天线设计的基础知识

作者：贸泽电子Mark Patrick

现代车辆能够提供一系列令人眼花缭乱的驾驶员安全性、舒适性和信息娱乐等功能，其中许多都依赖于无线连接。集成有天线预认证无线的模块产品非常受市场欢迎，但它们却不能为某些特定应用提供可行的选择方案。当工程团队需要将天线作为设计的一部分时，市场存在哪些选项？本文将讨论这些问题。为了帮助读者，我们在本文中也涵盖了天线设计的基础知识，并帮助解释选择天线时可能遇到的一些术语。本文还将重点介绍安装在车辆外部的天线，例如用于 ADAS、GPS、V2X，以及安装在 ECU 或信息娱乐系统内部的天线，其目的是实现车载 Wi-Fi 和蓝牙连接。

连接性和当代汽车

从1970 年代使用的简单伸缩天线开始，汽车天线已经走过了很长的发展过程。早期阶段，在信息娱乐系统出现之前，我们需要天线的唯一目的是用于汽车收音机。而今，越来越多的功能需要天线。信息娱乐系统可单独承载收音机、导航系统以及与智能手机的无线连接；高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 的某些方面还需要与其他基于云的服务进行无线连接，以便查阅交通路线，实现更复杂的车对车 (V2V/C2C) 和车对基础设施 (V2X/C2X)通信功能。在车内，无线通信用于提供Wi-Fi，为乘客提供便利以及实现不同功能之间的通信，例如，可用于车门后视镜中盲点检测指示器。

现在已经是汽车互连时代，不起眼的天线却发挥着重要作用，能够为车内和车外服务提供可靠且灵活的无线通信。

选择合适的天线需要充分了解应用需求，其中工作频率是基本参数。当今的车载收音机调谐器很少有中波（530 ～ 1,700 kHz）或长波（150 ～250 kHz）频段选项，而甚高频 (VHF) 调频 (FM) 广播电台（80 ～108 MHz）则最受欢迎。英国数字音频广播 (DAB)等更高质量数字广播已经开始出现，它们使用 175 ～240 MHz 频谱。

除了无线电广播，其它主要的无线频率范围包括 Wi-Fi 和蓝牙 - 2.4 GHz、GNSS - 1.1 ～ 1.6 GHz，以及手机 - 700 MHz、850 MHz 和 1,700 ～ 2,100 MHz。此外，5G 蜂窝通信在之前的基础上增加了 6 GHz。大多数 V2X/V2V 应用使用以 5.9 GHz 为中心的蜂窝通信方法。

天线类型

天线大致分为外部天线和内部天线两大类别。

外部天线通常安装在车顶后方，以最大限度地减少来自发动机的电气干扰。除了天线的电气特性（将在下一节介绍）之外，保护天线免受湿气、灰尘和其他污染物进入也至关重要。国际 IP 标准定义了入口的保护。天线由于暴露在恶劣的天气条件下，需要在潮湿、结冰或遭受强风等情况下可靠运行。许多外部天线封装在“鲨鱼鳍”式塑料外壳内，以满足车辆美学和环境条件要求。天线外壳为流线型，材质也可喷涂为车辆颜色。其他外部天线包括“圆盘”式装置，通常能够以磁性方式附着在车身上。许多外部天线将多个天线组合在同一个外壳内，但都采用单独布线，例如GNSS、蜂窝/5G 和 V2X/V2C等天线。

内部天线则比较多样化，通常可安装在 PCB 上或蚀刻为 PCB 金属线迹。一些内置天线设计安装在所连接系统的外部，并且通常随附一个自粘安装垫和一条连接到嵌入式系统的同轴电缆。

天线基础知识

在为您的应用选择天线时，需要考虑几个关键参数。天线的性能包括几个不同的属性，可确保将射频能量从发射器以最有效的方式传输到天线，之后辐射到自由空间。发射器的信号输出是沿传输线（例如同轴电缆）发送到天线。同样，接收到的信号也需要被天线有效地拾取并传输到接收器。天线是最简单形式的一段电线，其长度由所需要的工作频率决定。当天线的长度等于发射或接收信号的波长时，天线就会发生谐振。例如，频率为 2.4GHz时的波长为 12.5cm。

在大多数情况下，天线的效率仅限于较窄的频率范围。天线能够以多种不同方式构建，其中最简单的是偶极子。偶极子通常是根据它们的工作波长来描述，即全波或半波偶极子等。

为了帮助选择和阅读天线数据表，以下是可能遇到的一些关键参数简要说明：

回波损耗：该术语表示天线与发射器的输出部分和传输线的匹配程度。回波损耗以 dB 表示，表示由于不匹配而从天线和传输线反射发射器输出信号的多少。大多数天线的阻抗为 50欧姆，因此它们需要与传输线和发射器末级相匹配。回波损耗以 dB 为单位，其值越高，反射功率越小。完美匹配会导致几乎无限（infinite）的回波损耗。另一种测量回波损耗的方法是使用电压驻波比 (VSWR)，VSWR 表示发射器输出功率与反射功率量之间的比率，完美的匹配可表示为 VSWR 1（也就是 1:1）。VSWR 或回波损耗参数都会在特定频率或工作窄带频谱的天线数据表中指明。

