車載復合天線的仿真方法研究

段龍楊 龔暉 李翔翼

摘? 要：該文建立了用于電磁計算的復合天線仿真模型，從兩個維度介紹了復合天線的仿真分析方法，從分析結果來看，5G天線具有較強的輻射性能，GPS天線則具有較好的方向性，符合其各自性能特征的要求。兩部天線之間的耦合度低于-45 dB，滿足工程應用的條件。采用數(shù)值仿真的方法進行天線性能預測是可行的工程路徑，該方法可用于設計開發(fā)前期評估復合天線的性能，從而減少開發(fā)后期優(yōu)化的難度。

關鍵詞：天線? 有限元? 耦合度? 增益方向圖

中圖分類號：TN820.8? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2021）11（a）-0000-00

Research on Simulation Method of Vehicle Composite Antenna

DUAN Longyang1，2，3? GONG Hui1? LI Xiangyi1

（1.Jiangling Motors Corporation Limited Company; 2.Passenger car structure design Engineering Research Center of Jiangxi Province; 3.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration of Jiangxi Province， Nanchang， Jiangxi Province， 330200 China）

Abstract： In this paper， the simulation model of composite antenna for electromagnetic calculation is established， and the simulation analysis method of composite antenna is introduced from two dimensions. From the analysis results， 5G antenna has strong radiation performance， while GPS antenna has good directivity， which meets the requirements of their respective performance characteristics. The coupling degree between the two antennas is lower than - 45dB， which meets the conditions of engineering application. It is a feasible engineering path to use the numerical simulation method to predict the antenna performance. This method can be used to evaluate the performance of composite antenna in the early stage of design and development， so as to reduce the difficulty of optimization in the later stage of development.

Key Words： Antenna; Finite element; Coupling; Gain pattern

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，車輛的信息化及智能化已成為汽車必不可少的車載通信功能。各種各樣的無線通信、衛(wèi)星定位和雷達系統(tǒng)等設備被廣泛運用在汽車上，為了節(jié)省布置空間及外觀美化的要求，通常會將多個通信設備集成為一個復合天線平臺，集成后的復合天線，它性能的好壞直接影響客戶的用車體驗和駕駛的舒適性[1]。

復合天線的性能主要表現(xiàn)在兩方面，一是復合天線中各個天線自身的增益方向圖，反映了天線遠場位置處天線增益與天線的360°方位關系，故而能反映出每一個方位角的輻射損耗及效率的情況，能夠給工程師提供很清晰地判斷天線性能是否優(yōu)良的依據(jù)。二是由于載體平臺上集成了多副天線，不同天線間的電磁兼容問題日益突出，因此復合天線中各個天線的耦合度，是評價載體平臺上設備間電磁兼容性能優(yōu)劣的重要指標。

針對上述兩個性能，采用實物實驗測試，往往成本較高，且需要開發(fā)樣件，在測試中發(fā)現(xiàn)問題再重新修正，還會造成開發(fā)周期延長。因此，通過電磁仿真分析預測車載復合天線測試前的性能并發(fā)現(xiàn)問題，減少開發(fā)成本及測試后的風險至關重要。

該文主要從天線增益方向圖及耦合度兩方面介紹復合天線的建模及仿真分析方法。

1 分析理論

在無線系統(tǒng)中，天線被用來把電流轉換成電磁波。在轉換過程中，輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，天線增益的度量單位為“dBi”。同時，增益與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高[2]。天線增益的計算公式為：

G=（4πA_e）/λ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，G表示天線增益;Ae為天線的有效面積;λ電磁波波長。

因為天線單元滿足端口網(wǎng)絡的特性，根據(jù)微波網(wǎng)絡理論，將多天線組成的復合天線系統(tǒng)等效為一個多端口網(wǎng)絡，天線饋線參考間的耦合度可以用多端口網(wǎng)絡散射參數(shù)來表征，每副天線對應多端口網(wǎng)絡的一個端口[3]。天線系統(tǒng)中，天線間的能量傳遞關系用散射矩陣表示為：

[█（&b_1@&b_2@&?@&b_n ）]=[█（&S_11? ?S_12…S_1n@&S_21? ?S_22…S_2n@&?? ? …? ??@&〖 S〗_n1? ?…? S_nn ）][█（&a_1@&a_2@&?@&a_n ）]? ? （2）

式中bi為反射功率，ai為入射功率，S為散射矩陣，Sii表示除端口i外，其余各端口均接匹配負載時，i端口的反射系數(shù)。Sij表示除端口j外，其余各端口均接匹配負載時，j端口到i端口的傳輸系數(shù)。天線間的耦合度，可由天線端口網(wǎng)絡的S參數(shù)矩陣得到，耦合度單位為dB，表達式為：

C=20log|S_ij |? ? ? ? ?（3）

2 車載復合天線建模

該文研究的車載復合天線包含了5G天線和GPS天線。在對實體模型進行建模之前，合理地簡化，可以提高仿真效率[4，5]。模型過程中只保留金屬件，刪除與天線性能無關的元器件，塑料蓋板等部件，但一些關鍵的細小結構特征對仿真結果會產(chǎn)生顯著影響，在簡化模型過程中，一些小的過孔因保留，不保留金屬件厚度。

