應用于車聯網的車載天線研究進展綜述

梁龍飛，楊曙輝，王文松，Yinchao Chen

（1.中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京 100024；2.南洋理工大學電氣與電子工程學院，新加坡 639798；3.南卡羅來納大學電氣工程系，美國哥倫比亞SC29208）

1 引言

隨著車聯網技術發展和車聯網應用的迅速普及，汽車在實時定位、車間通信、車輛智能化等方面獲得了廣泛的關注。所謂車聯網，即車輛物聯網，是以車輛為信息感知對象，借助新一代的信息通信技術，實現車輛與“萬物”之間的網絡連接，在車輛運行中提供不同的功能服務［1］［2］。車聯網系統概念圖如圖1所示。

圖1 車聯網系統概念圖

車聯網主要表現在以下幾點特征：

(1)進行車與車之間的無線通信（Vehicle to Vehicle，“V2V”）［3］，可以實現車與車之間實時的信息交流和信息共享，降低車輛之間發生交通事故的概率。根據IEEE 802.11P 標準［4］中所規定，5.85-5.925GHz 作為V2V的專用通信頻段，車載天線技術得到迅速發展。

(2)進行車與網絡之間的無線通信（Vehicle to Network，“V2N”）［5］。常見的車輛與網絡之間的通信有車輛與衛星網絡通信（Vehicle to Satellite，“V2S”），例如GPS（Global Positioning System），北斗導航等；以及車輛與路邊設備的通信（Vehicle to Roadside，“V2R”），例如車輛與移動通信基站的通信和車輛與交通燈或監控設備的通信等。以常見的衛星網絡為例，隨著衛星通信技術的日趨完善，車載衛星通信系統將車輛與衛星通信相結合來實現汽車智能化。車載衛星通信系統通過汽車與衛星網絡之間建立數據傳輸的無線通道實現了語音通話、實時定位、信息共享三大功能。由于衛星信號的特殊性，傳輸過程中遇到的干擾噪聲很多，要求天線具備高增益、抗干擾能力強的特點［6］。更重要的是，當電磁波穿過大氣中的電離層時，會發生旋轉，如果是線極化波，經過旋轉之后地面接收端無法接收電磁信號。而圓極化的電磁波不會出現這種信號無法接收的情況。因此對于進行車輛與衛星網路通信V2S 的車載天線需要采用圓極化［6］。

(3)進行車與人之間的無線通信（Vehicle to Pedestrian，“V2P”）。用戶通過Wi-Fi、藍牙、移動蜂窩網絡等無線通信手段與車輛進行信息溝通，提高用戶的駕駛體驗［7］；進行車內設備之間的信息數據傳輸，對設備狀態進行實時監測和控制。

車輛的智能化程度越來越高，就要求有更多更好的車載天線來為之服務。車載天線作為收發信號的重要器件，其性能的好壞對車聯網多種應用的實現起到至關重要的作用。因此，車載天線正逐漸成為研究熱門。車載天線要的研究主要集中在小型化、寬頻帶/多頻點、高增益等方面。

小型化：車載天線的可以安裝在汽車的不同部位，常見的有車頂、車窗玻璃、車廂內部等。由于天線功能的多樣性，不同的安裝位置對天線性能有著重要的影響。但是，汽車的整體輪廓和外觀基本確定，為了不影響汽車的觀賞性和駕駛安全性，車載天線的整體尺寸和安裝位置有嚴格的限制。這也是車載天線小型化研究的根源。

寬頻帶/多頻點：隨著汽車智能化程度越來越高，在車輛與車輛之間、車輛與衛星之間、車輛與移動設備之間都可以進行通信。為了滿足多種智能化應用的要求，車載天線的設計思路主要有兩種：一種方法是設計多個天線應用于不同的功能，這要求多個車載天線必須處理好隔離度和安裝位置的問題；另一種方法是車載天線的寬頻帶或多頻點，用少量的具有很寬的工作帶寬的天線或同時工作在多個頻段的天線來實現多個智能化應用。

高增益：車載天線因工作的環境多變，噪聲的干擾性較強，所以對天線自身的性能要求較高。以車輛與衛星網絡之間的通信為例，由于衛星的位置較遠，實際的衛星信號是非常弱的，要保證通信的質量，就要求收發天線具有較高的增益。除此之外，對于狀況頻出的行車環境，以及各種干擾信號的影響，設計出具有高增益的車載天線是十分必要的。

多輸入多輸出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）：在頻譜資源日益緊張的背景下，為了最大程度地提高頻譜利用率，提出了多輸入多輸出系統。發射端和接收端設置多個相互獨立的天線，能夠大幅度的提升信道容量，提高頻譜利用率［8］-［11］。

