REPS中射頻天線布置設(shè)計的仿真和測試

張　林，李國慶，朱　劍（上海汽車乘用車技術(shù)中心 （南京）電器部，江蘇 南京　210061）

?

REPS中射頻天線布置設(shè)計的仿真和測試

張林，李國慶，朱劍
（上海汽車乘用車技術(shù)中心 （南京）電器部，江蘇 南京210061）

摘要：重點介紹REPS（Remote entry&Passive start，遙控進(jìn)入，無鑰匙起動）的內(nèi)部天線的布置設(shè)計，它是REPS能否實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。天線的布置設(shè)計借助計算機仿真軟件FEKO，并通過實車測試加以驗證，極大地提高了REPS功能的穩(wěn)定性和可靠性，并縮短了開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：REPS；虛擬仿真；FEKO；汽車網(wǎng)格模型

近年來隨著汽車射頻技術(shù)的發(fā)展，射頻產(chǎn)品在車輛上應(yīng)用得越來越廣泛，在中低端車型上出現(xiàn)了一種能夠遙控進(jìn)入和鎖車、主動無鑰匙起動的系統(tǒng)解決方案REPS（遙控進(jìn)入，主動起動功能），為顧客帶來極大的感知體驗。同時，因其成本低廉，以自動擋車型為例，它的成本不僅沒有增加，反而降低30多元。越來越多的汽車開始設(shè)計和開發(fā)這一新功能，希望能盡快將相關(guān)車型投放市場。針對REPS功能，其關(guān)鍵技術(shù)是如何通過一根天線感應(yīng)智能鑰匙，它的設(shè)計開發(fā)決定了REPS的成敗。本文通過實踐，在設(shè)計階段引入了計算機虛擬仿真技術(shù)，建立汽車網(wǎng)格模型，使用FEKO電磁仿真技術(shù)，指導(dǎo)了天線的布置設(shè)計，并在實際整車測試中得以驗證，避免車輛在制造完成后，再去匹配驗證，盲目尋找天線的位置。不僅保證了設(shè)計的可靠性，節(jié)約了設(shè)計成本，同時也極大縮短了開發(fā)周期。

1　基本原理

REPS基本原理如圖1所示。當(dāng)駕駛員需要進(jìn)入車輛時，首先用遙控鑰匙將車輛解鎖，解除整車防盜后，才能打開車門，進(jìn)入車輛內(nèi)部。車內(nèi)的天線迅速發(fā)出激勵信號，一旦遙控鑰匙在車內(nèi)接收到低頻場的激勵信號，并使遙控鑰匙內(nèi)部的低頻場感應(yīng)到的電壓達(dá)到門限值后，遙控鑰匙將發(fā)出高頻認(rèn)證信號給車身控制器，車身控制器認(rèn)證合法后，將解除車輛發(fā)動機一級防盜，此時駕駛員可以按一鍵起動開關(guān)，起動車輛。

另外，駕駛員坐在車?yán)餂]有按動遙控，而是直接按一鍵起動開關(guān)想要起動車輛時，車內(nèi)的天線迅速發(fā)出激勵信號，去感應(yīng)智能鑰匙，如果智能鑰匙在車內(nèi)，此時駕駛員按一鍵起動開關(guān)，也可順利起動車輛。

圖1REPS基本原理

2　關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

天線設(shè)計的成功與失敗，取決于關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，這些關(guān)鍵指標(biāo)體現(xiàn)的是智能鑰匙只能在車內(nèi)被有效感應(yīng)。關(guān)鍵指標(biāo)如下：①車內(nèi)部天線輻射的磁場強度大于1.5mA／m，該區(qū)域覆蓋有效，小于則失效；②車內(nèi)部的天線輻射磁場強度等于1.5 mA／m區(qū)域溢出玻璃，

不能超過20mm；③車內(nèi)部的天線諧振頻率等于125±2 kHz；④遙控高頻接收大于-105dBm。

3　虛擬仿真分析

采用FEKO計算機仿真工具，對REPS高低頻天線接口電路、天線參數(shù)、車內(nèi)安裝位置等輸入建立仿真模型，仿真REPS天線的有效工作性能。通過仿真結(jié)果，分析優(yōu)化天線在車內(nèi)的布置以及低頻天線標(biāo)定電流，降低裝車后天線檢測失效的風(fēng)險。

