汽車(chē)鯊魚(yú)鰭天線的改良設(shè)計(jì)

王玉麟 曾雨晨 唐振海

摘 要：魚(yú)鰭型汽車(chē)天線充分利用電子的特性，將靜電電子引導(dǎo)到鯊魚(yú)鰭天線的頂端釋放，不管鯊魚(yú)鰭天線安裝在汽車(chē)的什么位置，都可以減少靜電作用。本設(shè)計(jì)采用仿真軟件和天線參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高增益，降低噪聲系數(shù)，減少回波損耗。并根據(jù)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了鯊魚(yú)鰭的形狀，以改變車(chē)輛尾部氣流，減少車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的空氣阻力。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)天線；魚(yú)鰭外形；減少氣阻；增強(qiáng)信號(hào)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.016

1 汽車(chē)天線的發(fā)展背景

汽車(chē)的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和服務(wù)不斷演變并不斷完善以滿(mǎn)足人們多樣化，個(gè)性化，綜合化的需求，在消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求下，汽車(chē)收音機(jī)，導(dǎo)航GPS，車(chē)載雷達(dá)等功能配置也越來(lái)越多地被提及，對(duì)于這些功能，作為構(gòu)建這些設(shè)備的核心組件，汽車(chē)天線的研究也越來(lái)越重要。

2 傳統(tǒng)天線與鯊魚(yú)鰭天線的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)天線缺點(diǎn)：天線太長(zhǎng)，不僅影響美觀，而且還會(huì)增加汽車(chē)在行駛過(guò)程中的風(fēng)阻，同時(shí)當(dāng)你行駛過(guò)隧道或是一些比較低矮的地方時(shí)，就有可能會(huì)觸碰到。優(yōu)點(diǎn)：在一些比較偏遠(yuǎn)的地方，比如一些山區(qū)里，接收信號(hào)效果也會(huì)很不錯(cuò)。

鯊魚(yú)鰭天線的優(yōu)點(diǎn)：鯊魚(yú)鰭型汽車(chē)天線具有非常時(shí)尚、炫酷、靈動(dòng)的外觀。能夠通過(guò)加裝鯊魚(yú)鰭天線達(dá)到減小汽車(chē)行駛阻力的作用，天線的功能滿(mǎn)足收音機(jī)系統(tǒng)的工作。缺點(diǎn)：其接收信號(hào)的能力并不如傳統(tǒng)的天線強(qiáng)。

3 天線的設(shè)計(jì)

3.1 蛇形結(jié)構(gòu)天線設(shè)計(jì)

鯊魚(yú)鰭天線的內(nèi)部空間比較小，為了盡量滿(mǎn)足天線的長(zhǎng)度，我們需要減小偶極天線的水平尺寸。采用雙偶極天線的兩臂彎曲變形，以減小天線的橫向尺寸。從圖1可以看出，偶極子彎曲結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下：彎折臂深度h，臂寬d橫向相鄰彎曲臂間距d，線直徑w，線徑w對(duì)天線的阻抗影響最小一般為w = 1.0，mm。

3.2 介質(zhì)基片材料的選擇

由于低成本印刷天線生產(chǎn)要求，選擇FR4材料介質(zhì)襯底，其廉價(jià)，加工簡(jiǎn)單，可以使用PCB技術(shù)天線，然后考慮介質(zhì)的厚度，微帶貼片天線通常需要介質(zhì)厚度滿(mǎn)足h < 0.01A。一般的小型天線底部材料選擇的厚度在0.5mm，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求，稍微加一點(diǎn)材料厚度，能夠達(dá)到增益的提高和寬度的增加，增加的厚度又不能太大，不然會(huì)影響表面的波形，進(jìn)而會(huì)影響天線的輻射系統(tǒng)。根據(jù)上面分析，選擇做基體材料為FR4，其介電常數(shù)ε=4.8，厚度我們選取為h=0.1mm，損耗正切角tgδ=0.018，通過(guò)公式計(jì)算，并初步設(shè)計(jì)參數(shù)。

初步設(shè)計(jì)的參數(shù)有單邊臂長(zhǎng)（L）為30mm，線寬（w）為1mm，彎折臂的彎折深度（h）為80mm-100mm，彎折臂間距（s）為1mm，單邊彎折次數(shù)（n）為16，銅箔的厚度（d）為0.1mm。

