背景信息

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)——又被稱(chēng)為“互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)”，代表著汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，其設(shè)計(jì)思想是利用智能感知和控制，讓乘車(chē)旅行更加安全，路線(xiàn)規(guī)劃更加合理，同時(shí)引進(jìn)新一代的互聯(lián)網(wǎng)娛樂(lè)系統(tǒng)，讓旅行更加充滿(mǎn)樂(lè)趣。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（SAE-China）的研究表明，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)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(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）的官方數(shù)據(jù)顯示，車(chē)輛與車(chē)輛通信技術(shù)（V2V）能預(yù)知即將發(fā)生的交通事故并對(duì)潛在危險(xiǎn)發(fā)出實(shí)時(shí)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(lái)車(chē)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(chē)輛間通訊的DSRC（一種Wifi升級(jí)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(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的接收設(shè)備——尤其是車(chē)載天線(xiàn)——提出了非常高的要求。然而，現(xiàn)有的車(chē)載天線(xiàn)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(wèn)題，將無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)在主動(dòng)安全、智能規(guī)劃和娛樂(lè)方面的需求。因此，開(kāi)發(fā)新型的車(chē)載天線(xiàn)已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)。

技術(shù)挑戰(zhàn)

對(duì)于工作于不同頻段的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，采用多個(gè)傳統(tǒng)的硬質(zhì)天線(xiàn)既不利于系統(tǒng)的兼容也不利于車(chē)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(duì)結(jié)合未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展需求，在國(guó)內(nèi)外天線(xiàn)小型化技術(shù)、共形天線(xiàn)和多頻帶天線(xiàn)的研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款極具創(chuàng)新價(jià)值的新型車(chē)載天線(xiàn)——五角星形狀的柔性四頻帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)如下圖所示：

天線(xiàn)實(shí)物機(jī)械柔性展示

該款天線(xiàn)具備以下重要特點(diǎn)：小型化、抗干擾能力強(qiáng)、支持多頻帶，同時(shí)其形狀極為輕薄，被稱(chēng)為與車(chē)輛外觀可以無(wú)縫匹配的“共形天線(xiàn)”。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(wèn)題。天線(xiàn)安裝在車(chē)體上后，其輻射性能會(huì)受到汽車(chē)車(chē)身影響發(fā)生改變，由于天線(xiàn)的工作頻段不同、安裝位置不同，受車(chē)體的影響也不同。所以，劉凡團(tuán)隊(duì)還必須通過(guò)仿真技術(shù)解決天線(xiàn)在汽車(chē)整車(chē)布置位置的優(yōu)化問(wèn)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(xiàn)的最佳布局位置，劉凡所在團(tuán)隊(duì)在Altair公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)的幫助下，使用Altair公司的三維電磁場(chǎng)仿真軟件FEKO進(jìn)行1:1車(chē)體模型與天線(xiàn)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(wèn)題仿真方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立天線(xiàn)與汽車(chē)的耦合仿真模型（如圖2），并通過(guò)布局優(yōu)化分析，最終找到最佳的天線(xiàn)安裝位置，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的性能最優(yōu)，為其滿(mǎn)足車(chē)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(xiàn)與整車(chē)仿真模型

具體過(guò)程包括，選取了四個(gè)最常見(jiàn)部位進(jìn)行天線(xiàn)布局，分別是：（a） 后風(fēng)窗處，（b） 內(nèi)后視鏡，（c） 鯊魚(yú)鰭，（d） 車(chē)頂位置。在頻率2.4GHz處的輻射方向圖，如圖3所示。由于車(chē)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)產(chǎn)生的影響，可以觀察到天線(xiàn)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(jì)通過(guò)平均增益這一指標(biāo)對(duì)車(chē)載天線(xiàn)在車(chē)體不同位置的電磁輻射性能進(jìn)行評(píng)估和比較。

天線(xiàn)共形于不同位置時(shí)2.4GHz的輻射方向圖

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

成就

劉凡及其團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新車(chē)載天線(xiàn)設(shè)計(jì)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(chē)身共形等，同時(shí)又在很大程度上解決了布局這一工程實(shí)際問(wèn)題，因此獲得了工程界的一致重視。該項(xiàng)發(fā)明在由共青團(tuán)中央、中國(guó)科協(xié)、教育部和全國(guó)學(xué)聯(lián)共同主辦的全國(guó)性的大學(xué)生課外學(xué)術(shù)實(shí)踐競(jìng)賽——“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽中，通過(guò)三輪激烈的角逐最終獲得江西賽區(qū)一等獎(jiǎng)殊榮，并獲得全國(guó)總決賽的參賽資格。未來(lái)，劉凡先生及其團(tuán)隊(duì)也在考慮將此款創(chuàng)新設(shè)計(jì)天線(xiàn)推向?qū)嶋H應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)技術(shù)研究。在實(shí)驗(yàn)室主任劉海文教授的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)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(xiàn)，旨在解決現(xiàn)今車(chē)載天線(xiàn)設(shè)計(jì)中頻帶單一，信號(hào)覆蓋范圍小，抗干擾能力弱等問(wèn)題。該天線(xiàn)在保障車(chē)聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度，車(chē)載娛樂(lè)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(chǎng)分析。在Altair公司專(zhuān)業(yè)、充滿(mǎn)熱情的技術(shù)團(tuán)隊(duì)支持下，我們的團(tuán)隊(duì)成功完成了對(duì)車(chē)載天線(xiàn)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，并為該設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用創(chuàng)造了條件。這一非常實(shí)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是我們團(tuán)隊(duì)贏得“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)的關(guān)鍵。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程完全由仿真驅(qū)動(dòng)，印證了Altair公司 ’仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) ’的理念！”華東交通大學(xué)劉凡訴說(shuō)到。