3.1仿真思路

1）建立REPS內(nèi)部天線布置到整車后的輻射發(fā)射模型。

2）建立REPS天線探測區(qū)域場強數(shù)據(jù)。

3）建立仿真智能鑰匙LF（Low Frequency低頻）信號的接收性能。

4）仿真車身控制器 RF（Radio Frequency射頻）信號的接收性能。

5）調(diào)整PEPS天線布置位置仿真系統(tǒng)接收性能。

3.2仿真輸入條件

1）整車白車身數(shù)模。

2）REPS低頻天線相關(guān)參數(shù)及天線匹配電路參數(shù)，比如磁芯尺寸、等效阻抗 、繞線匝數(shù)。

3）智能鑰匙LF天線接收電路。

4）智能鑰匙PCBA（Print Circuit Board+Assembly）模型及RF天線接口電路。

5）車身控制器PCBA模型及RF天線接收電路。

3.3仿真過程

1）建立白車身模型將現(xiàn)有的白車身數(shù)模導(dǎo)入仿真系統(tǒng)中，修復(fù)模型的小孔洞，刪除模型的厚度，檢查模型面之間的電連續(xù)性，采用平面波激勵，對汽車各個部分網(wǎng)格運行求解，之后再整體仿真。圖2為白車身仿真模型。

圖2　白車身仿真模型

2）建立REPS低頻天線模型首先定義全參數(shù)化模型，將REPS低頻天線相關(guān)參數(shù)及天線匹配電路參數(shù)導(dǎo)入系統(tǒng)中，天線的模型有2個特點：頻率低、材料的磁導(dǎo)率高，因此需要選擇低頻穩(wěn)定求解器，磁芯采用體等效方法。圖3為天線仿真模型和磁場分布。

圖3　天線仿真模型和磁場分布

3）REPS天線與車體聯(lián)合分析因天線的磁場存在對稱性，因此天線安裝位置初步確定在車輛中通道處，再考慮便于安裝，初步設(shè)定儀表板空調(diào)面板下部，以及中通道副手處 （處在車內(nèi)中心處）。

探測關(guān)注區(qū)域的磁場強度，經(jīng)過軟件處理可以直觀觀察天線的有效覆蓋范圍。

儀表板空調(diào)面板下部天線仿真結(jié)果，車內(nèi)部天線覆蓋的磁場強度閾值為：1.5mA／m。仿真結(jié)果中的紅色區(qū)域的磁場強度大于閾值，表示該區(qū)域是有效覆蓋，見圖4。

圖4　儀表板空調(diào)面板下部天線磁場分布

在將天線驅(qū)動電流降至397 mA時，紅色有效區(qū)域依然溢出車輛前擋風(fēng)玻璃20 mm以上，同時車輛內(nèi)部后排座椅已經(jīng)出現(xiàn)非有效區(qū)域，因此儀表板空調(diào)面板下部布置天線將無法接收。圖5為儀表板空調(diào)面板下部天線磁場分布 （X=0）。

圖5　優(yōu)化前儀表板空調(diào)面板下部天線磁場分布 （X=0）

中通道天線仿真結(jié)果，經(jīng)過對天線電流的調(diào)節(jié)，以及布置位置的精確調(diào)整，確定了REPS天線的驅(qū)動電流設(shè)置在563mA，位置確定為中通道杯托處，可使智能鑰匙感應(yīng)的紅色有效區(qū)域能有效覆蓋車內(nèi)，有效溢出玻璃也小于20mm。如圖6所示。

圖6　優(yōu)化后儀表板空調(diào)面板下部天線磁場分布 （X=0）

在REPS天線選取中控臺上位置和最佳驅(qū)動電流，還要進(jìn)行高頻天線系統(tǒng)分析，通過仿真智能鑰匙在幾個常見位置被有效激勵后，高頻遙控接收的功率必須大于-105dBm。

智能鑰匙天線放置在中控臺上，在低頻有效激勵后，天線隔離度為-56dB，RKE（Remoter key，遙控鑰匙）發(fā)射功率為-14 dBm時，高頻遙控接收的功率是-70dBm，大于接收機靈敏度，可以有效接收 。如圖7所示。

