SAECCE 2020 | 上汽王洪武:智能网联车载天线性能开发验证浅析

2020-10-30    179
摘要:SAECCE 2020 | 上汽王洪武:智能网联车载天线性能开发验证浅析2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会

2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办,汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,上海汽车集团股份有限公司王洪武在本次大会上发表了主旨演讲。

SAECCE,电磁兼容,车载天线

 以下为演讲实录:

各位领导、各位专家,大家下午好!很荣幸能够进行今天的主题分享,我今天分享的题目是“车载天线性能开发与验证浅析”,我们做的时间也不是非常长,我是做一个简单的介绍,也希望借今天的机会能够跟各位专家做一些交流和探讨,如果有不对的地方也希望大家能帮忙指正。我主要讲三块,第一块是车载天线简介,第二是零件级性开发与验证,第三是整车级的性能匹配与验证。

首先说一下车载天线,这里面有个关键词就是“车载”,有一种说法就是我们的车辆现在是一个跑在路上的手机或者说终端,从天线的角度我个人觉得描述得不是非常准确。车载天线相对于手机天线可能没有手机天线那么高的小型化的要求,但是它相对于手机天线有自主的难点,觉得主要是两块。第一块是它的一些功能应用和场景需求更复杂,比如说它有天上的卫星通讯,有和电台、基站的通讯,再到和基础设施,人、车之间的通讯,以及用户车内、车外感知的交互,它的通讯内容和场景需求非常多。第二个难点,车载之后天线是装在车上的,会随着车的运行以及工作情况的环境跟车一致,所以它会处在非常眼库的环境,震动、运动,机械的,然后非常复杂的电子,车载天线就处在车载这个环境下面,它的性能要求也是非常高的。

现在大家看的比较多的天线是12级天线,车外做好的天线不是非常多,好的天线在车内。现在车身级基本还是钢结构,可以说这些车内天线处在钢结构的环境下工作的,环境也是比较恶劣的。这个图是说现在车上的天线越来越多,包括我们刚才说的各种场景。

简单把车载天线用一个坐标轴体现,横坐标是频率,做EMC或者做射频比较关注的是频率。纵坐标是车载天线发展的应用阶段,早期的车是收音电台的应用,后面有移动通讯的应用需求,我把导航等需求方在这个阶段。再往后有娱乐交互应用需求,再往后有车身舒适性的应用阶段,这个时候主要是4G,胎压监测,比如说无线充电,仪表传感器放在这个地方,现在目前比较热的智能网联阶段,EWB做定位,ETC做前装的开发需求,然后自动驾驶雷达的应用,现在还有NFC的应用在这个范围内。总体上看到车载天线应用的频段越来越宽,大概从100K到100G的范围,它应用的内容越来越多,也就是现阶段车上车载天线这么一个情况。

前面说了这么一个大概的车上天线的应用情况,这个地方是把我们企业的一些典型车载无线电收发零件、系统列了一个表在这里。比如动力电池,按照频率从低到高,比如动力电池的无线充电,125K的应用,像无钥匙进入,钥匙低频的应,手机无线充电的应用。然后是收音电台的AM、FM、DAB,然后是43钥匙的高频,433的TPNS,然后是移动通信1G、2G、3G、4G、5G的频段,然后下面是导航定位GNSS的频段,然后是wifi是DT的,包括wifi的5G频段,然后UWB的定位,然后UTC的,然后V2X,以及车载雷达的,还有4G,这些天线会涉及到一些系统零件,右边这一列是说它涉及到哪些系统零部件,可能每家车企表现形式稍微有一点差别。

前面说了车上有这么多的天线,我们是不是可以做一个总结概括,就是这些天线看上去各个需求都不一样,平台也不一样,应用也不一样。我们简单概括一下车上的天线是怎么样的情况,这个大框,我们车上的天线可以是单零件,也可以是多零件组成的系统,这是目前的状态。下面绿框,首先我们肯定有天线和收发机,这两个是实的绿框。中间两个虚的绿框根据需求,你的实际零件的天线如果有匹配的需求,会增加一些匹配。再中间如果是有天线的,肯定需要有放大器,这里面把滤波放大,这个滤波可以根据你实际的需求,是增加滤波,或者做一些调整,放大的话也可以根据你的需求做一些放大的需求。收发机这一头不同天线根据应用需求可以紧收,也可以是紧发,也可以收发都有。所以车载天线形式总结一下就是这么一个表现形态。

下面说一下零件级的开发和验证,这边是一个流程,零件级的车载天线怎么做开发和验证。第一步要明确开发的需求,需求主要是频率范围,零件有多大的尺寸可以做设计,然后这个天线是全向天线还是定向天线,方向性的要求,然后射频性能的指标要求,基于这些需求来选择特定的天线形式。这里的天线形式可以有很多种,常规见到的是一些个PCB板载天线,还有GPS经常用的陶瓷天线,还有螺旋天线,也有PCB的螺旋天线,还有杆天线,还有玻璃天线,还有放在零件内部用一种软膜贴片技术的,各种天线形式都可以根据你的要求选择合适的做设计。

