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【论文】整车GPS天线仿真与试验验证
2018-12-29 22:45:27· 来源：数字仿真联盟
编者按：此文为第十四届中国CAE工程分析技术年会提交论文，收录于《第十四届中国CAE工程分析技术年会》论文集中，并且荣获优秀论文奖，著作权归作者所有。
方明壮1，王芳佑2，汤宇2，高阳春3
（1.上汽通用五菱有限公司；2.广西艾盛科技有限公司；3.中国汽车工程研究院）
摘要
本文中，利用商业软件FEKO仿真单体和整车上的GPS天线的性能。对比仿真与实测的结果验证了仿真结果的有效性。这种方法能有效地评估天线在整车上时的性能，对于天线在整车上布局有实际的参考意义。
关键词
GPS天线；feko；整车实测
引言
GPS天线的功能主要是与卫星通讯以进行定位，现在汽车上基本都需要具备这项功能。其中心频率在1.575GHz，在自由空间中传播的波长约为190mm。汽车上此类天线一般都使用高介电常数的陶瓷介质以减小天线尺寸。并且一般采用圆极化方式接收信号，这种极化方式的天线有以下优点：有效电磁波传播过程中产生的各种反射波对此天线无影响；能接收各种不同角度的极化波；可利用极化方式不同，进行隔离传输信号。
仿真GPS单体天线的性能，并与测试数据对比，以验证单体天线建模精度。调整模型后，仿真整车上天线性能，再与实测方向图对比，验证了整车天线仿真结果是可靠的。
1.模型介绍
1.1单体天线建模
此仿真模型中，GPS天线与FM天线集成在一起作为鲨鱼鳍天线。GPS天线工作频率较高，为充分考虑底座上金属介质可能造成的影响，建模过程中应当尽量还原实物模型。
GPS天线如图1所示。
图1 鲨鱼鳍天线（包含GPS、FM与底座）
图中橘色层为PEC材料，蓝绿色层为PCB板，草绿色结构即为陶瓷介质。距离GPS天线较近的螺柱也应尽量还原，金属底座对天线能量反射影响很大，必须严格按照实物建模。而FM天线的PCB部分下面细节可保留大体特征，螺帽也可以去掉，虽然对方向图会有一点很小的影响，但是换取了高效仿真，这是可以接受的。
1.2整车天线建模
如图2所示，鲨鱼鳍天线位于整车顶盖后方。整车模型中包含了大部分钣金件，注意实际的电连接。特别是天线周围的小特征（顶盖上小支架）也应保留。而GPS天线波长大约190mm，而FEKO软件中，只需剖分波长的八分之一的网格即可满足仿真精度要求，所以此模型中采用30mm网格仿真。
图2 整车上GPS天线布局
1.3仿真参数设置
材料设置中，陶瓷体相对介电常数为21，损耗角正切0.0002，PCB的相对介电常数为4.6，损耗角正切0.019。为了仿真与实测对比，只需仿真一个频率点1.575GHz时的方向图。在FEKO中，采用多层快速多极子算法（MLFMM）。
2.仿真与实测数据对比
2.1单体结果
一般，GPS天线与上空的卫星进行通讯，所以在仿真与测试对比中，关注垂直两个平面（XOY、XOZ）。图3为GPS天线的单体仿真与测试垂直切面方向图对比。趋势大致相同，最大缺陷角相差10°，归一化后，平均增益差均不超过3dB。测试结果的曲线没有仿真结果的平滑，可能是测试环境内有其他金属反射导致的。
图3垂直切面仿真与实测对比图
2.2整车结果
因为测试场地的原因，只对整车天线水平方向图进行测试，故在此只进行水平方向图仿真结果与测试的对比。图4为GPS天线布置在整车上仿真与实测对比图，测量水平切面E(theta)的值，可以看出仿真与实测的趋势大致吻合，明显缺陷角处会有3-5°偏差。图5为GPS天线水平切面方向图仿真结果。
3.结论
通过对比GPS天线单体仿真与实测结果, 验证了单体天线建模精度可行的。仿真整车上性能，再与实测方向图对比，验证了GPS天线联合整车仿真的数据是可靠的。
参考文献
[1]Victor Rabinovich. Automotive Antenna Design and Applications[M]. Boca Raton,FL, USA ：CRC Press ,2010:63-83
[2]韩勇杰, 王安康, 蔡明波. 对不同介电常数切角圆极化天线的研究[J]. 微波学报, 2016，32(s1):106-109
作者简介
方明壮 1982 男 上汽通用五菱汽车股份有限公司 大学本科 工程师 冷却系统、 整车热管理、 整车EMC开发
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