，總減阻率為5.05%。

通過優化結果得到最終模型參數長度（L）為163mm，前端高度（a）為10mm，后端高度（b）為72mm，后端寬度（c）為86mm。

5 結論

本文按汽車天線發展較高要求，設計改良出新型的天線，滿足了尺寸小、頻帶寬、增益高的特性。

參考文獻：

[1]王明浩.汽車FM天線低噪聲放大器的設計[D].大連海事大學，2015.

[2]吳鵬飛.型化隱蔽汽車天線的應用研究[D].安徽：安徽工程大學碩士學位論文，2011.

本文來源于2017年廣西科技大學自治區級大學生創新創業訓練計劃項目“汽車鯊魚鰭天線的改良設計”項目編號：201710594226成果。

作者簡介：王玉麟（1994-），男，廣西桂平人，創新訓練小組成員，研究方向：汽車服務工程。