同樣，在將智能鑰匙天線放置副駕駛座椅以及后排座椅上，高頻遙控接收的功率分別為-64.84 dBm和 -74.87dBm，也均大于接收機靈敏度，可以有效接收。根據(jù)以上虛擬仿真，REPS天線放置在中通道杯托處，驅(qū)動電流為563 mA，可滿足REPS關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)定，即REPS天線在125 kHz低頻輻射的磁場強度在車內(nèi)均大于1.5mA／m，磁場強度等于1.5mA／m區(qū)域溢出玻璃，不能超過20mm，遙控高頻接收大于-105dBm。

圖7　智能鑰匙高頻天線系統(tǒng)分析

4　實際驗證

針對虛擬計算的結(jié)果，在常溫下進(jìn)行實際車輛的驗證。在車輛上，將REPS天線置于中通道的背面，設(shè)定低頻頻率為125 kHz，REPS天線開始起振，天線的峰峰值電流設(shè)定為563mA。根據(jù)智能鑰匙僅在低頻輻射的磁場強度在車內(nèi)均大于1.5mA／m才能感應(yīng)，并發(fā)出高頻信號，對仿真結(jié)果進(jìn)行測量。圖8為整車智能鑰匙感應(yīng)測量。

按照這一測量方式，選取最易溢出的全車玻璃上50多個典型位置進(jìn)行驗證性測量。圖9為前擋風(fēng)玻璃測量。最終結(jié)論與仿真結(jié)果基本一致，未發(fā)現(xiàn)有效感應(yīng)區(qū)域超過20mm，證明仿真的結(jié)果與實際的偏差不大。

圖9　前擋風(fēng)玻璃測量點

5　結(jié)論

本文建立的汽車網(wǎng)格模型，通過FEKO電磁仿真技術(shù)，可以在設(shè)計階段預(yù)測汽車上的低頻發(fā)射天線受車體的影響，分析REPS系統(tǒng)至關(guān)重要的低頻發(fā)射天線在車體內(nèi)磁場分布特點，最終按照確定的技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，確定了最佳的REPS天線放置的位置和驅(qū)動電流，仿真結(jié)果與以往車型的工程經(jīng)驗有很好的一致性。這

些分析數(shù)據(jù)向工程師提供了保證REPS系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作的有效建議。另，這套仿真技術(shù)也可以用于目前新的汽車電磁技術(shù)的仿真，比如無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、車輛迎賓技術(shù)仿真設(shè)計，目前正處在模型的建立中。

參考文獻(xiàn)：

［1］Nxp Semiconductors［Z］.PCF7900 DATE SHEET.2012：1.0.

［2］FEKO培訓(xùn)教程［Z］.2013：1.0.

［3］Infineon technologies［Z］.TDA5210 DATA SHEET.2001：3.0.

［4］陳永甫.無線電遙控入門［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［5］肖文光，張宏財，李浩，等.汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計［J］.電子產(chǎn)品世界，2011（4）：50-51，59.

附：名詞解釋

1）白車身：本文所指代車輛上未經(jīng)過電泳、噴漆的車身結(jié)構(gòu)，包括：四門兩蓋、前結(jié)構(gòu)、后結(jié)構(gòu)、底板，以及頂棚。

2）體等效方法：又稱VEP法，它是一種仿真中對于介質(zhì)的分析方法。將介質(zhì)分解成小的實體進(jìn)行分析后，再進(jìn)行整個介質(zhì)的分析。它有別于面等效方法，收斂性好，低頻穩(wěn)定性好，尤其對非均勻體分析更精準(zhǔn)。

3）天線隔離度：是指一個天線發(fā)射信號，通過另一個天線接收的信號與該天線信號的比值，單位是dB。

（編輯楊景）

中圖分類號：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0044－03

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-04-01

Layout Design Simulate and Test of RF Antenna in REPS

ZHANG Lin，LI Guo-qing，ZHU Jian
（SAIC Motor Technical Center（NanJing）Electrical Department，Nanjing 210061，China）

Abstract：This paper mainly introduces the REPS（Remote entry&Passive start）antenna layout design，which is the key point in the realization of REPS.The antenna layout is designed by the PC simulating software FEKO，and the result was verified through the real vehicle test.This design tremendously improves the REPS stability and reliability，and also shortens the REPS development schedule.

Key words：simulation；FEKO；vehicle gridding model