选择天线之后怎么做设计?天线的设计肯定是要靠仿真实现的,天线仿真精度的确比电磁兼容仿真的精度高很多。第一步我们要做仿真设计,仿真设计的点涉及到谐振频率、特性阻抗、驻波、增益,如果你是单天线,别人是多个天线,你要考虑隔离度,隔离度设计是否达到要求。基于这些仿真设计出来的方案之后,下面就是做一个原型调试,可以是一个简单的模型上做一些铜模贴片,再做实体的测试验证,基于原型调试,调试完之后,基于原型调试的方案再做最终的制板打样,制板打样包括天线端的,低噪放的设置,基于这些制板打样。制板打样回来之后做车载级零件的一些测试验证,包括常规的EMC、环境、可靠性、材料,这些是必须要做的。对于天线的零件必须要做天线的性能,以及硬件的性能是不是能达到前面提到的射频指标的要求。

我重点说一下仿真设计以及后面的测试验证,仿真设计说一下仿真的方法,主要是看左上角驻波的仿真结果,左下角是有隔离度的仿真结果,中间是二维的增益仿真结果,右上角是三维的方向图,基于驻波、增益、方向图、隔离度这些指标来和目标做匹配,看看天线单体设计是不是达到零件级单体的要求。

天线零件出来之后做测试验证,关于测试验证我分了两大类,第一大类是研发测试,第二大类是无线电收发的认证测试。研发测试里面包括两大块,第一块是天线性能的测试,包括增益、效率、驻波、隔离度、方向图等等。低噪放硬件测试,包括增益、驻波比、带外抑制、特性阻抗、噪声电平系数,AGC动态范围,还要关注一下二阶三阶互调产物。对认证测试主要分四大块,第一块是RF的认证测试要求,第二是电磁兼容的认证测试要求,第三是健康的,第四块是安全的。安全主要是一些带宽类的测试要求,功率类、灵敏度测试要求,以及带外、杂散、邻道、阻塞、互调的、自适应测试要求。EMC主要是发射测试和抗扰测试。健康主要是电磁场暴露,安全主要是起火和烫伤的风险,以及电池的天线零件的安全要求。

这边有几张照片,左上角是天线零件的增益测试场地,左上角的场地是接收天线或者发射天线在远端,被测天线在转台,这个转台两个轴向可以调节,横向可以360度转,纵向可以360度转,这样可以实现天线360度增益、方向图的测试。下面是常规的大家经常看到的多探头的,我们直接把被测部置于多探头的中心,通过多探头测天线3D的增益、方向图,这是目前天线里经常采用的两种方式。

下面是整车级的,首先说一下为什么要做整车级的性能储备和验证。这里有一个图,我们是不是简单理解天线单体,我再关注整车本身的,把两个做一个叠加,是不是知道天线装到整车之后天线的性能表现是什么样子,这个其实是要打一个问号的,会受各种环境的影响,我们也仿真测试,结果还是会有比较大的差别。所以我们要做整车级的性能匹配和验证。

同样,我们整车级主要关注点就是增益方向图的分析,我们首先要出整车的模型,这个整车模型会做一些简报,保证大体的模型不差。天线周围的模型是必须要的,影响天线性能的要比较完整的。天线上了整车之后,方向图的仿真结果主要关注的是增益,包括最大、最小和平均增益,右侧是3D的结果。

再说一下整车级的测试,最大的问题主要一个是太重,前面天线的场地做整车级的测试基本不可能实现。第二个它不可能支撑在原型厂的中间,它需求的频率段非常宽,你如果想满足整车前面提的所有关注频率段的性能,这个场地是一个多种测试场地高度融合的方案。

这里面说一下有哪些场地的形式,第一种是我们常说的直接测量法里面的传统远场,隔着远场测天线上整车之后它的增益结果,这地方是必须要达到远场的条件。包括室内的远场,也包括室外的远场。第二,通过个紧缩场的形式,通过反射面来实现远场条件,就是通过发射面,可以是单反射面,也可以是多反射面紧缩场的形式直接测量远场的方式。第二块是间接测量法,可以是单探头或者多探头,按照测试场地的形式可以是一个平面近场,也可以是柱面近场,也可以是一个球面近场,不同的测量场地是不同的形式。通过近远场算法来实现得到关注远场的测量结果。

车上的需求非常多,靠一种场地来实现这么多频段,从低频段,我们从FM开始70多兆,一直到雷达80G,靠一种场地实现非常困难,需要多种场地融合。现在也看到复合场地,比如多探头近场和远场的融合,各种融合的形式,也可以是多种场地做分开的形式。右边是示意图,这是一个效果图。

我们也会在一些实际场地做相关的测试验证,左上角是一个室外远场,被测物搁在转台上,被测天线在隔着30米的地方,是室外远场的测试,可以测一定远场的2D方向图。左下角是单探头的进场的测试场地,这个探头是通过遥地形式实现3D的测试,中间是多探头的探头孔的测试场地,来实现整车的天线增益测试结果。除了天线增益的测试以外,我们也会关注车上这些天线处于通讯状态的情况下我们来验证它的EMC性能是不是能够达到我们的要求,我们也会在EMC场地实现天线通讯的状态来验证它的天线性能在EMC的条件下是不是可以。

我今天要讲的内容就是这些,谢谢大家。

敬请关注“2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)”直播专题:https://auto.gasgoo.com/NewsTopicLive/282.html

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)


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