為了使天線模型能夠用于預測其增益和耦合度的性能，復合天線建模的仿真精度為能達到要求，對模型有限元網(wǎng)格的尺寸有具體要求。對復合天線模型，通常根據(jù)計算頻率的1/8劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格單元類型為三角單元，檢查網(wǎng)格，不能存在重疊的三角單元及孤立的三角單元等[6]。單元質量的控制標準如表1所示。

在合理的模型簡化后，將模型導入FEKO軟件中，在定義復合天線屬性過程中，天線及金屬部分材料設置為PEC，介質PBC基板相對介電常數(shù)為4.6，損耗角正切為0.019，陶瓷底座相對介電常數(shù)設為24，損耗角正切0.000 2，三維空間默認為自由空間。其中，5G天線為陶瓷天線類型，GPS天線為枝節(jié)天線類型。由此，建立的復合天線模型如圖2所示。

3 天線增益性能分析

FEKO中用端口表征饋電點，5G天線采用edge端口類型，GPS天線采用wire端口類型，在天線饋電點添加1 V的激勵，模擬整車控制器輸入天線的電壓激勵，其中5G天線的工作頻率范圍為830～960 MHz。GPS天線工作頻率為1.57 GHz。以復合天線幾何中心為原點，設置全方向球面的遠場求解區(qū)域，并在經(jīng)度和緯度方向均以每10°分布一個測量點進行觀測。定義后的分析模型如圖3所示。

采用矩量法（MOM）進行頻域求解后，獲得的5G天線遠場三維增益方向圖，如圖4所示。從圖中可知，5G天線在工作頻率1.57 GHz 時，Z向增益明顯，最大增益接近1 dBi。天線輻射能力的大小，可以通過輻射增益超過0 dBi的比重進行表征，比重越大，輻射性能越好，由此可判斷5G天線有較強的輻射性能。

同樣獲得GPS天線遠場三維增益結果，在960 MHz時的方向圖，如圖5所示。從圖中可知，GPS天線輻射能力一般，但GPS天線更強調的是更好的方向性，保證各個方向均有相近的敏感度更為重要。從圖中也可知，在全方向中，場強增益分布均勻。

如圖6所示，雙圓形和橢圓形分別為5G天線和GPS天線在平面上的遠場方向圖。從圖中也可看出5G天線與GPS天線兩者的明顯差異，5G天線具有較好的輻射性能，而GPS天線則具有較好的方向性。

4 耦合度性能分析

復合天線包含兩幅天線，可以等效為二端口網(wǎng)絡，二端口網(wǎng)絡中包含元素4個，由于耦合度只與天線間的傳輸系數(shù)有關，并且組成網(wǎng)絡的元件都是線性無源元件，則這個網(wǎng)絡是互易。因此，根據(jù)互易性只需求解S12或S21即可。在無端口激勵的條件下，設置天線端口阻抗為50Ω，通過公式（3）轉換后，求解獲得S參數(shù)如圖7所示。

從圖中可知，復合天線的耦合度低于-45 dB，符合工程應用的一般要求。在整個頻段范圍內，隨著頻率的增加，天線間的耦合度也隨之增加，天線耦合到更多的能量。耦合度的最低值與最高值相差22.9 dB，天線間能量傳播存在入射場、反射場、繞射場等，所以在不同頻率的耦合情況也不盡相同。

5 結語

該文建立了用于電磁計算的復合天線仿真模型，從兩個維度介紹了復合天線的仿真分析方法，從分析結果來看，5G天線具有較強的輻射性能，GPS天線則具有較好的方向性，符合其各自性能特征的要求。兩部天線之間的耦合度低于-45dB，滿足工程應用的條件。采用數(shù)值仿真的方法進行天線性能預測是可行的工程路徑，該方法可用于設計開發(fā)前期評估復合天線的性能，從而減少開發(fā)后期優(yōu)化的難度。

參考文獻

[1] 劉爾雅.車載多天線電磁兼容性仿真分析[D].西安：西安電子科技大學，2017.

[2] 朱先如，關寧，李洋.淺析車載天線方向性仿真應用[J].汽車制造業(yè)，2020（5）：22，24.

[3] 王燦.移動通訊系統(tǒng)車載天線的研究與設計[D].南京：南京郵電大學，2019.

[4] 王福堅，謝佶宏，練朝春，等.車載4G天線的輻射性能仿真[J].安全與電磁兼容，2020（3）：87-89.

[5] 王子龍，高鋒，熊禹.基于模型的電動車低頻輻射發(fā)射改進技術[J].汽車工程，2020，42（7）：949-955.

[6] 鮑宇，趙明麗，王子龍，等.車載RKE天線布置的仿真優(yōu)化[J].安全與電磁兼容，2019（4）：67-70.

作者簡介：段龍楊（1966—），男，碩士，高級工程師，主要從事車輛工程研究。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2110-5042-4318