一种用于车载通信的低剖面多频天线

陈新伟， 田 洁， 苏晋荣

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

V2X通信是实现无人驾驶的必要技术， 工作于5.85 GHz～5.925 GHz的DSRC天线实现车与车通信. GPS有效地获取车辆位置， 实现车辆之间的时间同步. WLAN可以实现车载设备与其他终端的通信. 根据各个频段的工作特点， GPS频段具有圆极化特性， WLAN和DSRC频段具有全向辐射的垂直极化特性将最大程度地发挥天线的性能.

近年来， 随着全自动无人驾驶技术发展， 对车载天线系统提出了更高的要求， 希望将更多频段的天线集成在一起. 如今的车载天线多采用鲨鱼鳍外形的多功能天线， 以实现多频段工作， 但是， 由于美观以及对于隐蔽性的要求， 天线的剖面高度应该尽可能地低， 或者隐藏在车顶内部， 以满足车上各种无线系统的移动通讯. 为了实现车辆与周围设施通信， 采用具有全向辐射的DSRC天线， 虽然传统的单极子天线具有全向性辐射特性， 但是， 1/4波长的剖面高度太高. 因此， 文献[1] 提出了缩短单极子天线的方法是在其顶部加载一个圆形贴片以降低其垂直高度； 文献[2-3]采用中心馈电的圆形贴片来实现类单子辐射特性的结构， 以降低天线的高度.

在满足低剖面车载天线的基础上， 为了更好地实现自动驾驶， 同时集成GPS， WLAN， DSRC天线于一体， 将提高车载天线系统的性能. 但是， 同时满足需求极化特性和低剖面的集成天线文献报道还较少. 文献[4-7]提出了可以用于集成GPS， WLAN和集成GPS， DSRC的双频天线的方法， 这些天线的设计提出了一些新颖的馈电方式和加载不同的缝隙来提高阻抗匹配， 但是这些文献中的WLAN和DSRC频段的极化方式不符合垂直极化的特性； 文献[8]采用层叠结构， 利用中心馈电的顶层贴片为底层贴片耦合馈电， 实现了同时工作在WLAN和DSRC两个频段都是具有垂直极化特性的天线； 文献[9]设计了一个工作于GPS和UMTS频段的双频天线， 天线采用双端口馈电， 为了提高两个端口之间的隔离度， 通过在接地平面下方设置一个低通滤波器， 并嵌入GPS馈电端口和馈电点之间， 有效提高了端口之间的隔离度； 文献[10]提出了集GPS， WLAN， DSRC 3个频段为一体的天线， 设计的天线采用了单端口馈电， 但只有WLAN实现了垂直极化辐射， 其他两个频段均实现了圆极化辐射.

本文设计了一个同时工作于GPS， WLAN和DSRC的低剖面天线. 通过采用中心馈电的圆形贴片， 实现类单极子的辐射方式， 获得低剖面特性. 天线采用了层叠结构， 实现了多频段工作， 通过带有切口的圆形贴片馈电实现了GPS频段， 并通过中心馈电为圆形贴片直接馈电的方式和耦合馈电的方式为下层的圆形贴片馈电， 分别实现了DSRC和WLAN频段. 为了提高两个端口之间的隔离度， 在GPS天线的馈电线上插入了一个低通滤波器， 并将滤波器置于接地板和WLAN天线之间， 提高了端口之间的隔离度， 而且便于直接放置在车顶使用.

1 天线的结构与设计

本文设计的天线如图 1 所示， 详细尺寸见表 1. 天线由4层微带贴片堆叠而成， 都印刷在相对介电常数为4.4， 介质损耗角正切为 0.02 的FR4介质基板上. 从上至下依次为第1到第4层， 第1层为GPS天线， 贴片由一个Y轴方向蚀刻两个凹槽的圆形贴片构成， 在偏离凹槽45°角方向采用同轴馈电， 以激发两个具有相等振幅和90°相位差的正交模式； 第2层为DSRC天线， 由一个半径为r1的圆形贴片和一个内环半径为rin， 外环半径为rout的圆环组成， 利用中心馈电以激发TM02和由圆环产生的谐振模式产生类单极子状的辐射； 第3层为WLAN天线， 贴片由加载12个短路销钉的圆环构成， 这些短路销钉均匀分布在距离圆环中心lv的圆周上， 每个销钉的半径均为r0， 每个短路销钉连接到天线的接地板， 通过加载短路销钉， 激发出TM01模式， 展宽了天线的带宽； 第4层是一个三阶巴特沃斯滤波器(LPF)， 由于GPS天线与WLAN天线的频段比较接近， 而且由两个端口分别激励， 相互之间具有一定的干扰， 通过在GPS馈线上插入一个截止频率为 2.2 GHz 的低通滤波器， 提高端口之间隔离度.

表 1 天线各部分的尺寸

在这个堆叠式贴片结构中， 顶层的GPS天线高度为1.6 mm， WLAN和DSRC共用一个馈电端口， 通过中心馈电的DSRC天线为WLAN天线耦合馈电， 两个天线的高度仅为2.4 mm； 底层的滤波器结构0.8 mm， 滤波器的背面是整个天线的接地板， 尺寸为2rg1×2rg1， 整体天线的高度仅为 4.8 mm.

(a) 天线的立体结构

(b) 低通滤波器图 1 本文设计天线结构图Fig.1 The structure of the designed antenna

2 天线结构分析

GPS圆极化天线、 WLAN天线、 DSRC天线和巴特沃斯低通滤波器可以根据文献[6-9]来设计. 设计过程中， 在DSRC天线中加载的耦合圆环的宽度为wr、 WLAN天线中加入的短路销钉的个数和插入的低通滤波器在天线性能方面起着重要的作用， 为了更深入地理解提出的设计， 分析各部分对天线性能的影响.

