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整车无线布置的综述

backend 2025/9/7 12:39:57

1、车载无线概论

当前车载无线功能越来越多，包括乘用车、商用车、两轮车都配置多种无线功能，以满足各种创新的智能化车载功能需求。一些无线功能被放弃，又不断有新的无线功能出现等等。

Ref：https://abracon.com/uploads/resources/Abracon-Antennas-for-Autonomous-and-Connected-Automotive-Services.pdf

对无线功能进行一个汇总罗列如下，有数十种之多：

GSM、GPRS、LTE、5G NR等：当前主流是LTE和5G，并且5G上车不断在普及化；
GNSS：GPS 单频/双频/三频，北斗等；
Satellite：高轨、中低轨等，低速率、高速率等；
FM/DAB：
V2X：
WiFi：适配CarPlay
经典蓝牙BT：无线耳机等
BLE：数字钥匙等功能，可能还有无线BMS（采用星闪协议）
UWB：数字钥匙，CPD，入侵检测
TPMS：433MHz，后续采用BLE；
ETC：
NFC：
Radar：77GHz频段（自动驾驶），60GHz（门雷达）

Ref：https://abracon.com/uploads/resources/Abracon-Antennas-for-Autonomous-and-Connected-Automotive-Services.pdf

Ref：｜Products

Ref：https://www.molex.com/content/dam/molex/molex-dot-com/en_us/pdf/product-briefs/987652-0276-v2.pdf?inline

Ref：Integrated antennas - Ficosa

以上这么多无线功能，就涉及到整车的无线布置。

2、整车无线布置

不同的车身布置位置，对无线性能的影响可以参考下图

目前比较常规的车载天线布置如下，其中红色代表布置在车内，蓝色代表布置在车外，同时需要注意的是，下图只能作为参考示意，具体Case需要具体讨论。

Ref：Antennas | MinebeaMitsumi Europe

Ref：https://www.mistralsolutions.com/blog/automotive-antenna-technologies/

车顶被视为集成天线的理想位置，因为它满足基本要求——高于地面且干扰最小——在水平面上提供良好的空间覆盖。全向天线（AM/FM、GSM、3G、LTE、WiFi、V2V）和定向天线（导航、SDAR、卫星广播、24/77GHz）理想上可以放置在车辆的车顶。鲨鱼鳍天线（通常是多种服务的天线组合）、杆状天线和卫星天线通常安装在车顶上。

将多根天线安装在后扰流板内，并将其隐藏在车顶的聚合物复合面板下，这些发展是丰田和沃尔沃在1990年代和2000年代初期首创的。通过将多根天线嵌入扰流板和车顶，设计师能够有效优化空间的使用，而不牺牲美观。电话和卫星广播SDARS天线，声音和电视广播VHF天线，GPS天线，以及车与车通信天线是其中一些可以集成到扰流板中的天线。在没有后扰流板的情况下，天线也可以放置在后风挡上。作为替代方案，侧窗也被优先考虑，然而，窗户的较小尺寸可能在容纳多根天线时带来挑战。基于薄膜的分形天线，移动电话中很受欢迎，近年来也被应用于汽车行业。

创新且经过批准的技术使得多种服务的天线可以集成到一个单一模块，即后视镜中。AM、FM、DAB、电视、RKE、Wi-Fi、电话和GNSS等频率是将天线集成到外部后视镜中的生产项目的例子。

3、射频传输电缆的损耗需要考虑

在整车无线布置中，不光要考虑到天线的性能表现，还要考虑到天线到ECU之间的射频电缆长度导致的无线能量损耗。

4、GNSS天线的布置参考

GNSS天线布置需要考虑天线的Beamwidth，60°到70°，并且在这个范围内尽量不要有遮挡，以确保能尽量多的收到不同卫星的定位报文。

GNSS天线布置

Ref：https://en.racelogic.support/VBOX_Automotive/Knowledge_Base/GNSS_Antenna_Placement_and_Setup

Ref：https://www.vlg-solution.com/high_frequency_radio_antenna/Antenna_Positioning_on_Vehicle_Considerations_for_GNSS_Accuracy_2634.html

