【導(dǎo)讀】現(xiàn)代車輛能夠提供一系列令人眼花繚亂的駕駛員安全性、舒適性和信息娛樂等功能，其中許多都依賴于無線連接。集成有天線預(yù)認(rèn)證無線的模塊產(chǎn)品非常受市場歡迎，但它們卻不能為某些特定應(yīng)用提供可行的選擇方案。當(dāng)工程團隊需要將天線作為設(shè)計的一部分時，市場存在哪些選項？本文將討論這些問題。為了幫助讀者，我們在本文中也涵蓋了天線設(shè)計的基礎(chǔ)知識，并幫助解釋選擇天線時可能遇到的一些術(shù)語。本文還將重點介紹安裝在車輛外部的天線，例如用于 ADAS、GPS、V2X，以及安裝在 ECU 或信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)部的天線，其目的是實現(xiàn)車載 Wi-Fi 和藍(lán)牙連接。
連接性和當(dāng)代汽車
從1970 年代使用的簡單伸縮天線開始，汽車天線已經(jīng)走過了很長的發(fā)展過程。早期階段，在信息娛樂系統(tǒng)出現(xiàn)之前，我們需要天線的唯一目的是用于汽車收音機。而今，越來越多的功能需要天線。信息娛樂系統(tǒng)可單獨承載收音機、導(dǎo)航系統(tǒng)以及與智能手機的無線連接；高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的某些方面還需要與其他基于云的服務(wù)進(jìn)行無線連接，以便查閱交通路線，實現(xiàn)更復(fù)雜的車對車 (V2V/C2C) 和車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2X/C2X)通信功能。在車內(nèi)，無線通信用于提供Wi-Fi，為乘客提供便利以及實現(xiàn)不同功能之間的通信，例如，可用于車門后視鏡中盲點檢測指示器。
現(xiàn)在已經(jīng)是汽車互連時代，不起眼的天線卻發(fā)揮著重要作用，能夠為車內(nèi)和車外服務(wù)提供可靠且靈活的無線通信。
選擇合適的天線需要充分了解應(yīng)用需求，其中工作頻率是基本參數(shù)。當(dāng)今的車載收音機調(diào)諧器很少有中波（530 ～ 1,700 kHz）或長波（150 ～250 kHz）頻段選項，而甚高頻 (VHF) 調(diào)頻 (FM) 廣播電臺（80 ～108 MHz）則最受歡迎。英國數(shù)字音頻廣播 (DAB)等更高質(zhì)量數(shù)字廣播已經(jīng)開始出現(xiàn)，它們使用 175 ～240 MHz 頻譜。
除了無線電廣播，其它主要的無線頻率范圍包括 Wi-Fi 和藍(lán)牙 - 2.4 GHz、GNSS - 1.1 ～ 1.6 GHz，以及手機 - 700 MHz、850 MHz 和 1,700 ～ 2,100 MHz。此外，5G 蜂窩通信在之前的基礎(chǔ)上增加了 6 GHz。大多數(shù) V2X/V2V 應(yīng)用使用以 5.9 GHz 為中心的蜂窩通信方法。
天線類型
天線大致分為外部天線和內(nèi)部天線兩大類別。
外部天線通常安裝在車頂后方，以最大限度地減少來自發(fā)動機的電氣干擾。除了天線的電氣特性（將在下一節(jié)介紹）之外，保護(hù)天線免受濕氣、灰塵和其他污染物進(jìn)入也至關(guān)重要。國際 IP 標(biāo)準(zhǔn)定義了入口的保護(hù)。天線由于暴露在惡劣的天氣條件下，需要在潮濕、結(jié)冰或遭受強風(fēng)等情況下可靠運行。許多外部天線封裝在“鯊魚鰭”式塑料外殼內(nèi)，以滿足車輛美學(xué)和環(huán)境條件要求。天線外殼為流線型，材質(zhì)也可噴涂為車輛顏色。其他外部天線包括“圓盤”式裝置，通常能夠以磁性方式附著在車身上。許多外部天線將多個天線組合在同一個外殼內(nèi)，但都采用單獨布線，例如GNSS、蜂窩/5G 和 V2X/V2C等天線。