除了關注天線本身的設計，車載天線安裝位置、各個天線之間的相互作用以及外界環境變化對天線性能的影響都有著非常重要的研究價值。

2 車載天線的性能

車聯網技術的發展對車載天線的性能提出了更高的要求。想要設計出符合要求的車載天線，就要清楚的了解幾個關鍵的電參數。

（1）增益、方向性系數與效率

天線增益指的是在輸入功率相同的情況下，實際天線與理想的輻射單元在空間上同一位置所產生的信號的功率密度之比［12］。增益描述了天線把輸入功率集中輻射的程度，符號記為G。我們通常說的天線增益，指的是天線在輻射最大的方向上的增益。

方向性系數表征的是天線方向性的強弱情況。定義是天線輻射遠場某點的功率密度與輻射功率相同的理想與方向性天線在同一點處的功率密度之比，用符號D來表示［12］。

天線效率用來衡量天線把導波能量轉化為自由空間中輻射場能量的程度［12］，用符號η 表示。天線效率等于天線輻射的總功率與天線在饋線處獲得的輸入功率的比值，輸入功率也可以看成輻射功率與損耗功率的總和。

其中，PA與PR表示天線的輸入功率和輻射功率。同時輸入功率PA可以分為輻射功率PR和天線輻射過程中損耗的能量PL。綜合來看，增益、方向性系數與天線效率之間的關系如下：

在車載天線的分析時，由于汽車的工作環境變化很大，例如出現雨雪、大風等惡劣天氣以及高山丘陵等崎嶇地形，所以天線增益、方向性系數和天線效率在不同工作環境中的變化需要進一步分析。

（2）極化

極化指的是天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的特性［12］。線極化：電場強度在最大輻射方向的運動軌跡為一條直線。當電場強度的變化方向垂直于地面時，稱之為垂直極化波；平行于地面時，稱之為水平極化波。圓極化：電場矢量在自由空間中隨時間變化軌跡為圓形，即電場分量的振幅相同，相位差90°。根據運動方向的不同，可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：當電場分量的振幅和相位都不相同時，構成了橢圓極化。一般來說為保證通信質量，車輛與衛星通信所用的天線極化方式為圓極化。

（3）工作帶寬

工作帶寬指的是滿足天線工作指標的工作頻帶的寬度，用BW 表示。一般的，天線的工作帶寬指的是反射系數帶寬，有兩種表示方法：絕對帶寬BWab和相對帶寬BWre。如公式（3）、（4）所示：

其中，fH與fL分別表示工作頻帶所對應的高頻和低頻。

3 車載天線的分類與發展趨勢

3.1 傳統車載天線的分類

從現階段來看，車載天線的發展歷程主要可以分為三個階段：鞭型天線、車窗玻璃天線、車載“鯊魚鰭”天線。為了應用車載廣播設備，傳統鞭型天線被設計出來，目前常見的鞭形天線如圖2 所示。鞭型天線為單極子天線，具有結構簡單和造價低的優點，完全可以滿足車載AM/FM 廣播或汽車電臺的要求［13］-［17］。由于廣播信號的工作頻段很低（0.53-1.7MHz和87.5-108MHz），對應的天線長度過長，不可避免的會出現很多問題，例如：過長的天線會影響車輛整體美觀程度、天線單一易損壞等。當汽車在高速或者大風和雨雪天氣行駛時會受到很大的外部噪聲干擾，導致接收信號不穩定，甚至天線損壞。螺旋天線［18］［19］、拉伸式鞭型天線［20］可以看成傳統鞭型天線的改良，將拉伸式天線與車頂呈60°放置，不僅在一定程度上改善了天線長度過長的缺點，而且降低了天線的損壞風險。

圖2 車載鞭型天線［6］

為了解決車輛外觀的問題，出現了一種集成在車窗玻璃上的天線［21］-［28］，可以很好的應用在汽車廣播系統，常見的車窗玻璃天線如圖3 所示。一般地，車窗玻璃天線放置在車輛后窗［21］-［24］，另有部分集成在前車窗和側面車窗玻璃中［25］-［28］。由于天線與車窗玻璃結合到一起，天線可以很好的隱藏，解決了外觀問題，但也帶來了很多其它問題。首先是在設計天線時必須把天線波長和車輛整體結合到一起進行仿真，車輛本身會對天線性能有著較大影響，其它電子設備對車窗玻璃天線的性能影響極大，氣候的變化也會嚴重影響天線性能。為了實現天線的全向性，人們往往在不同位置的車窗上都放置車窗玻璃天線組成分集天線，這樣一來不僅生產加工耗時費力，安裝成本會相應的增加。

