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1、论文题目：车载信息系统汽车电磁环境建构与分析专业： 通信工程学生： 王涛 签名： 指导教师：刘健 签名： 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
2、设计提供了部分数据和分析方法，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:TelematicsConstruction and analysis of automotive electromagnetic environmentMajor: Communication EngineeringName:Wang Tao Signature:_Supervisor:Liu Jian Signature:_ABSTRACTWith respect to the complexity of Electromagnetic environment
3、 on automobile, we construct and analyze Electromagnetic model on automobile based on simulation 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.
4、For that, Feko, a 3D Electromagnetic simulation suite in the theory of Moment of Method (MoM), is adopted 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 performanc
5、e. The optimal place for antenna mount on an automobile is forwarded through making comparison of monopole antennas 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 si
6、gnificant meaning for the real application.【Key words】Electromagnetic environment, Antennas, Simulation【Type 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
7、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
8、章绪论6 611 问题的背景及研究的目的和意义.612 国内外研究现状.613 本文主要研究内容.714 本文结构安排.7第第 2 2 章章 电磁场理论电磁场理论9 92.1.麦克斯韦方程组92.1.1 麦克斯韦方程 92.1.2 本构关系 92.1.3 边界条件 .102.1.4 波动方程 .102.1.5 电磁场的位函数 .102.2 麦克斯韦方程的基本解法112.2.1 分离变量法 .112.2.2 格林函数法 .122.3 矩量法132.31 矩量法的基本原理 132.3.2 基函数和权函数的选择 .162.4 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
9、技术的讨论20203.1 计算电磁学的主要方法203.1.1 矩量法 .203.1.2 有限元法 .203.1.3 时域有限差分法(FDTD) .213.1.4 边界元法 .213.2 电磁场仿真软件介绍213.3 电磁场分析软件 FEKO 概述 .223.3.1 FEKO 概述 223.3.2 主要功能 .233.3.3 典型应用 .233.4 FEKO 基本操作过程.243.5 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25254.1 天线的辐射机理254.2 天线的主要特性参量264.3 单极半波振子仿真314.4 本章小结34第第 5 5 章章 汽车天线的电磁仿真汽车
10、天线的电磁仿真35355.1 汽车车载天线的电磁兼容问题355.2 车载天线的仿真与分析355.3 汽车天线的布局分析385.4 结论445.5 本章小结44第第 6 6 章总结章总结454561 主要工作及成果.4562 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。11 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
11、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
12、导得出导体对天线辐射特性的影响的，这时就得使用数值算法来求解，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12 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
13、确的分析和研究是保证电子设备可靠性重要手段之一。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
14、建立了自己的电磁兼容实验室。德国大众从 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 m10 m6 m ,转台直径 8.4 m ,轴距调整范围为 2 0003 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
15、司、奥迪汽车公司、法国 U - TAC、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
16、，涉及 MOM，FEM， FDTD，UTD/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。13 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
