汽車通信系統中的超寬帶MIMO天線設計與仿真

劉冰冰，楊　兵，王　艷，李凌云

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

0　引言

隨著無線通信技術快速地發展，現代汽車中都裝備了很多信息和通信設備，這些設備能為汽車駕駛員提供先進的信息服務[1]。為了滿足客戶的需求，提升產品的競爭力，汽車制造商開始把更多的注意力放在無線移動通信應用系統中[2]。然而，高速行駛的汽車受到多徑衰落的影響[3]，會出現通信的質量的下降。為了有效地減少多徑衰落和實現高速率數據傳輸，超寬帶(UWB)無線通信和多輸入多輸出(MIMO)技術[4]已經開始被建議應用于汽車通信系統中[5]。此外，在汽車車內部署超寬帶無線通信系統，能用無線的方式取代傳統電纜的方式來為車內的移動設備提供通信服務，這樣可以顯著降低布線的成本[6]。

作為UWB無線通信系統中必不可少的一部分，PCB天線由于能很好地在PCB板上與其他射頻和微波電路集成在一起而成為當前的一個研究熱點。與其他在自由空間進行無線通信的應用相比，汽車通信系統需要考慮天線安置環境對其性能的影響。近年來對汽車通信系統中PCB天線的主要研究工作有：文獻[7]中設計了一種應用于汽車通信系統中的超寬帶PCB天線；文獻[8]中設計了一種集成藍牙具有雙陷波特性的超寬帶PCB天線，然而，其設計的MIMO天線并沒有研究天線安置環境對其性能的影響。

本文在文獻[8]的基礎上研究了實際安置環境對MIMO天線性能的影響，通過CST軟件仿真[9]，驗證了該MIMO天線能夠很好地應用于汽車通信系統。

1　汽車通信系統中MIMO天線設計

本文采用文獻[8]中設計的MIMO天線作為汽車通信系統中超寬帶天線[10]，其結構如圖1所示。此天線由一個地、4個樁型線和一個U型輻射體組成[11]。它的工作頻率為2.39～ 2.49 GHz和3.11～11.4 GH，這2個頻段分別對應藍牙和超寬帶通信頻段，該天線對上行WLAN和下行WLAN頻段具有雙陷波特性。該天線印刷在介電常數為4.4、功率損耗因子為0.02的FR4板上，單個天線的尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm，MIMO天線的尺寸為60 mm×30 mm×1.6 mm。單個天線的具體尺寸如圖2所示，具體尺寸如表1所示[12]。

圖1　MIMO天線結構

表1天線尺寸參數表

參數值/mmL30Wf3L111．25L40．6Ln11．5s21．0Ws113．0Ws24．0Ls46．6參數值/mmW30Lf14．25L22．75Lr2．0Wn9．0LS118．9Ws120．5Ls36．75Ws41．0參數值/mmLg13s2L33．5Wr3．5s11．75LS128．9Ls210．3Ws31．5

圖2　單個天線結構

2　模擬安置環境條件下MIMO天線的仿真

汽車通信系統中PCB天線的性能與安置環境有很大的關系[13]。通常天線安裝在車頂上或者跟汽車其他電子元器件集成在一起。根據實際情況，本文采用了文獻[8]中的安置仿真模型，并用CST仿真軟件對MIMO天線的性能進行了仿真，仿真環境模型如圖3所示[14]。其中，圖3(a)描述了汽車通信系統中的MIMO天線安置環境中的情景一，即天線安裝在距離金屬板正上方10 mm處；圖3(b)描述了汽車通信系統中的MIMO天線安置環境的情景二，即天線安裝在距離金屬板側面25 mm處。本文的安置環境忽略了汽車上的非金屬材料對通信的影響，只考慮了汽車的金屬板對通信的影響[15]。

圖3　汽車通信系統中天線安置環境仿真模型

通過CST軟件對MIMO天線在汽車通信系統中天線的帶寬性能進行了仿真實驗，仿真結果如圖4所示。參數S11、S22分別代表天線1和天線2的匹配性能，參數S21、S12分別代表天線1和天線2的隔離度。當參數S11、S22<-10 dB時，代表天線的工作頻段；當參數S11、S22>-10 dB時，代表著帶隙頻段。由圖4 (a)和(d)可得，天線安置環境對其匹配性能的影響如表2和表3所示。

由圖4(b)和(c)可得，在情景一、情景二和自由空間3種情景中，天線1和天線2的隔離度>15 dB，能很好地符合MIMO系統對隔離度的要求。由以上仿真實驗結果表明，汽車通信系統中天線安置環境對天線1和天線2的匹配性能以及它們之間的隔離度影響都不大。這個結論表明該MIMO天線很好地用于汽車通信中。

圖4　汽車通信系統中天線安置環境對S參數的影響

表23種情景天線匹配性能S11比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．26～2．443．02～12．004．89～5．435．65～5．96情景二2．20～2．413．44～11．345．18～5．425．70～5．93自由空間2．30～2．493．09～11．375．07～5．435．67～5．95

表33種情景天線匹配性能S22比較

情景工作頻率/GHz低帶隙頻段/GHz高帶隙頻段/GHz情景一2．38～2．483．01～12．004．80～5．435．61～5．96情景二2．36～2．482．99～12．004．68～5．445．58～5．97自由空間2．38～2．483．02～12．004．80～5．435．62～5．95

3　結束語

本文設計了一種MIMO天線，分析了它在汽車通信系統中的性能。通過CST軟件仿真得到：在模擬的車載環境中，天線安置環境對天線1和天線2的匹配性能以及天線1和天線2 間的隔離度影響都不大，這個結論驗證了該MIMO天線很好地應用于汽車通信系統中。

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