圖3 車窗玻璃天線［13］

隨著科技的發展，汽車上的電子設備越來越多，車載天線的數量增多導致安裝空間不足。“鯊魚鰭”天線的出現提高了無線收發系統的性能，又因為其結構簡單易于設計，逐漸受到各大汽車廠商的追捧。“鯊魚鰭”天線一般安裝在車頂上，如圖4 所示，因其外部有形似鯊魚鰭的外殼而得名。鯊魚鰭外殼之中可以安置了多個天線，來應用多種智能化服務。例如：AM/FM 廣播、GPS 定位、無線局域網通信（Wireless Local Area Network，WLAN）等［29］［30］。

圖4 車載鯊魚鰭天線［13］

正是因為車載鯊魚鰭天線外形美觀，內部可以放置多個車載天線，成為了許多學者的研究課題。近年來，國內外學者提出了多種可以放置在殼內的小型化、寬頻帶/多頻點的車載天線［31］-［37］。

Diana V.Navarro-Méndez 等人根據車載鯊魚鰭外殼的形狀設計出了一款兩個單極子結合的寬帶天線［31］。兩個單極子互相交叉的放置在一起，形成了三維立體結構，如圖5 所示。天線可以覆蓋LTE700、GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、WCDMA2100、WLAN2400、LTE2600、WiMAX2350、Wi-Fi等多個頻帶，具有廣泛的應用前景。

圖5 車載鯊魚鰭天線［31］

Andrea Michel 等人設計了一款“多臂形”LTE 頻段寬帶印刷天線［32］，結構如圖6 所示。天線具有698-2690MHz 的工作帶寬，可以用于LTE（698-960 MHz）、GSM（1710-2170 MHz）、UMTS（2490-2690 MHz）和WLAN（2400-2485MHz）等頻段。另外，具有尺寸小、剖面低的優點，可以完美的放置在鯊魚鰭狀的外殼中，應用于車輛之間的通信。

圖6 車載“多臂型”寬帶印刷天線［32］

Wu Qi 根據車載鯊魚鰭外殼的形狀設計出了一款應用于LTE、WLAN、V2V頻段的L形的單極子結合的車載天線［33］，通過把微帶貼片進行彎折，可以在較小的尺寸實現合適的頻段，結構如圖7所示。兩個天線之間沒有去耦結構，主要通過改變兩個天線之間的間隔來改善隔離度。從實測結果來看，天線可以工作在698-2700GHz和5-6GHz，隔離度可以實現小于23dB。在整個頻段內，兩個天線的增益均大于1.5 dBi。

圖7 車載鯊魚鰭天線外觀圖［33］

上述文獻都在鯊魚鰭外殼的限制下設計出了新穎的單個天線或多個天線。值得注意的是，對于多個天線的情況，就必須要考慮天線之間的隔離度，為了改善隔離度，除了簡單的改變天線之間的距離外，還出現了多種新穎且有效的方法：缺陷地結構（Defected Ground Structure,DGS）［38］［39］、電磁帶隙結構（Electromagnetic band gap,EBG）［40］［41］、超材料［42］和寄生單元［43］等。

Li Xiaolai 根據車載鯊魚鰭外殼的形狀設計出了一款隔離度改善的寬帶天線［44］。兩個平面印刷的倒F天線互相平行的放置，實現了較寬的工作頻段。為了改善端口隔離度，作者設計了一種新穎的分型去耦結構。去耦結構由四個分型單元槽和一個窄線槽組成，外觀如圖8 所示。放置在兩個天線中間，可以很好的改善兩個天線之間的端口隔離度。從結果來看，加了去耦結構的天線隔離度可以由8dB 改善為32dB。天線工作帶寬為3.02-3.96GHz，可以很好的覆蓋5G 的sub-6GHz頻段。

圖8 車載鯊魚鰭天線與去耦結構［44］

3.2 車載天線的發展趨勢

近年來，隨著車聯網技術的迅猛發展，高性能的車載天線已經成為了研究熱門。天線的設計不再局限于上述的三種常見的天線類型，也不再局限的放置在車頂等位置，許多新型的車載天線被提出，并且結合車輛模型進行仿真與實測分析［45］-［51］。

Hang Wong 等人提出了一款用于車對車通信和無線局域網通信的寬帶車載天線［48］。天線在輻射貼片和金屬地之間加入了短路柱以及刻蝕在輻射貼片的V型縫隙，使天線激勵了三個工作模式，實現了32.2%的工作帶寬（4.82-6.67GHz），工作頻帶上獲得6.5dBi 的增益。天線的剖面只有3 mm（0.09 波長長度），解決了車載天線與車輛外觀不協調的問題。

Wang Shiyan 等人設計了一款應用于車輛通信實現了大信號覆蓋和頻段良好隔離的雙頻帶雙圓極化天線［49］。天線通過引入兩個三維L形短截線環，結構如圖9 所示，可以工作在比圓形貼片所產生的TM02模更低和更高的頻率工作，實現了每個環和圓形貼片之間的不同相位關系。因此，在各自的頻段上產生右旋圓極化（RHCP）和左旋圓極化（LHCP）。重要的是，天線實現了兩個頻段之間的高度隔離，兩個頻帶的輻射方向圖都是全向的，有利于車輛通信。當汽車在高低不平的地區行駛時，全向輻射可以保證通信穩定性。

