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车载5G+北斗高精度定位组合天线研究

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  一、研究的背景和意义
  随着5G移动通信技术的蓬勃发展,5G网络建设已提速到大规模商用阶段。另一个振奋人心的好消息是我国自主研发的北斗卫星导航系统已于2020年6月发射了最后一颗组网卫星,提前实现了全球覆盖和部署。而5G技术和北斗卫星导航技术的一个大规模的应用前景是以汽车智能驾驶、智能轨道交通为代表的出行领域。在这个领域,要实现智能化、网联化就需要把5G技术、卫星导航技术还有车联网V2X技术以及传统的WIFI等系统都融合在一起,才能为智能系统按上眼睛,插上翅膀。
  上述这些系统的应用都离不开终端天线的支持,新的需求带来新的研究方向,多种功能、多种频段的天线同时工作还要组合在一个终端上得以实现,是以往没有过的或者说现在的复杂程度远远超过了以往。这就需要研发能面向车载系统的新一代通信+北斗组合天线并实现产业化。这是行业发展的需要,同时在目前复杂的国际形势下更需要我们产业链的上下游做到自主可控,避免被其他国家卡脖子或者垄断该细分领域市场。
  二、研究的必要性
  必要性体现在组合天线系统是未来车载通信的核心部件,也是高技术含量、高附加值的產品。本项目的研发结合了5G通信技术和北斗卫星导航技术等先进技术,不仅是系统的重要组成部分,也是未来实现智能出行的一个重要基础,因此它的开发是非常有必要的。
  1)从安全性来说,组合天线结合后端的各种设备。可以使得交通设备获得更多的必要信息,实现互联互通。这样在智能系统的控制下就可以减少各种交通事故发生的可能性,提升出行的安全系数,挽救更多的生命,因此是十分必要的。
  2)从经济性上来说,本项目以及其支持的智能系统的实现。可以把人从交通设备的驾驶控制中解放出来,可以在出行过程中处理更多工作、生活娱乐,提升了效率。
  3)从技术上来说,本项目开发的组合天线,具有高性能、高集成度、高可靠性的特点。不仅可以应用于车载领域,也可以推广到未来信息社会各种终端设备上,将会起到非常大的作用。
  三、设计方案
  3.1 整机结构
  新一代车载多系统集成天线外形呈鲨鱼鳍形,天线尺寸220×60×70 mm,紧凑小巧集成度高,易于加工装配,尤其适用于各种车辆顶部安装,各部分如下所示。
  3.2 解决的关键技术
  (1)高精度北斗导航天线单元
  设计难点:由于集成天线整体空间有限,空间内同时存在其他天线,留给导航天线设计的尺寸较小,这对天线的带宽和效率有较大的影响。
  解决方法:在天线输入端加入匹配段,通过引入短路枝节的方式改善输入阻抗,从而优化天线驻波带宽,提高天线整体效率。采用正弦曲线绕制的四臂螺旋天线,缩减了天线的体积,天线高度仅15mm,直径30mm。天线采用锥形模型,可以更有效的利用集成天线的内部空间,又不破坏其外形结构,同时有较宽的带宽,能够覆盖卫星导航全频段需求,同时有较高的增益和良好的方向图,相位中心稳定,前后比和交叉极化较好,使得抗干扰能力较好。天线性能指标仿真结果如下:
  (2)3G/4G/5G通信天线单元
  设计难点:现有天线单元受限集成天线整体空间以及多天线布局,设计尺寸较小,对天线的带宽和效率有较大的影响。
  解决思路:对传统4G天线模型。通过引入遗传优化算法来构建天线体构型,这样做的好处是可以展宽天线的工作带宽,优化天线的驻波和增益。仿真和测试结果天线的驻波带宽得到了增加,天线高低频边界的增益也得到了明显的改善。
  (3)北斗卫星导航天线有源放大电路方案
  导航卫星发射的信号到达地面强度都比较低,因此天线后面需要低噪声、高增益的放大器来接收放大,同时需要用低插损,高抑制的滤波器放在放大器前面滤波带外的干扰信号。本项目用三级放大,两级滤波,实现40dB的增益,1.05dB的噪声系数,带外100MHz处40dB的抑制。
  这些有源放大电路布置在1.2mm厚度,直径116mm,介电常数4.6的FR4板材上,并用金属屏蔽罩把放大电路完全屏蔽起来。天线的上板和下板叠在一起装在PCB有源线路板板的另外一面,通过8个馈针穿过PCB板与电桥网络连接。
  1200MHz频段和1500MHz频段的信号先由天线接收,三个电桥合路后都先经过各自的第一级介质滤波器滤除带外的干扰信号,要求该介质滤波器插损尽量小,,带外抑制尽量大,这样对总体噪声系数的影响才最小,然后经第一级放大器放大后再经过第二级介质滤波器进一步滤除带外的干扰信号,最后合路在一起经第二、三级级放大器共同放大后输出。由放大器输出口进入的5V电源先由ESD管消除脉冲干扰信号后进入稳压管稳压,输出稳定的3.0V电压给各放大器供电。
  放大器级联参数如下:
  根据以上级联计算可知,增益为30dB时,噪声系数为1.15dB,输入P1dB为-39.52dBm,总电流为40mA,各项指标均可以满足技术要求与目前现有技术相比,本项目有源电路布置更加紧凑,噪声更低,天线电性能更加稳定,满足了小型化,高性能测量天线的要求。
  四、技术创新点
  (1)优化设计的全频段通信辐射单元:针对通信天线尺寸较小,周围又有V2X天线等其他天线环绕的环境,在原有倒F天线的形式上,引入遗传优化算法,通过编程优化,改变原有辐射构型,使得天线性能更佳能够覆盖现有3G/4G/5G频段,对天线之间的影响更小。
  (2)小型化的全频段北斗天线:针对车载北斗高精度卫星导航天线设计要求,采用圆锥四臂螺旋天线的方式更好的发挥它的性能优势,因为它的形状与车载鲨鱼鳍天线截面外形接近,可以最大化的利用空间,利用四臂螺旋天线馈电点多,相位中心精度高,抗干扰能力强的优点来适应车载环境
  (3)优化的阵列天线布局:考虑到车载天线的风阻外形,以及各个天线的特性来排布安置方式,因此把最容易受干扰的北斗导航天线与通信天线拉开前后到适宜距离,同频天线保持合适距离。合理利用空间,保证每个天线的性能得到最大程度的发挥。
  (4)天线融合去耦合技术:在不同频段天线后插入相应的高通或者低通滤波器。可以很大程度上滤除天线之间互相耦合的信号,提高了不同天线之间的隔离度。保证了各个通信系统和导航系统的正常工作。
  (5)抗干扰电路技术:在天线低噪声放大器前端,加入低损耗介质滤波器,在信号放大前抑制了通讯基站信号以及其他干扰信号,同时电源采用低噪声高隔离稳压电源,有效地抑制了来自接收机电源带来的干扰,通过多层屏蔽的方式提高了抗干扰效果。
  (作者单位:深圳市鼎耀科技有限公司)

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