背景信息

智能網(wǎng)聯(lián)汽車——又被稱為“互聯(lián)網(wǎng)汽車”，代表著汽車行業(yè)的未來發(fā)展方向，其設(shè)計思想是利用智能感知和控制，讓乘車旅行更加安全，路線規(guī)劃更加合理，同時引進(jìn)新一代的互聯(lián)網(wǎng)娛樂系統(tǒng)，讓旅行更加充滿樂趣。根據(jù)中國汽車工程學(xué)會（SAE-China）的研究表明，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)（V2X）的廣泛應(yīng)用可使普通道路的交通效率提高30%以上。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的官方數(shù)據(jù)顯示，車輛與車輛通信技術(shù)（V2V）能預(yù)知即將發(fā)生的交通事故并對潛在危險發(fā)出實時預(yù)警，它的廣泛應(yīng)用能幫助避免高達(dá)81％輕微碰撞事故。

未來車聯(lián)網(wǎng)將存在多種通信需求，涉及多種協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，包括：車輛間通訊的DSRC(一種Wifi升級技術(shù))或LTE-V標(biāo)準(zhǔn)、定位用的GPS協(xié)議、與互聯(lián)網(wǎng)通信的WiMax或WLAN標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議所采用的頻段、抗干擾方式和傳輸距離等各不相同。這就對車聯(lián)網(wǎng)的接收設(shè)備——尤其是車載天線——提出了非常高的要求。然而，現(xiàn)有的車載天線系統(tǒng)已經(jīng)沿用多年，普遍存在頻帶單一、傳輸距離短、抗干擾能力弱和布局復(fù)雜等問題，將無法滿足未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車在主動安全、智能規(guī)劃和娛樂方面的需求。因此，開發(fā)新型的車載天線已經(jīng)成為汽車行業(yè)的共識。

技術(shù)挑戰(zhàn)

對于工作于不同頻段的車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，采用多個傳統(tǒng)的硬質(zhì)天線既不利于系統(tǒng)的兼容也不利于車體的空間布局。在華東交通大學(xué)劉海文教授的指導(dǎo)下，劉凡所在團(tuán)隊結(jié)合未來車聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展需求，在國內(nèi)外天線小型化技術(shù)、共形天線和多頻帶天線的研究基礎(chǔ)上設(shè)計了一款極具創(chuàng)新價值的新型車載天線——五角星形狀的柔性四頻帶天線。該天線如下圖所示：

天線實物機(jī)械柔性展示

該款天線具備以下重要特點：小型化、抗干擾能力強(qiáng)、支持多頻帶，同時其形狀極為輕薄，被稱為與車輛外觀可以無縫匹配的“共形天線”。該發(fā)明具備良好的應(yīng)用前景。

然而，這一創(chuàng)新仍然需要克服電磁兼容的問題。天線安裝在車體上后，其輻射性能會受到汽車車身影響發(fā)生改變，由于天線的工作頻段不同、安裝位置不同，受車體的影響也不同。所以，劉凡團(tuán)隊還必須通過仿真技術(shù)解決天線在汽車整車布置位置的優(yōu)化問題，這本身也是非常巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

解決方案

為了得到天線的最佳布局位置，劉凡所在團(tuán)隊在Altair公司技術(shù)團(tuán)隊的幫助下，使用Altair公司的三維電磁場仿真軟件FEKO進(jìn)行1:1車體模型與天線的聯(lián)合仿真。利用FEKO 軟件在電磁仿真分析領(lǐng)域尤其是在大尺寸問題仿真方面的優(yōu)勢，通過建立天線與汽車的耦合仿真模型(如圖2)，并通過布局優(yōu)化分析，最終找到最佳的天線安裝位置，實現(xiàn)了天線的性能最優(yōu)，為其滿足車聯(lián)網(wǎng)通信的需求打下了良好的基礎(chǔ)。

利用FEKO建立的天線與整車仿真模型

具體過程包括，選取了四個最常見部位進(jìn)行天線布局，分別是：(a) 后風(fēng)窗處，(b) 內(nèi)后視鏡，(c) 鯊魚鰭，(d) 車頂位置。在頻率2.4GHz處的輻射方向圖，如圖3所示。由于車體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對天線產(chǎn)生的影響，可以觀察到天線共形后輻射方向圖變得十分不均勻，出現(xiàn)了很多毛刺狀的旁瓣。最后該設(shè)計通過平均增益這一指標(biāo)對車載天線在車體不同位置的電磁輻射性能進(jìn)行評估和比較。

天線共形于不同位置時2.4GHz的輻射方向圖

最終通過仔細(xì)分析，確定安裝于后風(fēng)窗位置，天線的性能更加適合車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

成就

（感謝華東交通大學(xué)劉凡給我們提供本期案例）

劉凡及其團(tuán)隊的創(chuàng)新車載天線設(shè)計方案，其本身具備卓越的性能——小尺寸、支持多頻帶、抗干擾能力強(qiáng)且可與車身共形等，同時又在很大程度上解決了布局這一工程實際問題，因此獲得了工程界的一致重視。該項發(fā)明在由共青團(tuán)中央、中國科協(xié)、教育部和全國學(xué)聯(lián)共同主辦的全國性的大學(xué)生課外學(xué)術(shù)實踐競賽——“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽中，通過三輪激烈的角逐最終獲得江西賽區(qū)一等獎殊榮，并獲得全國總決賽的參賽資格。未來，劉凡先生及其團(tuán)隊也在考慮將此款創(chuàng)新設(shè)計天線推向?qū)嶋H應(yīng)用。

團(tuán)隊介紹

華東交通大學(xué)射頻通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)江西省重點實驗室以射頻電子學(xué)與傳感器網(wǎng)絡(luò)研究為背景，致力于射頻、微波電路的基礎(chǔ)理論與設(shè)計技術(shù)研究。在實驗室主任劉海文教授的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊提出具有小型化、多頻帶、強(qiáng)抗干擾能力、可共形、易于批量生產(chǎn)的柔性天線，旨在解決現(xiàn)今車載天線設(shè)計中頻帶單一，信號覆蓋范圍小，抗干擾能力弱等問題。該天線在保障車聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度，車載娛樂等方面具有重要意義。

“FEKO軟件是一款功能強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件，其靈活的求解設(shè)置，可提供任意結(jié)構(gòu)的電磁場分析。在Altair公司專業(yè)、充滿熱情的技術(shù)團(tuán)隊支持下，我們的團(tuán)隊成功完成了對車載天線的設(shè)計創(chuàng)新，并為該設(shè)計的工程應(yīng)用創(chuàng)造了條件。這一非常實用的創(chuàng)新設(shè)計是我們團(tuán)隊贏得“挑戰(zhàn)杯”一等獎的關(guān)鍵。整個設(shè)計過程完全由仿真驅(qū)動，印證了Altair公司 ’仿真驅(qū)動設(shè)計 ’的理念！”

——華東交通大學(xué) 劉凡