圖9 天線實物圖［49］

Wang Wensong 等人提出了一款應用于汽車的寬帶多極化的MIMO天線［50］。四個天線采用了立體結構放置，兩個天線印刷在一塊FR4介質板，兩塊介質板相插，實現了互相垂直的交叉結構，如圖10所示。這種結構的特點就是本身就可以實現較高的隔離度。該天線被放置在汽車頂部，實現超寬的工作帶寬（1.95-6.25GHz）的同時可以實現良好的隔離度。因此可以應用于多種車聯網服務：WLAN(2.4GHz,5.1-5.8GHz)、5G移動通信的sub-6GHz 頻段（3.3-3.6GHz)、藍牙頻段（2.4GHz)、WiMAX頻段（2.3-5.7GHz)、LTE頻段（2.2-3.8GHz）以及ISM頻段（2.4/5.2/5.8 GHz)。天線之間的最大的端口隔離度大于16dB，相關包絡系數（Envelope Correlation Coefficient,ECC）小于0.028。由于其超寬的工作帶寬，這款車載天線會有廣泛的應用前景。

圖10 天線實物圖［50］

Xu Rui 提出了一種用于車輛全球導航衛星系統的可重構雙頻雙圓極化天線［51］，天線結構如圖11所示，由一個橢圓形金屬腔和結構簡單的可重構平面印刷單極子天線。天線具有高增益、圓極化和可重構的特點。天線的雙頻帶分別為1.05-1.325GHz與1.54-1.63GHz，可以很好的對應全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的通訊頻段。天線放置在車頂，可以很好的實現天線性能的同時，也不會受到車內電子設備的影響。通過這款天線的引入，車輛可以很好與衛星進行移動通信服務，進行車輛的實時定位和導航。

圖11 用于衛星導航的車載可重構天線實物圖［51］

為了獲得更好的天線性能，一些學者試著把超材料和車載天線結合起來，以此來改善天線的性能。人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）作為超材料的一種，其同相反射特性可以起到降低天線剖面、改善阻抗匹配、提高增益的優勢，經常被應用到天線的設計中［52］-［59］。Zhu Jianfeng等人提出了一款基于頻率選擇表面（Frequency Selection Surface，FSS）和人工磁導體的雙頻雙圓極化天線［59］。這款車載天線主要應用于車輛與衛星之間的通信。天線上使用L形縫隙來調整天線的頻點，天線下方放置了AMC和FSS，來改善天線的性能，天線實物見圖12，天線結構共分四層，天線輻射結構在最上層，高頻段AMC和FSS結構分別置于第二層和第三層，低頻AMC置于最底層。從仿真結果來看，添加AMC和FSS結構之后天線增益和軸比帶寬有所改善。

圖12 加載AMC和FSS的車載天線［59］

除了車載天線結構的設計，近年來關于車載天線輻射性能測試［60］［61］以及車輛工作環境［62］［63］也有一定的研究。在文獻［60］中,作者使用數值方法對于車載4G 天線性能進行了分析與預測，具有一定先進性和可行性。在文獻［63］中，Ren Kai 等人通過特征模理論對車載天線的性能進行分析，并創造性的研究了外部環境的變化對天線輻射性能的影響，文章分析了兩棲作戰車輛在干燥土壤、潮濕土壤和海水環境中的天線輻射表現，如圖13，說明了不同環境時的天線表現。這種方法對車載天線整體性能的研究有著重要意義。

圖13 不同環境中車載天線輻射表現［63］

4 結論

隨著無線通信技術深入發展，大量智能設備融入我們的生活。車聯網屬于物聯網技術的一個分支，正在處于一個高速發展階段。隨著車聯網標準逐漸規范，車載天線的研究也更加深入：小型化、寬頻帶/多頻點、高增益和多輸入多輸出技術等都是車載天線研究的重點。從車載天線的發展歷程來看，從鞭型天線、車窗玻璃天線再到“鯊魚鰭”天線，天線的形式越來越多樣化，結構越來越復雜，性能也越來越好。尤其是“鯊魚鰭”天線，外殼形狀與車輛外觀協調融合，內部集成多個天線的優點使之成為研究熱點。由于殼內空間有限，天線小型化、降低端口隔離度都提出了有效的方法。隨著人工磁導體、頻率選擇表面等超材料的研究與應用，天線可以獲得更好的性能。同時，對于車載天線的研究不僅要聚焦在天線結構設計，還應該注重天線安裝位置以及外部環境變化對天線性能的影響。