车载复合天线的仿真方法研究

段龙杨 龚晖 李翔翼

摘  要：该文建立了用于电磁计算的复合天线仿真模型，从两个维度介绍了复合天线的仿真分析方法，从分析结果来看，5G天线具有较强的辐射性能，GPS天线则具有较好的方向性，符合其各自性能特征的要求。两部天线之间的耦合度低于-45 dB，满足工程应用的条件。采用数值仿真的方法进行天线性能预测是可行的工程路径，该方法可用于设计开发前期评估复合天线的性能，从而减少开发后期优化的难度。

关键词：天线  有限元  耦合度  增益方向图

中图分类号：TN820.8   文献标识码：A   文章编号：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

隨着汽车产业的快速发展，车辆的信息化及智能化已成为汽车必不可少的车载通信功能。各种各样的无线通信、卫星定位和雷达系统等设备被广泛运用在汽车上，为了节省布置空间及外观美化的要求，通常会将多个通信设备集成为一个复合天线平台，集成后的复合天线，它性能的好坏直接影响客户的用车体验和驾驶的舒适性[1]。

复合天线的性能主要表现在两方面，一是复合天线中各个天线自身的增益方向图，反映了天线远场位置处天线增益与天线的360°方位关系，故而能反映出每一个方位角的辐射损耗及效率的情况，能够给工程师提供很清晰地判断天线性能是否优良的依据。二是由于载体平台上集成了多副天线，不同天线间的电磁兼容问题日益突出，因此复合天线中各个天线的耦合度，是评价载体平台上设备间电磁兼容性能优劣的重要指标。

针对上述两个性能，采用实物实验测试，往往成本较高，且需要开发样件，在测试中发现问题再重新修正，还会造成开发周期延长。因此，通过电磁仿真分析预测车载复合天线测试前的性能并发现问题，减少开发成本及测试后的风险至关重要。

该文主要从天线增益方向图及耦合度两方面介绍复合天线的建模及仿真分析方法。

1 分析理论

在无线系统中，天线被用来把电流转换成电磁波。在转换过程中，输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，天线增益的度量单位为“dBi”。同时，增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高[2]。天线增益的计算公式为：

G=（4πA_e）/λ         （1）

式（1）中，G表示天线增益;Ae为天线的有效面积;λ电磁波波长。

因为天线单元满足端口网络的特性，根据微波网络理论，将多天线组成的复合天线系统等效为一个多端口网络，天线馈线参考间的耦合度可以用多端口网络散射参数来表征，每副天线对应多端口网络的一个端口[3]。天线系统中，天线间的能量传递关系用散射矩阵表示为：

[█（&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为反射功率，ai为入射功率，S为散射矩阵，Sii表示除端口i外，其余各端口均接匹配负载时，i端口的反射系数。Sij表示除端口j外，其余各端口均接匹配负载时，j端口到i端口的传输系数。天线间的耦合度，可由天线端口网络的S参数矩阵得到，耦合度单位为dB，表达式为：

C=20log|S_ij |         （3）

2 车载复合天线建模

该文研究的车载复合天线包含了5G天线和GPS天线。在对实体模型进行建模之前，合理地简化，可以提高仿真效率[4，5]。模型过程中只保留金属件，删除与天线性能无关的元器件，塑料盖板等部件，但一些关键的细小结构特征对仿真结果会产生显著影响，在简化模型过程中，一些小的过孔因保留，不保留金属件厚度。

为了使天线模型能够用于预测其增益和耦合度的性能，复合天线建模的仿真精度为能达到要求，对模型有限元网格的尺寸有具体要求。对复合天线模型，通常根据计算频率的1/8划分网格。网格单元类型为三角单元，检查网格，不能存在重叠的三角单元及孤立的三角单元等[6]。单元质量的控制标准如表1所示。

