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1、车载信息系统车载信息系统 汽车电磁环境建构与分析汽车电磁环境建构与分析 摘 要 针对汽车电磁环境的复杂性 本文讨论了使用仿真软件进行汽车电磁环境 建构与分析 主要面向汽车天线布局设计 主要以 100M 单极半波阵子车载天线 为研究对象 通过以矩量法 MoM 为基础的三维电磁场仿真软件 FEKO 仿真分析 了汽车电磁环境 并进行车载天线特性分析 给出了 s11 参数和辐射方向图等 部分计算与分析结果 反映出了车身对天线本身特性的影响 并通过比较半波 阵子天线在车体不同位置上性能的变化 指出了天线最佳安装位置 重点分析 了汽车车身及天线安装位置对天线辐射性能的影响 为车载天线的设计提供了 部分数据
2、和分析方法 此研究具有十分重要的现实意义 关键字 电磁环境 天线 仿真 论文类型 系统设计 TitleTitle Telematics Construction and analysis of automotive electromagnetic environment ABSTRACT With respect to the complexity of Electromagnetic environment on automobile we construct and analyze Electromagnetic model on automobile based on simulatio
3、n software with particularity of the antenna design and distribution analysis over an automobile out figure We put study focus on the car carried monopole antenna in specific for the frequency at 100MHz For that Feko a 3D Electromagnetic simulation suite in the theory of Moment of Method MoM is adop
4、ted to figure out antenna characteristics revealing parameters such as S11 and radiation patterns which verify that body construction of an automobile will do affect antenna and antenna performance The optimal place for antenna mount on an automobile is forwarded through making comparison of monopol
5、e antenna s performance on different automobile places with emphasis on the variation of radiation characteristics The study comes forward some data and analysis method which is virtually with significant meaning for the real application Key words Electromagnetic environment Antennas Simulation Type
6、 of Thesis System design 引言 随着科技的进步 人类社会已步入信息社会 信息的流通十分重要 而信 息的流通依赖于通信技术的发展 过去人们在信息流通中更关心的是发射和接 收系统本身的性能 如提高发射天线的发射性能和提高接收天线的接收性能 但随着信息流通的不断加大 通信系统中所用的电子设备的种类和数量也不断 增大 因而 单纯一味的考虑如何提高设备的性能已经不能满足现实需要了 还必须考虑周围环境的影响 只有兼顾这两者之间的关系才能使一个通信系统正 常工作 达到信息传送顺畅的目的 车载信息系统的广泛应用 而汽车的空间有限及周围的环境影响 使得通 信系统所在的电磁环境十分恶劣 找
7、到一种能在实际工程中方便有效的降低天 线问干扰的方法十分重要 其中一种很有效方法就是天线布局优化设计技术 所谓天线布局设计是指在不改变天线发射和接收性能 即保证通信质量 的前提 下 根据天线的工作特性通过合理的天线布局来降低天线问的干扰 在国内 车载通信系统天线间干扰的理论研究落后于国外 工程中主要是依靠实测和经 验 本文就是在研究汽车电磁环境特性的基础上来进行车载天线的布局 目 录 第第 1 1 章绪论章绪论 6 6 1 1 问题的背景及研究的目的和意义 6 1 2 国内外研究现状 6 1 3 本文主要研究内容 7 1 4 本文结构安排 7 第第 2 2 章章 电磁场理论电磁场理论 9 9
8、2 1 麦克斯韦方程组 9 2 1 1 麦克斯韦方程 9 2 1 2 本构关系 9 2 1 3 边界条件 10 2 1 4 波动方程 10 2 1 5 电磁场的位函数 10 2 2 麦克斯韦方程的基本解法 11 2 2 1 分离变量法 11 2 2 2 格林函数法 12 2 3 矩量法 13 2 31 矩量法的基本原理 13 2 3 2 基函数和权函数的选择 16 2 4 本章小结 19 第第 3 3 章章 汽车电磁环境仿真技术的讨论汽车电磁环境仿真技术的讨论 2020 3 1 计算电磁学的主要方法 20 3 1 1 矩量法 20 3 1 2 有限元法 20 3 1 3 时域有限差分法 FDT
