采用螺旋線實現高隔離度的車載多頻寬帶MIMO天線

摘" 要： 為解決車載天線工作帶寬窄和MIMO天線低頻段隔離度低等問題，提出一種應用于車載通信系統的多頻寬帶高隔離度的MIMO天線，其工作頻段為824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，可覆蓋民用移動通信的2G/3G/4G/5G和無線局域網/車聯網等頻段。單極子天線單元采用彎曲、開槽等諸多技術實現多頻寬帶，還通過添加接地枝節來降低天線高度和提高物理穩定性；在MIMO天線設計上采用螺旋線來提高天線單元之間的隔離度。實測結果表明，天線在工作頻段內的反射系數小于-10 dB，隔離度小于-20 dB，低頻段增益和輻射效率略低，中高頻段的增益均大于4 dBi，最高達到7 dBi，效率均高于70%，最高可以達到96%。實測數據與仿真數據具有良好的一致性，所研制的天線可滿足車載天線對多頻段通信和高隔離度MIMO天線的技術要求，其結構和尺寸專為安裝于汽車內部中控臺背面而設計。

關鍵詞： 車載天線； 多頻段天線； 寬帶天線； 單極子天線； MIMO天線； 高隔離度

中圖分類號： TN828.6?34" " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）05?0015?08

Implementation of vehicular high isolation multi?band wideband

MIMO antenna with helical wire

ZHENG Zhenkun1， LIN Fumin1， ZHANG Huafu2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Hi?Target Navigation Tech Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： In view of the narrow operating bandwidth of vehicular antenna and low isolation of multiple?input multiple?output （MIMO） antenna in low frequency band， a multi?band wideband high isolation MIMO antenna applied to vehicle communication systems is proposed. It works in the frequency bands of 824～960 MHz and 1 710～6 000 MHz， and can cover the frequency bands of civil mobile communication such as 2G/3G/4G/5G and wireless local area network （WLAN）/Vehicle to Everything （V2X）. The monopole antenna unit is designed with techniques such as bending and slotting， so as to achieve multi?wideband. In addition， the grounded branch is added to reduce the antenna′s height and improve its physical stability. MIMO antenna is designed by adopting helical wire to improve the isolation of the antenna unit. The measured results show that the reflection coefficient of the antenna is less than -10 dB and its isolation is less than -20 dB in the operating band， its gain and radiation efficiency is slightly lower in the low?frequency band， and in the middle and high?frequency bands， its gain is greater than 4 dBi and its maximum is 7 dBi， and its efficiency is higher than 70% and its maximum is 96%. The measured and simulated results have high consistency. The developed antenna can meet the technical requirements of vehicle antenna for multi?band communication and high isolation MIMO antenna， and its structure and size are specially designed for mounting on the back of the center console inside the vehicle.

Keywords： vehicular antenna; multi?band antenna; wideband antenna; monopole antenna; MIMO antenna; high isolation

0" 引" 言

隨著車載通信技術的迅速發展，多頻寬帶天線在車載通信系統的應用越來越廣泛，對能夠覆蓋民用移動通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等通信頻段的天線的需求也隨之增加。目前大部分車載天線為印刷天線，比如印刷單極子天線[1?6]和倒F天線[7?9]。大部分天線覆蓋的頻段是824～2 690 MHz，文獻[5]中的單極子印刷天線能覆蓋5G的sub_6 GHz頻段，但是沒有覆蓋低頻段的車載通信頻段。

印刷天線的設計自由度較小，不能充分利用有限空間，所能提供的增益和效率相對較低，特別是低頻段。為了在有限的空間內天線能夠獲得更好的性能，具有較大設計自由度的金屬天線逐漸得到了應用。目前國內外研究中多數金屬天線應用于鯊魚鰭式天線罩內部[10?14]，但是仍存在一些不足，比如文獻[12?13]中的金屬天線的尺寸較大，且不能完全覆蓋2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等頻段。由于考慮汽車的外觀美學，有研究將天線部署在汽車內部，文獻[15]中將天線部署在汽車儀表盤內，但是存在接地平面過大和中高頻段阻抗匹配不好的問題。文獻[16]中將天線部署在車頂后方的擾流板內部，但是大部分工作頻段的反射系數大于-10 dB。因此，部署在汽車內部的金屬天線有著很大的挑戰，需要考慮尺寸和天線性能等。

在車載通信系統中，多輸入多輸出（Multiple?Input Multiple?Output， MIMO）天線系統得到了廣泛的使用， MIMO天線由兩個或多個天線單元組成，可以大幅度提高天線輻射性能。MIMO天線間存在耦合效應，因此如何提高MIMO中天線單元之間的隔離度很重要。對于金屬MIMO天線，大部分文獻采用增加天線端口之間的距離來提高隔離度，但這種方法并不能很好地提高低頻段的隔離度[17?21]。文獻[20]采用了在基板底層設計解耦網絡來提高MIMO天線的隔離度，但是整體尺寸相對較大，且設計解耦網絡具有一定的復雜性。那么在天線單元之間保持一定距離的條件下，如何提高金屬MIMO天線的隔離度是設計的一大難點。

