作者：郭軍朝、王斌、張正剛、夏云

電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化是汽車的技術(shù)大趨勢，而智能座艙是智能化、網(wǎng)聯(lián)化的重要組成部分。智能座艙包含的技術(shù)信息含量很豐富，例如機(jī)械、電磁、軟硬件、環(huán)境感知與識別等領(lǐng)域。本論文即是以某車型開發(fā)的智能座艙的影音域控制器為研究對象，運用基于有限元的射頻仿真技術(shù)對控制器內(nèi)的3個射頻天線進(jìn)行仿真分析，從天線結(jié)構(gòu)、電磁特性參數(shù)等角度進(jìn)行了深度研究與比較，為天線設(shè)計指明了方向。

隨著人工智能和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化成為汽車行業(yè)發(fā)展趨勢，這將給人的生活與出行帶來極大變革，汽車座艙形態(tài)、座艙功能、交互方式等也將發(fā)生巨大變化。因此，汽車智能座艙的設(shè)計成為未來汽車發(fā)展和創(chuàng)新的關(guān)鍵因素，也是打造差異化、吸引用戶的重要因素。智能座艙是傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)演變?yōu)樯鷳B(tài)產(chǎn)業(yè)的切入口，可以衍生出各種新商業(yè)模式。

智能汽車座艙發(fā)展主要經(jīng)歷了四個階段：包括電子座艙階段、智能助理階段、人機(jī)共駕階段、第三生活空間。當(dāng)前隨著智能汽車在AI算法、智能駕駛上的不斷發(fā)展進(jìn)入了L3級自動駕駛的“人機(jī)共駕階段”。在智能座艙的表現(xiàn)形式為該階段包含對語音控制和手勢控制技術(shù)突破，車內(nèi)軟硬件一體化聚合，實現(xiàn)車輛感知精細(xì)化，車輛可在上車-行駛-下車的整個用車周期中，為駕乘人主動提供場景化的服務(wù)，實現(xiàn)機(jī)器自主/半自主決策。AI座艙核心價值將表現(xiàn)為基于場景的主動化交互和服務(wù)，很多也被稱之為SOA的智能車服務(wù)[1]。

智能座艙顯示呈現(xiàn)3D、多屏化、大屏化及多樣化布局趨勢。在注重場景化交互的時代里面，座艙布局不再千篇一律。例如除傳統(tǒng)中控儀表設(shè)計外，中控臺聯(lián)屏設(shè)計在2021年被多家主機(jī)廠所應(yīng)用，從雙聯(lián)屏、三聯(lián)屏甚至達(dá)到五聯(lián)屏設(shè)計。此外，如控制屏、副駕駛娛樂屏、后排顯示屏、透明A柱等新型顯示屏出現(xiàn)在車上，也出現(xiàn)新的布局方式。2022年東風(fēng)皓極車型的兩聯(lián)屏設(shè)計，這些新穎設(shè)計無疑為新車增添亮點。

整個智能座艙架構(gòu)一般由3層模型構(gòu)成，即底層、中間層、服務(wù)層。其中，底層是硬件層，包含攝像頭，麥克風(fēng)陣列，內(nèi)嵌式存儲器（磁盤）EMMC、內(nèi)存DDR等。中間層是系統(tǒng)軟件層，包含操作駕駛域系統(tǒng)驅(qū)動（Linux/QNX Drive）與座艙域系統(tǒng)驅(qū)動（Android DriveSPI）；中間層之上是功能軟件層，包含與智能駕駛公用部分的感知軟件，智能座艙自身域的感知軟件，功能安全分析層。車機(jī)端的再向上層是服務(wù)層，包含啟用攝像頭人臉識別、自動語音識別、數(shù)據(jù)服務(wù)、場景網(wǎng)關(guān)、賬號鑒權(quán)等[2]。

本文是以某車型智能座艙的車機(jī)為基礎(chǔ)，硬件端口如圖2所示，主要是以車內(nèi)的3種射頻通信天線為研究對象，從駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場增益等角度進(jìn)行全方位仿真分析與研究，為設(shè)計人員深度理解車內(nèi)無線通信、天線設(shè)計與布局、座艙內(nèi)感知與融合技術(shù)，提供了指導(dǎo)。

圖2 智能座艙內(nèi)車機(jī)硬件端口

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天線基本理論

天線的作用是把傳輸結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成自由空間波。隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，車內(nèi)短距無線通信、車外長距無線通信、車與星鏈廣距無線通信功能使得不同頻段的車載天線使用種類、數(shù)量日趨增多[3]。