5、V2X天线的布置参考

C-V2X（即蜂窝车联网）天线能够实现车辆与车辆及基础设施之间的通信。它们的实时通信具有以下重要性（包括但不限于）：避免交通拥堵：车辆之间的实时通信可以帮助驾驶员了解常规情况（是否存在交通拥堵、事故等）。配备C-V2X模块的车辆能够协同工作，及时互相帮助，有效避免交通拥堵。确保紧急援助：如果发生事故，C-V2X天线会将此信息传递给周围的车辆，这些车辆可以为发生事故的车辆提供紧急援助。在这种情况下，救援时间会显著缩短，从而提高驾驶员和乘客的生存率。实现自动驾驶：配备C-V2X天线的车辆可以通过车辆与基础设施（如交通信号灯）之间的通信获取周围环境的动态变化。然后，芯片和CPU将相应地进行调整，以使车辆能够在复杂环境中安全且自动地导航。

以下为V2X天线需要承担的功能，主要是短距，360°覆盖。

C-V2X天线频率C-V2X天线有两个主要频率范围：5.85GHz-5.925GHz和5.875GHz-5.905GHz，分别用于直接通信和基础设施。

Ref：https://poynting.tech/articles/newsletter-articles/aug-2024/driving-the-future-v2x-systems-and-the-role-antennas-play/

所以参考下文：Antenna placement and wave propagation for Car-to-Car communication

Ref：https://sci-hub.se/10.1109/EuMC.2015.7345736

C-V2X天线极化最好全部采用右旋圆极化，因为车辆不是静止的。如果C-V2X天线设计为线性极化，就无法与信号方向对齐，导致信号衰减高达30dBi。C-V2X天线采用圆极化设计的原因在于圆极化具有高鲁棒性。卓越的鲁棒性代表着强大的抗干扰能力和在信号传输过程中稳定性。圆极化信号的方向与信号方向并不完全匹配，因为车辆始终在移动，但信号衰减最多为3dbi。

C-V2X的天线：市场上既有全向天线，也有定向天线。如果 C-V2X 天线用于车辆之间的通信，推荐使用全向天线。如果应用于交通终端，如公交站和地铁站，那么全向玻璃纤维天线（具高增益、防紫外线和防水）也是明智的选择。对于需要进行长距离通信的车辆，定向 C-V2X 天线可以满足它们的需求，因为定向天线具有长距离信号传输和信号稳定性。

Ref：C-V2X Antennas – Advanced & Customized Antennas

Ref：https://ars.copernicus.org/articles/19/233/2022/

下图是一款含V2X天线的鲨鱼鳍组合天线设计

Ref：https://www.ieice.org/~isap/ISAP_Archives/2018/pdf/ThP-06.pdf

Ref：https://www.nxp.jp/company/about-nxp/smarter-world-blog/BL-V2X-AUTOMATED-DRIVING

6、多功能集成天线布置案例

鲨鱼鳍组合天线的案例：

后视镜中集成天线的案例：

Ref：Integrated antennas - Ficosa

7、天线+TBox集成件布置案例

Ref：https://www.nxp.jp/company/about-nxp/smarter-world-blog/BL-V2X-AUTOMATED-DRIVING

智能天线布置以及相关产业信息可以参考下文：Global and China Automotive Smart Antenna Research Report, 2022-2023

Ref：http://www.researchinchina.com/Htmls/Report/2023/72859.html

8、天线整车效果测试

尽管无线通信系统通常在一定程度上经过预认证，但整辆车仍需符合区域标准以及汽车制造商的内部标准进行认证。这种类型的认证测试通常要求整辆车在天线测量室内进行测试，通常是为测试车辆天线专门设计的无回声室。随着这些新车技术的采用速度不断加快，许多传统汽车测量室可能不太适合测量最新车辆上安装的天线类型。这是因为大多数汽车天线测试舱是专门为兼容传统汽车无线技术而建造的，主要包括广播电台、传统的基于卫星的自动碰撞响应通信系统（如OnStar）、全球导航卫星系统（GNSS）、蓝牙和早期的车队追踪/通信系统，这些系统可能使用了3G和早期的4G蜂窝通信。最新的车辆系统包括Wi-Fi、5G和超宽带（UWB）等技术，这些技术的频率范围可以从大约600 MHz到10.6 GHz。这意味着需要容纳能达到比以前技术高得多的频率的天线，而以前的技术大多没有超过3 GHz。

由于新无线技术在汽车领域的频率和性能需求更高，对更高保真度测试的需求也随之增加，这种测试可以用来增强、检查或开发用于模拟和分析目的的模型。传统的机械扫描天线测试室可以执行此类测试，但代价是测试时间较长，这可能会因为校准漂移影响准确性，尤其是在较长的测试期间。此外，大多数汽车天线测试的合同定价模型基于时间。测试的时间越长—如果因为测试室错误或其他测试错误需要重新测试—客户必须为整体测试支付更多费用。