本文研制了一種應用于車載通信系統的多頻寬帶高隔離度的MIMO天線，工作頻段為824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，覆蓋了民用移動通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等頻段，具有多頻寬帶和高隔離度的優點，其結構和尺寸專為安裝于汽車內部中控臺背面而設計。在文中第一節和第二節中分別對天線單元和MIMO天線進行結構說明和仿真測試數據的分析。

1" 單極子天線單元的設計與分析

1.1" 天線單元結構的設計

本文所設計的單極子天線結構如圖1所示，該天線是基于[14]波長單極子天線原理設計的，由板厚為1 mm的不銹鋼板切割而成，在天線表面進行縫隙切割，得到的“倒T”型的縫隙可以將天線分為兩部分，天線的上部分主要工作在低頻段（824～960 MHz），天線的下部分主要工作在中高頻段（1 710～6 000 MHz）。

圖1中給出了天線結構設計的幾何參數，對應的參數取值如表1所示。

圖2給出了天線的設計過程和對應的反射系數曲線。以天線1為基礎，通過在金屬板上半部分進行“倒T”型開縫和添加向外彎折延伸的金屬枝節，從而得到天線2和天線3。從圖2e）可以看出，天線3不能很好地覆蓋低頻段，并且從天線結構的物理穩定性來說，天線3的結構容易脫落，不適合安裝在高速移動的汽車上。為了解決以上兩個問題，在天線3的基礎上，采用短路接地枝節來調節天線的低頻工作頻段和提高天線結構的物理穩定性。圖2e）中天線4的反射系數曲線展示了添加接地枝節可以使得天線工作頻段往低頻段頻偏，不需要通過增大天線低頻電流路徑，就可以使其覆蓋到824～960 MHz和1 710～6 000 MHz。

1.2" 天線模型與參數分析

1.2.1" 天線等效電路模型

利用文獻[22]中的方法，從仿真數據中推導出天線的一種等效電路模型，如圖3a）所示，其中天線結構上的“倒T”型縫隙起到帶阻濾波器的作用，在等效電路模型中用電容[C3]、串聯接地的電感[L2]和[C2]來表示。圖3b）展示的是天線仿真和等效電路模型的反射系數的對比，結果表明，電路模型的反射系數與天線仿真數據具有良好的一致性，證明了該電路模型可以表示本文設計的天線。

1.2.2" “倒T”型縫隙參數分析

圖4展示了“倒T”型縫隙參數[LS1]、[LS3]和[H2]對反射系數的影響，其中參數[H2]對“倒T”型縫隙的結構有著很大影響，如圖4c）所示，隨著[H2]值的減小，相當于減小圖3a）中等效電路中的[C2]值，影響中高頻阻抗匹配。通過仿真分析，[LS1]、[LS3]和[H2]分別取值為1 mm、15 mm和41.5 mm。

2" MIMO天線的研制與分析

2.1" MIMO天線的研制

將兩個單極子天線并排放置組成MIMO天線（將左邊天線單元設定為天線1，另一個設定為天線2）。由于實際車載系統應用中需要構建等電勢面，MIMO天線一般需要共地，因此天線1和天線2采用不共地的方式來提高天線隔離度的方法是不建議采用的。

在MIMO天線設計過程中有兩種天線結構，如圖5所示。結構一將天線1和天線2直接共地連接，結構二采用螺旋線來實現兩個天線共地。螺旋線參數如下：圈徑[D]=5 mm，線徑[d]=0.6 mm，圈距[S]=1.6 mm，長度[L]=30 mm，圈數為18.5。

在仿真過程中，將天線1的端口激勵，天線2的端口接上50 Ω負載，這兩個模型仿真得到的天線[S]參數對比如圖6所示。

通過圖6a）和圖6b）可以發現，結構一的[S]參數在低頻段的反射系數大于-10 dB，隔離度[S21]大于-15 dB，因此結構一不能改善MIMO天線的隔離度。而為了提高天線隔離度，去不斷增大天線間距離的做法是不符合實際的。所以在這里提出了采用螺旋線來提高隔離度的方法。在接地板之間加入金屬螺旋線之后，可以有效地減弱接地板上低頻電流的干擾，從而提高MIMO天線的隔離度。結構二的反射系數和隔離度[S21]均得到了明顯的改善，工作頻段內的反射系數基本小于-10 dB，隔離度[S21]基本小于-20 dB。

2.2" MIMO天線仿真與實測數據分析

2.2.1" 螺旋線參數分析

可以將螺旋線等效為一個電感，對耦合電流有著很大的阻隔作用，其尺寸參數對隔離度的影響如圖7所示，圈徑[D]、線徑[d]和圈距[S]對低頻段隔離度影響較大，圈數對隔離度的影響較小。通過仿真分析與實際加工考慮來取得合適參數值。