具備智能化、網(wǎng)聯(lián)化車輛一般都是通過無線系統(tǒng)與道路指示燈、前后方車輛、整車廠遠(yuǎn)程服務(wù)、云端安全、地表基站及衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行不間斷實時通信。車輛V2X的物聯(lián)網(wǎng)如圖3所示，萬物互聯(lián)之間的無線通信與射頻天線是息息相關(guān)的。

圖3 車輛V2X與多領(lǐng)域的無線通信

例如收音FM/AM天線、GPS導(dǎo)航天線、5G天線、后風(fēng)窗天線、北斗天線等傳統(tǒng)天線；又如毫米波雷達(dá)陣列天線等與主動安全有關(guān)的天線陣列，如圖4所示。

圖4 車載多種類型天線

雖然車載天線種類很多，但依然有規(guī)律可尋，可按照車載天線電磁頻譜分布的規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究[4]。如圖5所示，電磁頻譜頻率從左到右逐漸增大，對應(yīng)工作頻段的天線種類、形狀也在改變。由此可對車載天線開展從低頻到高頻的有序的天線單體研究，進(jìn)而開展車身+天線的聯(lián)合仿真研究，還可開展車載多天線隔離度的研究。

圖5 車載天線種類與電磁頻率分布

最簡單的天線即是電基本振子，又稱電流元或者電偶極子，如圖6所示，它是一段高頻電流直導(dǎo)線，其長度dl＜＜波長λ，其截面半徑a＜＜dl。導(dǎo)線上的電流處處等幅同相。這樣的電基本振子可以組成實際的復(fù)雜天線，所以電基本振子的輻射特性是研究復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)[5]。

圖6 電基本陣子輻射場

電基本振子上的電流大小使用I表示，則矢量位A可以表示為：

在球坐標(biāo)系下，由矢量位A可得輻射磁場H:

根據(jù)麥克斯韋方程，可得輻射電場E:

式中，E為電場強(qiáng)度，單位為V/m，H為磁場強(qiáng)度，單位是A/m；下標(biāo)r、θ、ψ分別表示球坐標(biāo)系的各個方向分量；ε0是自由空間介電常數(shù)，ε0=1×10-9/36π，單位是F/m；μ0是自由空間磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7，單位是H/m；k是自由空間相位常數(shù)，k=2π/λ=ω(μ0ε0)1/2,λ是自由空間波長[6]。

從設(shè)計、測試、仿真三個角度研究車載天線時，天線的參數(shù)非常多。一般工程常用的評價指標(biāo)有駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場增益、E面增益、H面增益等。

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某車型智能座艙影音域控制器

以博世經(jīng)典的五域分類拆分整車為動力域（安全）、底盤域（車輛運動）、座艙域/智能信息域（娛樂信息）、自動駕駛域（輔助駕駛）和車身域（車身電子）， 這五大域控制模塊較為完備的集成了L3 及以上級別自動駕駛車輛的所有控制功能。

座艙域/智能信息域（娛樂信息）傳統(tǒng)座艙域是由幾個分散子系統(tǒng)或單獨模塊組成，這種架構(gòu)無法支持多屏聯(lián)動、多屏駕駛等復(fù)雜電子座艙功能，因此催生出座艙域控制器這種域集中式的計算平臺。座艙域控制器（DCU）通過以太網(wǎng)/MOST/CAN，實現(xiàn)抬頭顯示、儀表盤、導(dǎo)航等部件的融合，不僅具有傳統(tǒng)座艙電子部件，還進(jìn)一步整合智能駕駛 ADAS 系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng) V2X 系統(tǒng)，從而進(jìn)一步優(yōu)化智能駕駛、車載互聯(lián)、信息娛樂等功能[7]。

本論文是以現(xiàn)開發(fā)某車型智能座艙中的影音域控制器為研究對象，影音域控制器與IP橫梁、天線罩、編號2和3的射頻天線、編號4的射頻天線，分別如圖7 a、b、c、d所示。

a影音域控制器與IP橫梁

b 影音域控制器上殼的天線罩

c 隱藏天線罩罩后的2個射頻天線

d 隱藏側(cè)面塑料件后的1個射頻天線

圖7 某車型影音域控制器實車布置

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射頻天線結(jié)構(gòu)

倒F天線就像是一個倒著寫的F一樣，兩個腳，一個是饋點，一個是短路點。倒F天線由金屬線輻射體換成金屬板，這樣可以展寬頻寬。PIFA天線在其結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含有接地金屬面，可以降低對模塊中接地金屬面的敏感度，所以非常適合用在車機(jī)內(nèi)短距無線通信，手機(jī)藍(lán)牙模塊裝置等場合[8]。

本文所述智能座艙影音域控制器的射頻天線有3個，具體結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境件如表1所示。分析三種天線的特點可得都是平面倒F天線的變形。

