具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征 的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包 括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图8所示，一种车载V2X PC5通信天线无源性能测试方法，包 括以下步骤：

S1、将测试车辆放置在暗室中进行实验环境测试；

S2、对天线性能测试进行线缆校准和空间衰减校准；

S3、对天线性能进行测试，得到测试结果。

所述步骤S1中的暗室为无电磁波反射的暗室。

所述步骤S1中线缆校准过程如下：由于转台中心下连接到暗室外的同 轴线缆三无法直接连接到网络分析仪两端测量，需要另外一根同轴线缆一作 为基准，先测量同轴线缆一的衰减，作为归一化过程，再将同轴线缆三和同 轴线缆一连接在一起，再接到对转台下的同轴线缆三进行校准。

所述步骤S1中的空间衰减校准过程如下：使用标准增益喇叭天线作为 基准天线。将基准天线置于1.5m高的木桌上，使基准天线与测试天线间距 离为1.5m；

将暗室外的垂直线缆、水平极化线缆与转台下的线缆连接为一根总线缆 后，将该总线缆两端连接到网络分析仪两端，分别记录垂直和水平极化两根 线缆的衰减总和，作为归一化过程，然后将转台下的线缆连接到基准天线， 作为发射端，分别将垂直线缆、水平极化线缆连接到测试天线，作为接收端， 记录垂直极化和水平极化下空间衰减大小。

所述步骤S4对天线性能进行测试的过程如下：

步骤1、将车辆置于安装在无电磁波反射的环境中的旋转台上，使车辆 中心与旋转台中心重合，车头方向与转台参考0度作为水平参考起始点；

步骤2、将测试天线探头置于车辆被测天线同一水平面，作为车辆垂直 参考起始点；

步骤S3、将车辆被测天线与车载终端断开，将被测天线与网络分析仪端 口1连接，将测试天线与网络分析仪端口2连接；

步骤4、保持天线探头垂直角度不变，水平方向旋转进行测试；

步骤5、将测试天线与网络分析仪端口1连接，重复步骤4，得到天线 水平垂直极化方向图。

具体介绍如下：

由于汽车体积大、重量沉的特性，汽车天线测试的方法与移动通信领域 成熟的测试方法有很大不同，本发明首先介绍了最小远场测试距离和球面近 场测试理论，通过分析可以得出汽车天线测试使用球面近场技术的可行性， 另外，近场测试理论规定了采样精度，以保证能通过近远场转换精确计算远 场结果。

参考汽车车载天线的特殊性，进一步提出了用于汽车车载天线的试验环 境要求、试验设备要求、校准方法、试验布置方法及无源性能试验流程，分 别在整车环境及单体模拟整车环境下对一种LTE-V2X天线进行了实际测试。 测试结果对比中，选择方向图，最大增益，线性平均增益，半功率波束宽度， 增益平坦度等参数对单体模拟整车及实际整车环境下的天线性能进行比较。

由于V2X天线通信的特殊性，实际道路状态下更看重车辆前方和后方的 通信质量，对侧面通信质量要求不高。因此在水平方向将车辆四周分为4个 部分，角度范围如图8所示。试验结果表明，车头和车尾部分的平均增益数 值相近，但车辆两侧的平均增益数值较车头、车尾部分更小，符合V2X通信 的预计功能需求。

目前，汽车行业针对整车级汽车天线性能测试基本处于空白状态，然而 智能网联车辆的迅速发展要求车辆与外界通信可靠稳定，天线作为通信过程 的媒介，其性能决定着智能网联汽车的功能应用。成熟的天线测试方法集中 在移动通信行业，但汽车体积大、重量沉的特点导致汽车天线性能测试方法 与移动通信终端不同；因此，本发明以LTE-V2X天线为例，对汽车天线无源 性能测试方法展开研究。

最小远场距离：

在进行汽车天线测试时，需要考虑最小远场测量距离，从而判断试验数 据为远场结果还是近场结果。定义远场最小测试距离R为从被测物体的旋转 中心到测量天线相位中心的距离。则每个频段的最小远场测试距离为

式中，D为被测物体的最大尺寸；λ为自由空间内特定频率电磁波的波长。

由于电磁波的传输速度与光速相同，因此电磁波的频率与波长关系为

λ＝c/f (2)

