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)中國汽車工程學會（SAE-China）的研究表明，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)（V2X）的廣泛應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）能預知即將發(fā)生的交通事故并對潛在危險發(fā)出實時預警，它的廣泛應用能幫助避免高達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)議或標準，包括：車輛間通訊的DSRC(一種Wifi升級技術(shù))或LTE-V標準、定位用的GPS協(xié)議、與互聯(lián)網(wǎng)通信的WiMax或WLAN標準。這些標準或協(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。在華東交通大學劉海文教授的指導下，劉凡所在團隊結(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上設計了一款極具創(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、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，劉凡所在團隊在Altair公司技術(shù)團隊的幫助下，使用Altair公司的三維電磁場仿真軟件FEKO進行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。

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行天線布局，分別是：(a) 后風窗處，(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。最后該設計通過平均增益這一指標對車載天線在車體不同位置的電磁輻射性能進行評估和比較。

天線共形于不同位置時2.4GHz的輻射方向圖

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

成就

（感謝華東交通大學劉凡給我們提供本期案例）

劉凡及其團隊的創(chuàng)新車載天線設計方案，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)明在由共青團中央、中國科協(xié)、教育部和全國學聯(lián)共同主辦的全國性的大學生課外學術(shù)實踐競賽——“挑戰(zhàn)杯”全國大學生系列科技學術(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，劉凡先生及其團隊也在考慮將此款創(chuàng)新設計天線推向?qū)嶋H應用。

團隊介紹

華東交通大學射頻通信與傳感器網(wǎng)絡江西省重點實驗室以射頻電子學與傳感器網(wǎng)絡研究為背景，致力于射頻、微波電路的基礎理論與設計技術(shù)研究。在實驗室主任劉海文教授的指導下，該團隊提出具有小型化、多頻帶、強抗干擾能力、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軟件是一款功能強大的三維全波電磁仿真軟件，其靈活的求解設置，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)團隊支持下，我們的團隊成功完成了對車載天線的設計創(chuàng)新，并為該設計的工程應用創(chuàng)造了條件。這一非常實用的創(chuàng)新設計是我們團隊贏得“挑戰(zhàn)杯”一等獎的關(guān)鍵。整個設計過程完全由仿真驅(qū)動，印證了Altair公司 ’仿真驅(qū)動設計 ’的理念！”

——華東交通大學 劉凡