表1 三款射頻天線

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射頻天線仿真建模

運用Ansys公司的HFSS模塊仿真分析射頻天線，需要對天線、基材、控制器殼體、介質(zhì)分別設(shè)置相關(guān)的材料，并對金屬設(shè)置相關(guān)的理想導(dǎo)體邊界條件，施加激勵邊界條件、創(chuàng)建相關(guān)的三維空間計算域[9]。

本文影音域控制器中的三個天線的邊界條件、計算域如表2所示，為減少計算量，本文對影音域控制器的殼體僅取了部分區(qū)域進(jìn)行計算。

表2 三款射頻天線邊界及周圍計算域

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射頻天線輻射特性分析

射頻天線的電磁輻射參數(shù)很多，例如駐波比、S參數(shù)、三維遠(yuǎn)場增益等。其中，駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR，為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡寫。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗；駐波比為無窮大時，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。

天線S參數(shù)的理解：1）S11 是S參數(shù)中的一個，表示回波損耗特性，一般通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線的發(fā)射效率好不好，數(shù)值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。2）波不通過傳輸線，直接在天線饋電處對天線進(jìn)行激勵，在仿真軟件中，一般天線饋電處采用端口激勵，此處認(rèn)為端口已匹配好，若在該端口監(jiān)測到反射波，那么這個反射波也不是由于該端口處沒有匹配好造成的，而是在波傳播方向上天線阻抗不匹配以及環(huán)境的反射所致。3）波通過傳輸線，連接天線，通過激勵傳輸線的端口，進(jìn)而將波的能量通過傳輸線輸送給天線，通過天線將電磁波輻射出去。

增益是指在輸入功率相等條件下，天線在最大輻射方向上某點的功率密度和理想的無方向性天線在同一點處的功率密度（或場強(qiáng)振幅的平方值）之比。天線效率是指天線輻射功率與輸入到天線的總功率之比。增益是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線效率的乘積[10]。

本論文仿真研究得到的三個射頻天線駐波比參數(shù)、遠(yuǎn)場輻射增益的比較如表3所示。

表3 三個射頻天線的駐波比、遠(yuǎn)場輻射增益分析

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天線參數(shù)比較分析

為橫向比較三個射頻天線的不同，本文詳細(xì)分析射頻天線的參數(shù)，例如最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大增益、最大實際與系統(tǒng)增益、輻射功率、凈輸入功率、輸入功率、輻射效率、前后向軸比、延遲因子等參數(shù)[11]。

本文研究的三個射頻天線的參數(shù)如表4所示，表中5列分別是變量、參數(shù)解釋，天線1工作2.45GHz時的最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、增益與功率及效率，天線2工作在2.45GHz時對應(yīng)的參數(shù)，天線3工作在2.45GHz時對應(yīng)的天線參數(shù)。

表4 三種天線在2.45GHz時的多參數(shù)的比較

天線形狀不同使得天線的工作頻段也不同，也影響著駐波比的大小及S參數(shù)。一般是希望S參數(shù)波谷點與天線工作頻點相對應(yīng)，駐波比參數(shù)一般在2～5范圍之內(nèi)[12]。本文研究的三個射頻天線的駐波比、S參數(shù)分析如表5所示。

表5 三個射頻天線的駐波比與s參數(shù)比較

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結(jié)論

本論文首先簡要介紹汽車智能化核心組成-智能座艙的構(gòu)成與功能，進(jìn)而引出無線通信技術(shù)在智能座艙中的應(yīng)用是日趨廣泛的，并且從電磁頻譜角度闡述天線在汽車開發(fā)中的應(yīng)用。其次詳細(xì)描述射頻技術(shù)在車機(jī)中的應(yīng)用，梳理總結(jié)如下：

本論文運用Ansys公司基于有限元原理的HFSS模塊，對在研車型的智能駕駛座艙的影音域控制器內(nèi)射頻天線進(jìn)行電磁仿真分析與研究，并且仔細(xì)對比了三個天線的電磁輻射特性。

從工作頻率角度分析，建議調(diào)整射頻天線1設(shè)計方案，使天線諧振頻率從2.7GHz變?yōu)?.45GHz；從駐波比角度分析，建議對射頻天線2進(jìn)行設(shè)計方案修改，使得其駐波比在2以下；從最大輻射場強(qiáng)、輻射效率角度分析，射頻天線3設(shè)計方案是比較合理的。

本文在仿真三款射頻天線時，未考慮同軸線束、錫焊接地點等細(xì)節(jié)對阻抗的影響，今后采取措施使得天線輸入阻抗在合理范圍內(nèi)是后續(xù)工作研究的重點。

審核編輯：郭婷