天线测试舱的现代化对更现代化的天线测试舱的需求日益增长，以满足越来越多寻求汽车天线测试的汽车制造商的需求。同时，市场对更快的测试时间的需求也在上升，同时要提供更高的分辨率、更宽的带宽和更高保真的天线测试结果。这导致了天线测试市场的多项创新，以扩大为测试移动设备和其他高度集成的便携和固定电子系统开发的技术，这些系统包括多种无线通信技术。例如，采用一系列或“弧形”探头的全尺寸车辆天线测量系统，能够在放置在精确定位系统上的车辆上进行测量。这可以实现连续或单位置的即时测量。在许多情况下，这些新的车辆天线测量系统可以改装到现有的车辆无回声室中。这些新的车辆测量技术通常设计用于测试从非常低的频率（数十兆赫）到接近20GHz的毫米波频率，以适应新型无线天线在通信和传感系统中的广泛应用。

Ref：https://www.ednasia.com/automotive-antenna-tests-rising-in-demand-as-well-as-complexity/

Ref：https://www.rohde-schwarz.com/us/solutions/automotive-testing/automotive-emc-and-full-vehicle-antenna-testing/full-vehicle-antenna-testing/full-vehicle-antenna-testing_253949.html

9、整车无线布置实践

为优化性能设计天线系统是一个复杂的过程，第一步应该是绘制链接预算。链接预算预测了在车辆A的发射器和车辆B的接收器之间（返回消息相反）丢失的能量。因此在进行任何进一步设计步骤之前，建立链接预算变得更加重要。在建立链接预算时，设计师必须考虑天线模块中的能量损失；电缆模块中的损失，包括任何所需的连接器；以及远程信息处理控制单元模块中的损失。绘制这些信息对于设计系统以抵消任何过度能量损失至关重要。随着设计工作的进行，天线系统设计可以根据需要进行细化，以维持可接受的信号衰减水平，并确保TCU的可靠和有效运作。

在布局车辆天线系统之前，需要确定最佳且有效的天线位置。天线在车辆上的物理位置对信号强度有重大影响。同时，天线的定位选择必须与车辆的整体设计和美观性进行平衡。在评估位置时，天线的样式（例如，鲨鱼鳍或刀片）和位置（例如，前挡风玻璃或保险杠）是主要考虑因素。位置将影响多方向的连接，信号强度会因天线位置的不同而显著变化。例如，鲨鱼鳍通常装置在车辆顶部，理想情况下位于最高点。这能提供车辆周围的360度覆盖。然而，定制的鲨鱼鳍通常包含许多内部天线元件，如5G蜂窝、高精度GNSS、Wi-Fi或AM/FM，这些元件可能阻挡信号并降低性能。违反直觉的是，玻璃屋顶对5.9 GHz的天线性能特别有害。因此，PC5元件通常会添加到鲨鱼鳍的后部，并专注于向后性能。放置在挡风玻璃或保险杠内的天线将受到附近设备和结构材料的影响。对于位于车辆保险杠前左角的天线，其右侧和后方可能会有“盲区”，因为任何信号都需要穿过车辆结构的相当一部分，从而显著降低信号强度。极坐标图用于通过识别信号强度差的方向来可视化盲区。根据这些信息，可以修改天线类型或位置以改善连接性。

在许多情况下，通过使用两根相互补充覆盖的天线来优化信号强度（假设TCU支持两根天线）是可行的。前面一根天线和后面一根天线，或者天线位于相对的角落，每根天线在另一根盲点的方向上保持最佳信号强度。这被称为多样性系统。通过使用信号强度的极坐标图，可以故意设计天线的位置以最大化信号强度，并改善车辆PC5连接的速度和可靠性。

一旦天线位置和TCU确定后，设计过程的下一步集中在布线和选择互连选项，以优化系统性能。信号衰减的一个重要来源是电缆损耗。这主要受到电缆类型和长度以及使用的连接器的影响。然而，可以控制电缆损耗，但为了优化信号强度，需要考虑一系列因素。这些因素包括车辆结构以及成本、重量和组件的可制造性。

