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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  
 
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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