最終通過(guò)仿真軟件FHSS計(jì)算分析確定最終尺寸參數(shù)。

單邊臂長(zhǎng)（L）為29mm，線寬（w）為1mm，彎折臂的彎折深度（h）為75mm-95mm，彎折臂間距（s）為0.8mm，單邊彎折次數(shù)（n）為16，銅箔的厚度（d）為0.1mm。根據(jù)確定的數(shù)據(jù)尺寸確定的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真的結(jié)果如圖2，我們得到駐波比與頻率的曲線關(guān)系，其最低點(diǎn)為88.5MHz處，在此處的駐波比值是1.5，所得的最低值符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。

而從回波損耗與頻率的關(guān)系曲線如圖3所示，我們得到天線的接收頻率在102MHz的位置，回波損耗的值為-1.62dB。汽車(chē)結(jié)構(gòu)的不同，安裝在車(chē)上的天線頻率會(huì)受到一定的影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)的影響不同，通常情況下頻率點(diǎn)會(huì)向低一點(diǎn)的位置移動(dòng)， 到達(dá)88MHz-108MHz的中心位置（98MHz），此數(shù)值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

最后我們得到一個(gè)三維天線增益圖案，三維圖像顯得不是很方便，因此我們把三維圖像進(jìn)行剖面，得到二位維更能直觀的描述輻射特性。在圖4上我們得到了水平方向的增益可以有效的到達(dá)3.20dB，處于垂直位置增益也有1.80dB以上，和需要設(shè)計(jì)的天線增益一樣，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

4 鯊魚(yú)鰭外殼的設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用仿真技術(shù)并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)安裝初始鯊魚(yú)鰭結(jié)構(gòu)的車(chē)模形進(jìn)行車(chē)表外氣流場(chǎng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示空氣阻力系數(shù)Cd為0.3078，而原車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.3198，比較之下明顯發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)阻力降低了。

主要是汽車(chē)尾部由原來(lái)的成熟發(fā)展的2個(gè)反螺旋渦減少為1個(gè)成熟發(fā)展的反螺旋渦和1個(gè)沒(méi)有成熟發(fā)展小反螺旋渦，并且發(fā)現(xiàn)渦流的直徑得到了減小，從而實(shí)現(xiàn)能量消耗降低；螺旋渦的個(gè)數(shù)的減少，同樣起了能耗降低的作用。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用優(yōu)化后的參數(shù)車(chē)模進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，對(duì)比優(yōu)化前后車(chē)身尾部反螺旋渦，從中發(fā)現(xiàn)由原來(lái)的1個(gè)不成熟發(fā)展的有渦核的螺旋渦，改變?yōu)?個(gè)沒(méi)有渦核的螺旋渦，使氣阻對(duì)能量消耗進(jìn)一步減小；優(yōu)化后的渦流渦核中心更高了， 結(jié)果表明，汽車(chē)下部氣流平穩(wěn)，所以車(chē)身背面的渦流更小，優(yōu)化結(jié)果最終體現(xiàn)在車(chē)輛空氣動(dòng)力阻力系數(shù)從優(yōu)化前的0.3078減小到0.3036。與原車(chē)相比，總減阻率為5.05%。

通過(guò)優(yōu)化結(jié)果得到最終模型參數(shù)長(zhǎng)度（L）為163mm，前端高度（a）為10mm，后端高度（b）為72mm，后端寬度（c）為86mm。

5 結(jié)論

本文按汽車(chē)天線發(fā)展較高要求，設(shè)計(jì)改良出新型的天線，滿(mǎn)足了尺寸小、頻帶寬、增益高的特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王明浩.汽車(chē)FM天線低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2015.

[2]吳鵬飛.型化隱蔽汽車(chē)天線的應(yīng)用研究[D].安徽：安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

本文來(lái)源于2017年廣西科技大學(xué)自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“汽車(chē)鯊魚(yú)鰭天線的改良設(shè)計(jì)”項(xiàng)目編號(hào)：201710594226成果。

作者簡(jiǎn)介：王玉麟（1994-），男，廣西桂平人，創(chuàng)新訓(xùn)練小組成員，研究方向：汽車(chē)服務(wù)工程。