內(nèi)部天線則比較多樣化，通常可安裝在 PCB 上或蝕刻為 PCB 金屬線跡。一些內(nèi)置天線設(shè)計安裝在所連接系統(tǒng)的外部，并且通常隨附一個自粘安裝墊和一條連接到嵌入式系統(tǒng)的同軸電纜。
天線基礎(chǔ)知識
在為您的應(yīng)用選擇天線時，需要考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)。天線的性能包括幾個不同的屬性，可確保將射頻能量從發(fā)射器以最有效的方式傳輸?shù)教炀€，之后輻射到自由空間。發(fā)射器的信號輸出是沿傳輸線（例如同軸電纜）發(fā)送到天線。同樣，接收到的信號也需要被天線有效地拾取并傳輸?shù)浇邮掌鳌Ｌ炀€是最簡單形式的一段電線，其長度由所需要的工作頻率決定。當(dāng)天線的長度等于發(fā)射或接收信號的波長時，天線就會發(fā)生諧振。例如，頻率為 2.4GHz時的波長為 12.5cm。
在大多數(shù)情況下，天線的效率僅限于較窄的頻率范圍。天線能夠以多種不同方式構(gòu)建，其中最簡單的是偶極子。偶極子通常是根據(jù)它們的工作波長來描述，即全波或半波偶極子等。
為了幫助選擇和閱讀天線數(shù)據(jù)表，以下是可能遇到的一些關(guān)鍵參數(shù)簡要說明：
回波損耗：該術(shù)語表示天線與發(fā)射器的輸出部分和傳輸線的匹配程度。回波損耗以 dB 表示，表示由于不匹配而從天線和傳輸線反射發(fā)射器輸出信號的多少。大多數(shù)天線的阻抗為 50歐姆，因此它們需要與傳輸線和發(fā)射器末級相匹配。回波損耗以 dB 為單位，其值越高，反射功率越小。完美匹配會導(dǎo)致幾乎無限（infinite）的回波損耗。另一種測量回波損耗的方法是使用電壓駐波比 (VSWR)，VSWR 表示發(fā)射器輸出功率與反射功率量之間的比率，完美的匹配可表示為 VSWR 1（也就是 1:1）。VSWR 或回波損耗參數(shù)都會在特定頻率或工作窄帶頻譜的天線數(shù)據(jù)表中指明。
VSWR 為 2 時表示回波損耗為 10dB，這些指標(biāo)可用作設(shè)計要達(dá)到的最佳實踐基準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)表通常包括天線 VSWR 和回波損耗性能與頻率的關(guān)系圖。圖 1 說明了 PulseLarsen 天線的 VSWR 圖表，其最佳工作頻率范圍為用于蜂窩或 ISM 通信的 650 ～ 880 MHz。
圖 1：PulseLarsen 薄型天線 ICEFIN 系列的 VSWR 圖表。（來源：PulseLarsen）
輻射方向圖和天線增益：圖 2 重點顯示了PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射方向圖特性。一些天線的結(jié)構(gòu)使其在某些方向上比其他方向能夠更有效地輻射射頻能量。有時一個天線會出現(xiàn)某個特定增益，在給定方向上的輻射功率量大于天線的輸入功率。全向輻射圖被認(rèn)為是大多數(shù)實際應(yīng)用的理想選擇，并且平面特性（垂直/仰角或水平）對于某些應(yīng)用至關(guān)重要。請注意，天線特性中接收性能和發(fā)射性能同樣重要。
圖 2：PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射特性。（來源：PulseLarsen）
