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【論文】整車(chē)GPS天線仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

2018-12-29 22:45:27·  來(lái)源：數(shù)字仿真聯(lián)盟  
　
編者按：此文為第十四屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)提交論文，收錄于《第十四屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)》論文集中，并且榮獲優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，著作權(quán)歸作者所有。
 
方明壯1，王芳佑2，湯宇2，高陽(yáng)春3
 
（1.上汽通用五菱有限公司；2.廣西艾盛科技有限公司；3.中國(guó)汽車(chē)工程研究院）
 
摘要
本文中，利用商業(yè)軟件FEKO仿真單體和整車(chē)上的GPS天線的性能。對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。這種方法能有效地評(píng)估天線在整車(chē)上時(shí)的性能，對(duì)于天線在整車(chē)上布局有實(shí)際的參考意義。
 
關(guān)鍵詞
GPS天線；feko；整車(chē)實(shí)測(cè)
 
引言
GPS天線的功能主要是與衛(wèi)星通訊以進(jìn)行定位，現(xiàn)在汽車(chē)上基本都需要具備這項(xiàng)功能。其中心頻率在1.575GHz，在自由空間中傳播的波長(zhǎng)約為190mm。汽車(chē)上此類(lèi)天線一般都使用高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)以減小天線尺寸。并且一般采用圓極化方式接收信號(hào)，這種極化方式的天線有以下優(yōu)點(diǎn)：有效電磁波傳播過(guò)程中產(chǎn)生的各種反射波對(duì)此天線無(wú)影響；能接收各種不同角度的極化波；可利用極化方式不同，進(jìn)行隔離傳輸信號(hào)。
仿真GPS單體天線的性能，并與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證單體天線建模精度。調(diào)整模型后，仿真整車(chē)上天線性能，再與實(shí)測(cè)方向圖對(duì)比，驗(yàn)證了整車(chē)天線仿真結(jié)果是可靠的。
 
1.模型介紹
1.1單體天線建模
此仿真模型中，GPS天線與FM天線集成在一起作為鯊魚(yú)鰭天線。GPS天線工作頻率較高，為充分考慮底座上金屬介質(zhì)可能造成的影響，建模過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量還原實(shí)物模型。
GPS天線如圖1所示。
圖1 鯊魚(yú)鰭天線（包含GPS、FM與底座）

圖中橘色層為PEC材料，藍(lán)綠色層為PCB板，草綠色結(jié)構(gòu)即為陶瓷介質(zhì)。距離GPS天線較近的螺柱也應(yīng)盡量還原，金屬底座對(duì)天線能量反射影響很大，必須嚴(yán)格按照實(shí)物建模。而FM天線的PCB部分下面細(xì)節(jié)可保留大體特征，螺帽也可以去掉，雖然對(duì)方向圖會(huì)有一點(diǎn)很小的影響，但是換取了高效仿真，這是可以接受的。

1.2整車(chē)天線建模
如圖2所示，鯊魚(yú)鰭天線位于整車(chē)頂蓋后方。整車(chē)模型中包含了大部分鈑金件，注意實(shí)際的電連接。特別是天線周?chē)男√卣鳎斏w上小支架）也應(yīng)保留。而GPS天線波長(zhǎng)大約190mm，而FEKO軟件中，只需剖分波長(zhǎng)的八分之一的網(wǎng)格即可滿足仿真精度要求，所以此模型中采用30mm網(wǎng)格仿真。
圖2 整車(chē)上GPS天線布局

1.3仿真參數(shù)設(shè)置
材料設(shè)置中，陶瓷體相對(duì)介電常數(shù)為21，損耗角正切0.0002，PCB的相對(duì)介電常數(shù)為4.6，損耗角正切0.019。為了仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，只需仿真一個(gè)頻率點(diǎn)1.575GHz時(shí)的方向圖。在FEKO中，采用多層快速多極子算法（MLFMM）。

2.仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1單體結(jié)果
一般，GPS天線與上空的衛(wèi)星進(jìn)行通訊，所以在仿真與測(cè)試對(duì)比中，關(guān)注垂直兩個(gè)平面（XOY、XOZ）。圖3為GPS天線的單體仿真與測(cè)試垂直切面方向圖對(duì)比。趨勢(shì)大致相同，最大缺陷角相差10°，歸一化后，平均增益差均不超過(guò)3dB。測(cè)試結(jié)果的曲線沒(méi)有仿真結(jié)果的平滑，可能是測(cè)試環(huán)境內(nèi)有其他金屬反射導(dǎo)致的。
圖3垂直切面仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

2.2整車(chē)結(jié)果
因?yàn)闇y(cè)試場(chǎng)地的原因，只對(duì)整車(chē)天線水平方向圖進(jìn)行測(cè)試，故在此只進(jìn)行水平方向圖仿真結(jié)果與測(cè)試的對(duì)比。圖4為GPS天線布置在整車(chē)上仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖，測(cè)量水平切面E(theta)的值，可以看出仿真與實(shí)測(cè)的趨勢(shì)大致吻合，明顯缺陷角處會(huì)有3-5°偏差。圖5為GPS天線水平切面方向圖仿真結(jié)果。
3.結(jié)論
通過(guò)對(duì)比GPS天線單體仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果, 驗(yàn)證了單體天線建模精度可行的。仿真整車(chē)上性能，再與實(shí)測(cè)方向圖對(duì)比，驗(yàn)證了GPS天線聯(lián)合整車(chē)仿真的數(shù)據(jù)是可靠的。

參考文獻(xiàn)
[1]Victor Rabinovich. Automotive Antenna Design and Applications[M]. Boca Raton,FL, USA ：CRC Press ,2010:63-83
[2]韓勇杰, 王安康, 蔡明波. 對(duì)不同介電常數(shù)切角圓極化天線的研究[J]. 微波學(xué)報(bào), 2016，32(s1):106-109
作者簡(jiǎn)介
方明壯 1982 男 上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司  大學(xué)本科 工程師  冷卻系統(tǒng)、 整車(chē)熱管理、 整車(chē)EMC開(kāi)發(fā) 
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