9、D 21 3 1 4 边界元法 21 3 2 电磁场仿真软件介绍 21 3 3 电磁场分析软件 FEKO 概述 22 3 3 1 FEKO 概述 22 3 3 2 主要功能 23 3 3 3 典型应用 23 3 4 FEKO 基本操作过程 24 3 5 本章小结 24 第第 4 4 章章 线天线电磁特性线天线电磁特性 2525 4 1 天线的辐射机理 25 4 2 天线的主要特性参量 26 4 3 单极半波振子仿真 31 4 4 本章小结 34 第第 5 5 章章 汽车天线的电磁仿真汽车天线的电磁仿真 3535 5 1 汽车车载天线的电磁兼容问题 35 5 2 车载天线的仿真与分析 35 5
10、3 汽车天线的布局分析 38 5 4 结论 44 5 5 本章小结 44 第第 6 6 章总结章总结 4545 6 1 主要工作及成果 45 6 2 需要进一步研究的问题 45 第 1 章绪论 本章主要介绍论文的研究背景及国内外情况 研究内容及其应用意义 最 后 介绍论文的结构安排 1 1 问题的背景及研究的目的和意义 当前 汽车电子技术迅猛发展 日益增多的汽车电子产品 在满足人们对于 汽车经济性 舒适性和安全性需求的同时 也使汽车的电磁环境变得更加复杂 在车载信息系统中线天线的应用非常广泛 线天线作为车载卫星 通信电 子设备电磁能量的发射和接收端口 最有可能成为辐射干扰的干扰源和敏感体 车载
11、平台表面是金属导体或可看作近似金属导体 由于天线通常位于地面上或 者附近有金属导体 在天线激发的电磁场的作用下 地面或附近的金属导体表 面都要激励起电流 而这种感应电流也会在空间激发电磁场形成散射场或二次 场 这种散射场与天线直接激发的场共同构成空间场 这自然不同于自由空间 中天线所激发的场 当天线位于地面上或者附近有金属导体时天线系统的辐射 特性就要受到地面或金属导体的影响 因此天线的电磁特性必然会受到其安装 位置附近车体的影响 使天线的电参数特性发生改变 合理的天线布局 使车 身对天线的影响达到最小 当天线附近的导体比较复杂时 是无法从理论上推 导得出导体对天线辐射特性的影响的 这时就得使
12、用数值算法来求解 如矩量 法 有限元法等 课题的研究目的就是利用计算机数值仿真技术预测车载天线电磁特性受车 体的影响情况 论文主要将数值仿真技术贯穿使用于车载天线布局设计和天线 相关问题的研究中去 这种方法属于电磁环境仿真方法 具有计算快 成本低 参数修改方便 可以反复计算等突出优点 在车载天线系统定性前可以通过仿 真发现潜在的问题 提出优化的改进方案 因此是一项有很高经济效益的工程 技术方法 1 2 国内外研究现状 随着车载定位导航系统 车载通信系统 车载娱乐系统 自动驾驶系统 实时救助系统和车体控制系统的应用 汽车电磁环境变得越来越复杂 对电磁 环境的全面而精确的分析和研究是保证电子设备可
13、靠性重要手段之一 围绕汽车电磁环境研究包括两个方面 1 电磁环境的测试 该领域涉及测 试环境的可靠性 电磁兼容暗室 浪涌冲击试验 干扰测试仪和 SAR 测试等 2 电磁环境的仿真 该领域包括汽车结构的几何建模和求解器的开发和应用等 对于目前 世界上汽车发达国家对汽车电磁环境研究已经取得了一些成就 形 成了一套汽车电磁兼容体系 这主要表现在 具有较为完善的汽车电磁兼容测试 标准和规范 具有有效的对汽车整车和零部件进行电磁兼容检测 管理和认证的 机构 具有高精度的汽车电磁兼容测试系统 此外 第三方测试认证机构 汽 车研究机构等也都开展了汽车电磁兼容方面的研究 并相继建立了自己的电磁 兼容实验室 德
14、国大众从 1965 年起 开始建立了露天的汽车防无线电干扰试验台 到 70 年代不断改进和完善 1978 年引进了较先进的测试设备 1985 年大力推进 汽车电磁兼容中心体系的筹建工作 1987 年全新的汽车电磁兼容中心竣工 法 国 PSA 公司电磁兼容实验室共有三个暗室 一个用于整车 一个用于零部件和 车用接收机调整 另外一个专门用于零部件测试 测试整车的暗室尺寸为 15 5 m 10 m 6 m 转台直径 8 4 m 轴距调整范围为 2 000 3 700 mm 欧洲各 国 EMC 实验室总计上百个 其它拥有大型汽车 EMC 实验室的机构有德国宝马汽 车公司 奥迪汽车公司 法国 U TAC
15、 英国汽车工业研究会 MIRA 意大利 菲亚特等 在电磁环境仿真方面 AutoEMC 工作组致力于开发一整套用于汽车电磁 兼容仿真和预测的计算机分析方法 该工作组由欧洲两大汽车制造商 宝马和雷 诺 欧洲两大软件提供商 ESI 和 Analogy 菲亚特技术研究中心 以及电磁 兼容咨询服务提供商 Politecnico diTorino 等组成 工作组研究的内容主要 是 CAD 建模 确保计算机仿真科学性 确保计算机仿真的工业有效性 集成不同的仿真工具 确定电磁兼容计算机仿真的标准 而且国外已研制出了大型的汽车电磁兼容预测 分析和设计软件 推出多 个技术平台 涉及 MOM FEM FDTD UT
16、D PO 和 Ray Tracing 等技术 国内汽车电磁兼容性研究在标准法规 测试技术 设计预测等各个方面尚 处于起步阶段 其相关研究始于 2000 年左右 目前汽车电磁兼容测试标准和规 范及相关研究有一定的发展 2004 年 12 月在重庆的国家客车质量监督检验中 心建成了电磁兼容实验室 在电磁仿真方面 尚处于空白 1 3 本文主要研究内容 根据查阅的文献和前人的工作 本论文拟以 车载信息系统 Telematics 汽车电磁环境建构与分析 为题进行以下几个方面的研究工 作 深入学习电磁场基本原理 包括麦克斯韦方程组及麦克斯韦方程的解法 为下一步的仿真研究奠定基础 学习电磁场仿真软件 FEKO 的使用 并深入学习天线的辐射机理 特别线天 线的辐射机理和相关电参数的原理 分析相关线天线特性 建立逼真的适合电磁仿真计算的全尺寸车体模型 仿真分析车载半波阵子 天线电参数受车体影响的情况 并对天线在车内外产生的电场进行了讨论 最 终对天线安装位置实现优化 1 4 本文结构安排 本文第一章是绪论部分 介绍了课题的研究背景 研究内容及研究意义 第 二章阐述了电磁场理论基础 着重阐述了计算电磁学中