2.1 圆环宽度wr对DSRC天线反射系数的影响

图 2 分析了圆环的宽度wr对DSRC天线反射系数的影响. 从图 2 中可以看出， 在未加载环形贴片时， DSRC天线只有一个明显的谐振频率， 天线的带宽仅有6.02 GHz～6.16 GHz， 而且匹配较差； 通过加载圆环后， 会出现两个明显的谐振， 说明圆环的加入会引入一个低频谐振； 随着wr的增大， 天线的阻抗带宽会逐渐增大， 匹配也逐渐变好， 当wr=9.4 mm 时， 反射系数小于 -10 dB 的阻抗带宽达到了 10.7%(5.60 GHz～6.23 GHz)， 说明通过在圆形贴片周围添加一个耦合圆环， 可以在改善阻抗匹配的同时显著拓宽天线的带宽.

图 2 圆环宽度wr对反射系数的影响Fig.2 The influence of ring width wr onreflection coefficient

2.2 短路销钉对天线反射系数的影响

图 3 给出了在WLAN天线层圆形贴片上加载不同数目短路销钉对天线反射系数的影响.

图 3 短路销钉对天线反射系数的影响Fig.3 The influence of shorted-conductive vias onantenna reflection coefficient

从图 3 中可以看出， 在未加载短路销钉前天线的匹配比较差， 只有很窄的频带范围的反射系数达到 -10 dB 左右， 通过加载不同数量的短路销钉后， 激发出新的谐振模式， 有效的拓宽了天线的阻抗带宽. 通过对比可以发现随着短路销钉数量的增加， 天线的阻抗匹配会更好， 带宽也会更宽， 当短路销钉数量为12时带宽最宽， 反射系数小于 -10 dB 的阻抗带宽可以达到 4.6% (2.36 GHz～2.47 GHz). 所以通过加载短路销钉能有效拓宽天线的带宽， 且加载12个短路销钉效果最好.

2.3 本文设计天线的各种性能参数仿真结果

图 4 给出了天线在有无插入低通滤波器(LPF)的S21的仿真结果.S21为端口间的互耦， 天线的隔离度用其绝对值来表示. 从图 4 中可以看出， 没有加载LPF前的GPS和WLAN频段的S21非常差， 特别是WLAN频段， 隔离度低于 10 dB， 当天线加载了LPF之后， 两个端口之间的隔离度变好， GPS频段的S21可以达到-29.3 dB， WLAN频段的S21可以达到 -21.2 dB， 而且DSRC频段S21可以达到 -17 dB.

图 4 加载和不加载LPF的天线隔离度Fig.4 The isolation with and without LPF

图 5 给出了本文设计的多频段天线的实物图.

图 5 本文设计天线实物图Fig.5 The prototype of the designed antenna

图 6～图 9 给出了按照表1设计的天线的仿真和测试结果.

图 6 给出了所设计天线的仿真和实测的反射系数. 从图 6 中可以看出反射系数小于-10 dB的GPS频段的阻抗带宽达到4.4%(1.56 GHz～1.63 GHz)， WLAN频段的阻抗带宽达到2.1%(2.41 GHz～2.46 GHz)， DSRC频段阻抗带宽达到了7.6%(5.68 GHz～6.13 GHz)， 测试与仿真结果相比较， 高频段的两个带宽有一定程度的变窄， 这是由于天线加工过程中介质基板厚度和测量误差导致的.

图 6 设计天线的仿真和实测的反射系数Fig.6 Simulated and measured reflection coefficientsof the designed antenna

图 7 给出了天线在整个频带内的仿真和实测的S21. 从测试结果可以看出， 两个端口之间有较好的隔离度， GPS频段的S21可以达到 -31.4 dB， WLAN频段的S21可以达到 -20.8 dB， DSRC频段的S21可以达到-17 dB， 说明天线中引入LPF明显增大了两个端口之间的隔离度.

图 7 设计天线的仿真和实测的隔离度Fig.7 Simulated and measured isolationof the designed antenna

图 8 设计天线的仿真和实测的ARFig.8 Simulated and measured AR of the designed antenna

图 8 给出了天线在GPS频段的仿真和实测的轴比图. 从图 8 中可以看出设计的天线在 1.57 GHz～1.59 GHz之间的轴比都低于3 dB， 说明很好地实现了圆极化辐射特性， 测量结果和仿真结果基本吻合.

图 9 分别给出了天线在 1.575 GHz, 2.45 GHz, 5.9 GHz时天线的仿真和实测的辐射方向图. 从图 9 中可知， GPS天线具有右旋圆极化特性， 交叉极化小于-15 dB， 最大辐射角位于正z轴方向. WLAN和DSRC天线的H面为具有低交叉极化特性的全向辐射， 不圆度低于3 dB；E面呈现锥形辐射， 所以WLAN和DSRC天线均具有垂直极化特性. 而且天线在GPS， WLAN和DSRC 3个频段内的最大增益分别达到了 3.5 dBi, 1.3 dBi和2.3 dBi.

(a) XOZ面 -1.575 GHz

(c) E面 -2.45 GHz

(e) E面 -5.9 GHz

3 结 论

本文设计了一种集GPS, WLAN, DSRC天线为一体的低剖面天线. 通过加载耦合环和加入短路销钉， 分别展宽了DSRC和WLAN频段的带宽； 通过在GPS同轴馈电线上插入一个三阶巴特沃斯滤波器， 提高了端口之间的隔离度， 仿真和测量结果均表明， 天线在GPS， WLAN， DSRC频带分别具有右旋圆极化、 全向垂直极化特性， 两个馈电端口之间获得17 dB以上的隔离度， 此外， 该设计还具有低剖面的特点， 可以应用于车载无线通信系统.