式中，f为电磁波的频率；c为光的传播速度，其值为3×108m/s。

将式(2)代入式(1)，可得最小远场测量距离与电磁波的频率关系为

考虑传统汽车的车身长度一般接近于5m，如果将整车看作被测对象，根 据式(3)可得远场最小测试距离如表1所示。

表1最小远场测试距离

根据表1可知，当天线为收音机天线，即频率在100MHz左右时，远场 测量距离约为17米。然而当天线频率在6GHz时，远场距离高达1000m。这 意味着如果仍然采用远场测试方法，很难选择满足试验要求的测试场地，此 外测试信号在较远距离内也基本衰减消失，无法测到实际结果。考虑车辆体 积及测试方法合理性，建议测量天线距离汽车的最小测量距离为1.5米左右。

球面近场测试技术

电磁波是以球面波的形式向外传播能量，当传输到无限远处，由一点接 受到的电磁能量就比较单一可以等效看成均匀平面波，所以自然可以把一特 定的电磁波分解成无数个从源径向向外传输的平面电磁波。在此基础上只要 求出各个平面电磁波的理论表达式，就可以采用数学方法累加获得该电磁波 的球面波表达式。这种把球面波各个模式的平面波展开求解的方法叫做球面 波模式展开理论。

天线辐射到自由空间中的电场的球面波扩展(SWE)可以定义为球面矢 量波函数的加权和。

式中，Q_smn为复杂扩展系数，k是波数，k＝2π/λ，λ为波长，η是自由空 间导纳，(r,θ,φ)是球坐标角度。

式(4)中的三重和被理解为

决定球面波模式展开系数最高模值N有以下公式

N＝[kr_t]+10 (6)

式中，r_t是表示能完全罩住目标天线的有效球面半径大小。

在测试采样中，由于自身的对称性，θ方向上的取值范围一般为0≤θ＜π。 所以在θ方向上其采样间隔Δθ＝π/N，算上零点，取样点的个数为N+1；而 在φ方向上为了测量准确，取值范围一般为在φ方向上采样间隔 Δφ＝π/N，加上零点最后取样点的个数为2N+1个。

球面矢量波函数可定义为：

式中，我们假设并压缩了时间依赖性e^-iωt，在式(7)和式(8)中第一类球形Hankel函数，对应于向外传播，是规范化的关联 Legendre函数，在这种表示法中，任何具有单位振幅的单个辐射球形波将辐 射0.5瓦的功率。因此，以上的扩展被称为幂归一化的球面波扩展，其中波 函数是无量纲的，并且扩展系数Q_smn的量纲变为[瓦特]1/2。然后，从 测试天线辐射的总功率变为

通过以上分析可以得出汽车天线测试使用球面近场技术的可行性，另外， 理论中规定了采样精度，以保证能通过近远场转换精确计算远场结果。

由于汽车体积大、重量沉的特性，且受暗室尺寸限制，汽车整车天线测 试应采用近场测量技术。另外，按测试实现难度及对待测天线的支持性来看， 球面近场测试技术是较简单的方案。

在实际工程中整个球面近场测试系统分为以下几个子系统：机械系统、 射频系统、数据采集与控制系统、数据处理系统。测量系统通过不同子系统 的分工配合完成近场数据的取样、数据变换处理。

球面近场测试坐标系和极化关系如图1所示，该坐标系使用球坐标系来 表述，即使用来表示测试角度，在每一个角度上的测试天线均可以分为 两个交叉极化：theta极化和phi极化。

三维扫描方式选择圆锥切法。其中，被测设备放在转台上，沿着水平方 向360度旋转。天线支架带动测试天线在垂直方向旋转，自上而下测量多个 位置的天线性能。如图2所示。

考虑汽车使用情形，在theta为0～90°的范围内，即转台地面以上部 分，测试是必须的，即最小满足上半球测试。而且，测试系统原点(球心) 必须在转台上方。具体采样点分布示意图如图3所示。

汽车天线性能测试方法

汽车天线性能测试在整车及单体模拟整车环境下的测试方法大体相似， 在试验布置上略有不同。下文介绍了试验设备及详细试验方法。

(1)试验环境

由于车载天线性能测试目的是获取车载天线整车工作条件下的直接传 输性能，因此需要将车辆置于无电磁波反射的环境中，建议使用全电波暗室。

(2)试验设备

由于车载天线性能测试需要获得三维方向图，电波暗室内需要安装有转 台，实现水平方向的旋转，且转台精度需达到0.1°。垂直方向的旋转由圆 锥切定位系统带动测试天线实现。