VSWR 为 2 时表示回波损耗为 10dB，这些指标可用作设计要达到的最佳实践基准。

数据表通常包括天线 VSWR 和回波损耗性能与频率的关系图。图 1 说明了 PulseLarsen 天线的 VSWR 图表，其最佳工作频率范围为用于蜂窝或 ISM 通信的 650 ～ 880 MHz。

图 1：PulseLarsen 薄型天线 ICEFIN 系列的 VSWR 图表。（来源：PulseLarsen）

辐射方向图和天线增益：图 2 重点显示了PulseLarsen ICEFIN 天线的辐射方向图特性。一些天线的结构使其在某些方向上比其他方向能够更有效地辐射射频能量。有时一个天线会出现某个特定增益，在给定方向上的辐射功率量大于天线的输入功率。全向辐射图被认为是大多数实际应用的理想选择，并且平面特性（垂直/仰角或水平）对于某些应用至关重要。请注意，天线特性中接收性能和发射性能同样重要。

图 2：PulseLarsen ICEFIN 天线的辐射特性。（来源：PulseLarsen）

阻抗匹配：如前所述，大多数天线提供 50 欧姆的阻抗。天线需要与发射器和传输线的输出阻抗相匹配。对于一根同轴电缆，其阻抗对于外部天线来说是匹配的，但如果您必须添加电缆，则必须同样与天线的阻抗相匹配。对于 PCB 天线，可能需要在收发器 IC 和印刷或表面安装天线之间创建一个匹配电路，该电路通常由电感器和电容器组成，其阻抗随频率变化。天线的阻抗和回波损耗/VSWR 特性可使用一种称为矢量网络分析仪 (VNA) 的专业测试工具进行测量，矢量网络分析仪可作为独立仪器使用，或集成到高端射频频谱分析仪中一起使用。

矢量网络分析仪通常包含许多带有图形显示的测试功能，例如 VSWR、回波损耗和阻抗等。天线阻抗通常显示为史密斯圆图（Smith chart），请参见图 3。

图 3：Taoglas MA310 GNSS 天线的阻抗史密斯圆图。（来源 ：Taoglas）

简而言之，图表的中心线（红色）是电阻阻抗。在上方，它是电感性，在下方，为电容性。右边是开路情况，左边是短路情况。绿色曲线突出显示了天线阻抗随频率的变化。红线上的 1.0 位置表示天线阻抗的完美匹配。

示例天线

Taoglas Raptor 3是一个外部安装“鲨鱼鳍”型IP67 级天线示例。该天线适用于汽车和商用车等应用，并可把多个天线集成在一个封装中，可提供 GNSS、4G/5G 蜂窝 MIMO、双频 Wi-FI、有源 AM/FM 天线和 TETRA（集群无线电）。

 

对于 GNSS 应用，内部安装的嵌入贴片式Taoglas GPDF357 支持所有 GPS 和伽利略频段，并可提供良好的增益和全向功能。此外，该紧凑型天线适用于智能农业和公共安全领域的一系列高精度定位应用。

 

另一种多频段天线是外部安装的 4 合 1 Taoglas MA354 ，这种扁平紧凑型 IP65 级天线具有集成的磁性安装座，可在车辆上快速免钻孔安装。五个内置天线支持双频 Wi-Fi、兼容3G/2G的4G/5G和GNSS。

 

另一种外部安装的 IP67 级多频天线是 PulseLarsen IceFin系列。该系列能够提供的天线工作频率范围是 698 ～ 6000MHz。

 

PulseLarsen 还提供一系列天线套件，包含用于原型设计和开发目的各种嵌入式、内部和外部天线。该套件可提供三个版本：工业、科学和医疗 (ISM) 天线套件、LoRa 天线套件和物联网 (IoT)。其中一个例子是物联网天线套件，它包含 26 种不同的天线，适用于各种采用双频 Wi-Fi、蜂窝和 GNSS 连接的物联网应用，天线类型包括陶瓷、螺旋（helical）、PCB、棒型和刀片变体型等等。

可靠连接需要合适的天线

在本文中，我们总结了能够帮助您进行天线选择的基本信息，其中也介绍了一些流行的天线类型，并举例说明了一些示例。为了帮助理解数据表信息，我们还简要讨论了一些需要注意的重要天线参数，这些或许能帮助您针对具体应用选择适合的天线。