在合理的模型简化后，将模型导入FEKO软件中，在定义复合天线属性过程中，天线及金属部分材料设置为PEC，介质PBC基板相对介电常数为4.6，损耗角正切为0.019，陶瓷底座相对介电常数设为24，损耗角正切0.000 2，三维空间默认为自由空间。其中，5G天线为陶瓷天线类型，GPS天线为枝节天线类型。由此，建立的复合天线模型如图2所示。

3 天线增益性能分析

FEKO中用端口表征馈电点，5G天线采用edge端口类型，GPS天线采用wire端口类型，在天线馈电点添加1 V的激励，模拟整车控制器输入天线的电压激励，其中5G天线的工作频率范围为830～960 MHz。GPS天線工作频率为1.57 GHz。以复合天线几何中心为原点，设置全方向球面的远场求解区域，并在经度和纬度方向均以每10°分布一个测量点进行观测。定义后的分析模型如图3所示。

采用矩量法（MOM）进行频域求解后，获得的5G天线远场三维增益方向图，如图4所示。从图中可知，5G天线在工作频率1.57 GHz 时，Z向增益明显，最大增益接近1 dBi。天线辐射能力的大小，可以通过辐射增益超过0 dBi的比重进行表征，比重越大，辐射性能越好，由此可判断5G天线有较强的辐射性能。

同样获得GPS天线远场三维增益结果，在960 MHz时的方向图，如图5所示。从图中可知，GPS天线辐射能力一般，但GPS天线更强调的是更好的方向性，保证各个方向均有相近的敏感度更为重要。从图中也可知，在全方向中，场强增益分布均匀。

如图6所示，双圆形和椭圆形分别为5G天线和GPS天线在平面上的远场方向图。从图中也可看出5G天线与GPS天线两者的明显差异，5G天线具有较好的辐射性能，而GPS天线则具有较好的方向性。

4 耦合度性能分析

复合天线包含两幅天线，可以等效为二端口网络，二端口网络中包含元素4个，由于耦合度只与天线间的传输系数有关，并且组成网络的元件都是线性无源元件，则这个网络是互易。因此，根据互易性只需求解S12或S21即可。在无端口激励的条件下，设置天线端口阻抗为50Ω，通过公式（3）转换后，求解获得S参数如图7所示。

从图中可知，复合天线的耦合度低于-45 dB，符合工程应用的一般要求。在整个频段范围内，随着频率的增加，天线间的耦合度也随之增加，天线耦合到更多的能量。耦合度的最低值与最高值相差22.9 dB，天线间能量传播存在入射场、反射场、绕射场等，所以在不同频率的耦合情况也不尽相同。

5 结语

该文建立了用于电磁计算的复合天线仿真模型，从两个维度介绍了复合天线的仿真分析方法，从分析结果来看，5G天线具有较强的辐射性能，GPS天线则具有较好的方向性，符合其各自性能特征的要求。两部天线之间的耦合度低于-45dB，满足工程应用的条件。采用数值仿真的方法进行天线性能预测是可行的工程路径，该方法可用于设计开发前期评估复合天线的性能，从而减少开发后期优化的难度。

参考文献

[1] 刘尔雅.车载多天线电磁兼容性仿真分析[D].西安：西安电子科技大学，2017.

[2] 朱先如，关宁，李洋.浅析车载天线方向性仿真应用[J].汽车制造业，2020（5）：22，24.

[3] 王灿.移动通讯系统车载天线的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2019.

[4] 王福坚，谢佶宏，练朝春，等.车载4G天线的辐射性能仿真[J].安全与电磁兼容，2020（3）：87-89.

[5] 王子龙，高锋，熊禹.基于模型的电动车低频辐射发射改进技术[J].汽车工程，2020，42（7）：949-955.

[6] 鲍宇，赵明丽，王子龙，等.车载RKE天线布置的仿真优化[J].安全与电磁兼容，2019（4）：67-70.

作者简介：段龙杨（1966—），男，硕士，高级工程师，主要从事车辆工程研究。

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