天线性能测试信号的发射和接收皆由网络分析仪完成，由于测试的是天 线无源性能，发射与接收可互易，本次试验中规定由车载天线发射，测试天 线接收。测试天线选用交叉极化天线。

(3)校准方法

天线性能测试前的校准分为两步：线缆校准和空间衰减校准。

如图4所示，先进行线缆校准。由于转台中心下连接到暗室外的同轴线 缆L3无法直接连接到网络分析仪两端测量，需要另外一根同轴线缆L0作为 基准，先测量L0线缆衰减，作为归一化过程，再将L3和L0连接在一起， 对转台下的线缆L3进行校准。

如图5所示空间衰减校准中使用标准增益喇叭天线作为基准天线。将基 准天线置于1.5m高的木桌上，使基准天线与测试天线间距离为1.5m。

分别将L1或L2与L3连接为一根线缆后，将该线缆两端连接到网络分 析仪两端，分别记录垂直和水平极化两根线缆的衰减总和，作为归一化过程。 然后将L3连接到基准天线，作为发射端，分别将L1和L2连接到测试天线， 作为接收端，记录垂直极化和水平极化下空间衰减大小。

(4)试验流程

由于V2X天线的主要通信环境为水平面周围，受扫描架机械精度限制， 将测试天线与车载天线高度调为一致，且应对准。

进行整车环境下的试验时先将车辆中心对准转台中心，并调节测试天线 与车载天线间距离为1.5m，再将测试天线中心对准车载天线中心。另外，车 辆应为下电状态，天线与车载终端间断开连接。车载天线测试试验布置图如 图6所示。

进行单体模拟整车环境下的试验时，根据车顶高度选择合适的木桌，木 桌上放置一块中心挖有小孔的圆形铝板，将车载天线放置于铝板中心，调节 天线支架使测试天线与车载天线位于同一水平面上，并调节测试天线与车载 天线间距离为1.5m，再将测试天线中心对准车载天线中心。

车载天线在整车环境及单体模拟整车环境下试验流程类似。被测件定义 为整车或1.5m高置有铝板的木桌。

a)将被测件放置于转台中心，使被测件中心与转台中心重合；以汽车车 头方向与转台参考0°作为水平参考起始点；

b)将天线探头置于与车辆被测天线同一水平面，作为测量垂直参考起 始点；

c)将车辆被测天线与车载终端OBU断开，将被测天线射频接口与网络 分析仪的端口1相连，作为发射天线；测试天线水平极化接口与网络分析仪 的端口2相连；

d)保持天线探头垂直角度不变，水平方向旋转进行测试；测试过程中转 台沿水平方向逆时针旋转360°，记录对应的角度值和增益大小，得到天线 水平面水平极化方向图；

e)将测试天线垂直极化接口与网络分析仪的端口1相连，重新进行步 骤d，得到天线水平面垂直极化方向图；

试验结果对比

在本次试验中车载天线为V2X天线，测试频率范围为5860MHz～5960MHz， 频率步进为5MHz，受现阶段自主制作天线支架的限制，测试角度为θ_n＝0°处。

结果对比中，选择方向图，最大增益，线性平均增益，半功率波束宽度， 增益平坦度等参数对单体模拟整车及实际整车环境下的天线性能进行比较。 其中，方向图的对比图见图7其中图左侧为整车部分，右侧为单体部分，其 他参数的对比列在了表2中。

表2整车及单体天线无源性能对比表

受整车车顶形状的影响，车载天线不免存在遮挡、反射现象，方向图的 形状也说明了这一点，单体环境下的方向图中的毛刺明显比整车环境下更小。 另外，整车环境下车载天线最大增益比单体环境下小10％左右，平均增益比 单体环境下小20％左右；由于两种环境下方向图形状相差较大，半功率波束 宽度对比意义不大；且整车环境下增益平坦度相较于单体情况下更差一些， 差距在10％左右。

由于V2X天线通信的特殊性，实际道路状态下更看重车辆前方和后方的 通信质量，对侧面通信质量要求不高。因此将车辆四周分为4个部分，角度 范围如图8所示。对整车环境下的增益数据按区域求解平均增益，得出的结 果见表3。

表3各区域平均增益对比表

从表3的结果可以看出，车头和车尾部分的平均增益数值相近，但车辆 两侧的平均增益数值较车头、车尾部分更小，符合V2X通信的预计功能需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。