更短的电缆长度和高性能的50-欧姆同轴电缆可以帮助减少电缆损耗。然而，更高效的电缆通常在成本和重量上会有一定的折衷。高性能线缆重量更大，增加了车辆的重量，同时也更昂贵。安装起来可能也更复杂且耗时。因此，电缆长度应尽可能保持较短，但这必须与天线放置的要求、整体车辆架构和电缆线束一同评估。电气连接器也可以显著影响整体系统性能，不仅在管理电缆损耗方面，而且在确保可靠性能方面。高性能、汽车级连接器，也可以帮助减少电缆损耗。与许多设计决策一样，优化车内连接性并减少电缆损耗之间的平衡是一项在实现系统性能目标、限制成本和重量方面的权衡。链路预算充当了一个关键的工具。

在许多车辆中，特别是那些利用两根天线的车辆中，更长的电缆线路是必要的。在超过两米的电缆上，信号衰减是影响最佳性能的重要因素，这通常表明需要一个双向放大器或补偿器。补偿器可以通过增强发射模式下的信号强度来改善性能，以弥补系统中的能量损失。在接收模式下，补偿器锁定信噪比。

在整个设计过程中，反复测试车辆天线系统是至关重要的，包括对各个组件和整个系统的测试。确保系统及其组件按设计工作，对于避免在设计最终确定时带来意外是至关重要的。在设计过程的早期，进行模拟测试是必要的。利用从模拟系统中每个组件的信号衰减中得出的计算对于创建链路预算至关重要。随后，随着设计的完善，模拟测试可以根据需要进行修订。一旦设计进入原型阶段，应使用测试设施提供有关完整系统操作的全方位数据。 Ref：5 Best Practices for Optimizing Vehicle Connectivity

https://www.designnews.com/auto-components/5-best-practices-for-optimizing-vehicle-connectivity

Ref：Antenna Placement Examples - Analysis and Simulations | WIPL-D

10、补充考量点

抗干扰：

车辆中充满了电磁干扰（EMI）源，这可能会干扰蜂窝信号。适当的布置可以使天线与这些噪声源隔离：从EMI发电机的距离：发动机舱、发电机甚至车载电子设备（例如信息娱乐系统、充电端口）都会发出EMI，这会扭曲蜂窝信号。天线与这些组件之间保持12至18英寸的间距可以减少干扰，尤其对5G网络来说更为关键，因为它对噪声的敏感性更高。隔离金属表面：金属组件会反射蜂窝信号，引起“多路径干扰”（直接和反射波重叠造成的信号干扰）。将天线安装在非金属基座上或使用隔板将其抬高1至2英寸，可以最小化这种影响，确保信号接收清晰。

多频段兼容考虑：

兼容多频段网络现代蜂窝网络（4G LTE, 5G）使用低、中、高频段的混合，这些频段具有独特的传播特性：低频段（600–900 MHz）：传播距离远，但对定位要求较低。中频段（1.8–2.6 GHz）：在覆盖范围和速度之间取得平衡；受益于提高的放置。高频段（毫米波，24–40 GHz）：提供超快的速度，但范围短且容易被阻挡。顶部天线可以无障碍地接触天空，确保在所有频段上保持一致的性能。对于5G毫米波，将天线放置在前顶（面对蜂窝塔密集的城市区域）可最大程度地捕获这些高速信号的机会。

不同车型不同考虑：

不同类型车辆需要量身定制的天线放置方案，以克服其独特的结构挑战：乘用车与轿车：将蜂窝天线安装在后顶，距离后窗6-8英寸。这可以避免来自前发动机舱的干扰，并保持天线远离后扰流板，确保在城市峡谷和乡村公路上都能获得强信号。卡车与皮卡车：车厢顶部（货厢前方）是理想位置。这个位置高于卡车的高身材，避免了拖挂或装载货物的阻挡。对于高架卡车，应避免低位置安装（例如，保险杠），因为它们位于驾驶室下方，限制了与手机信号塔的视线。SUV与跨界车：中心车顶安装，位于前后柱之间，可以平衡两个方向的覆盖。对于配有全景天窗的车型，天线应安装在天窗前方，以防止玻璃引起的信号衰减。商用货车和公交车：对于送货货车，前挡风玻璃附近的前顶确保信号能够清晰穿越货车的高墙。对于公交车，后方的车顶天线避免了前置发动机的干扰，并为乘客提供了最大的覆盖范围。

Ref：Antenna Positioning on Vehicle: Influence on Cellular Network Connectivity-SHENZHEN VLG WIRELESS TECHNOLOGY CO., LTD

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http://www.xdnf.cn/news/20353.html