阻抗匹配：如前所述，大多數(shù)天線提供 50 歐姆的阻抗。天線需要與發(fā)射器和傳輸線的輸出阻抗相匹配。對于一根同軸電纜，其阻抗對于外部天線來說是匹配的，但如果您必須添加電纜，則必須同樣與天線的阻抗相匹配。對于 PCB 天線，可能需要在收發(fā)器 IC 和印刷或表面安裝天線之間創(chuàng)建一個匹配電路，該電路通常由電感器和電容器組成，其阻抗隨頻率變化。天線的阻抗和回波損耗/VSWR 特性可使用一種稱為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 的專業(yè)測試工具進(jìn)行測量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可作為獨立儀器使用，或集成到高端射頻頻譜分析儀中一起使用。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常包含許多帶有圖形顯示的測試功能，例如 VSWR、回波損耗和阻抗等。天線阻抗通常顯示為史密斯圓圖（Smith chart），請參見圖 3。
圖 3：Taoglas MA310 GNSS 天線的阻抗史密斯圓圖。（來源 ：Taoglas）
簡而言之，圖表的中心線（紅色）是電阻阻抗。在上方，它是電感性，在下方，為電容性。右邊是開路情況，左邊是短路情況。綠色曲線突出顯示了天線阻抗隨頻率的變化。紅線上的 1.0 位置表示天線阻抗的完美匹配。
示例天線
如圖 4所示，Taoglas Raptor 3是一個外部安裝“鯊魚鰭”型IP67 級天線示例。該天線適用于汽車和商用車等應(yīng)用，并可把多個天線集成在一個封裝中，可提供 GNSS、4G/5G 蜂窩 MIMO、雙頻 Wi-FI、有源 AM/FM 天線和 TETRA（集群無線電）。
圖4 ：Taoglas Raptor 3 “鯊魚鰭”型外置天線。（來源：Taoglas）
對于 GNSS 應(yīng)用，內(nèi)部安裝的嵌入貼片式Taoglas GPDF357 支持所有 GPS 和伽利略頻段，并可提供良好的增益和全向功能。此外，該緊湊型天線（請參見圖 5）適用于智能農(nóng)業(yè)和公共安全領(lǐng)域的一系列高精度定位應(yīng)用。
圖 5：Taoglas GPDF357 GNSS 天線。（來源：Taoglas）
另一種多頻段天線是外部安裝的 4 合 1 Taoglas MA354 ，這種扁平緊湊型 IP65 級天線具有集成的磁性安裝座，可在車輛上快速免鉆孔安裝。五個內(nèi)置天線支持雙頻 Wi-Fi、兼容3G/2G的4G/5G和GNSS。
圖 6 ：Taoglas MA354緊湊型外置磁性安裝天線。（來源：Taogla）
另一種外部安裝的 IP67 級多頻天線是 PulseLarsen IceFin系列，請參見圖 7。該系列能夠提供的天線工作頻率范圍是 698 ～ 6000MHz。
圖 7：PulseLarsen IceFin 多頻天線。（來源：PulseLarsen）
PulseLarsen 還提供一系列天線套件，包含用于原型設(shè)計和開發(fā)目的各種嵌入式、內(nèi)部和外部天線。該套件可提供三個版本：工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 天線套件、LoRa 天線套件和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。其中一個例子是物聯(lián)網(wǎng)天線套件，它包含 26 種不同的天線，適用于各種采用雙頻 Wi-Fi、蜂窩和 GNSS 連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，天線類型包括陶瓷、螺旋（helical）、PCB、棒型和刀片變體型等等。
可靠連接需要合適的天線
在本文中，我們總結(jié)了能夠幫助您進(jìn)行天線選擇的基本信息，其中也介紹了一些流行的天線類型，并舉例說明了一些示例。為了幫助理解數(shù)據(jù)表信息，我們還簡要討論了一些需要注意的重要天線參數(shù)，這些或許能幫助您針對具體應(yīng)用選擇適合的天線。
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