2.2.2" MIMO天線實測數據分析

將單極子天線和用于提高隔離度的螺旋線進行加工焊接，得到MIMO天線實物，如圖8a）所示。使用矢量網絡分析儀和微波暗室分別測試MIMO天線的[S]參數和輻射參數，如圖8b）所示。

圖9a）展示的MIMO天線的實測反射系數，在工作頻段內基本小于-10 dB。圖9b）中MIMO天線的實測隔離度在工作頻段內基本滿足[S21lt;]-20 dB，實測數據與仿真數據具有良好的一致性，說明螺旋線結構可以提高MIMO天線的隔離度，特別是明顯提高了低頻段的隔離度。從[S]參數實測數據得出所研制的MIMO天線耦合程度低、隔離度高。

MIMO天線的實測增益如圖10a）所示，仿真采用電導率為5 000 S/m的不銹鋼材料，在天線加工焊接誤差和微波暗室測試誤差內，可以發現測試數據和仿真數據具有良好的一致性。

天線增益和輻射效率的關系如下：

[er=PrPin=RrRr+Rg=11+RgRr] （1）

[G=D?er] （2）

式中：[er]是天線輻射效率；[Pr]是天線輻射功率；[Pin]是天線接收功率；[Rr]是天線輻射電阻；[Rg]是損耗電阻；[G]是天線增益；[D]是方向性系數。如圖10b）所示，由于采用較便宜的普通不銹鋼材料損耗較大，天線在低頻段的輻射效率較低（輻射效率大于30%，最高達到40%），對應低頻段的增益也較低。天線在中高頻段的輻射效率基本大于70%，最高可以達到96%，實測增益大于4 dBi，最高達到7 dBi。對不同電導率的不銹鋼材料進行仿真，仿真結果顯示，電導率的提高可以明顯提高天線低頻段的增益。若不計成本，可以采用質量好、電導率高的不銹鋼來提高天線的低頻增益。若不考慮天線的物理性能，可以采用更高性能的銅作為天線材料。

本文設計的MIMO天線的方向圖測試結果如圖11所示，分別展示了MIMO天線在860 MHz、1 900 MHz、3 500 MHz、4 900 MHz和5 910 MHz處的天線1和天線2在[XOZ]平面和[YOZ]平面的輻射方向圖。這5個頻點的方向圖基本都是軸對稱的，有利于MIMO天線應用于全方位的車載通信系統。

為了模擬MIMO天線部署在車控臺內部，在仿真軟件上進行模擬，模擬方法采用將MIMO天線緊貼在車控臺內部的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）材料盒子后面，如圖12a）所示。

使用高電導率、質量好的金屬材料，比如銅，部署在PVC塑料盒背面的MIMO天線的增益仿真數據如圖12b）所示。仿真采用介電常數為2.7、損耗角正切為0.05的PVC塑料，由于天線輻射空間的介電常數發生變化，使得天線工作頻段發生頻偏，對天線增益影響較小。

表2中展示了應用于車載通信系統的不同文獻中的金屬天線，大部分天線都應用于車頂或者鯊魚鰭罩內，天線整體尺寸的寬度較大。文獻[15]中應用于儀表盤內部的天線，其寬度較大，實際應用中接地板尺寸為145 mm×45 mm。本文研制的天線的接地板尺寸為70 mm×15 mm，在天線三維尺寸上具有較小的寬度，適合安裝于汽車內部中控臺背面。除此之外，表2中展示的MIMO天線的隔離度均大于-20 dB，文獻[16?19]中的MIMO天線通過增大天線間隔距離來提高隔離度，但是天線隔離度沒有得到明顯提高。本文將螺旋線與天線接地板進行連接，使得在天線間距離為80 mm時天線隔離度基本實現工作頻段內小于等于-20 dB。

3" 結" 語

單極子天線采用彎曲、開槽等諸多技術來實現多頻寬帶，并引入接地枝節來實現低頻段匹配和提高天線的物理穩定性。不同于通過增大天線間距來提高隔離度的傳統方法，本文采用螺旋線將兩個單極子天線組合成MIMO天線。

天線仿真和實測數據展示出良好的一致性，在工作頻段內具有較好的輻射特性，反射系數小于-10 dB，天線隔離度基本大于-20 dB。由于加工采用較便宜的普通不銹鋼，損耗較大，以致天線低頻段增益和輻射效率略低；中高頻段的增益為4～7 dBi、輻射效率為70%～96%。若為了獲得較高的低頻增益而不考慮成本和材料的物理性能，可以采用高電導率的金屬銅作為天線材料。

本文研制的天線具有結構簡單、造價低、工作頻帶寬和高隔離度等優點，可滿足車載天線對多頻段通信和高隔離度MIMO天線的技術要求，其結構和尺寸專為安裝于汽車內部中控臺背面而設計，在車載通信應用中具有一定的實用價值。

注：本文通訊作者為林福民。

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