电磁仿真
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2019年第5期 安全与电磁兼容
引言
目前国内对于玻璃天线在工作过程中对电磁环境的影响分析较少。电动汽车的发展必然要经过电磁兼容性的考验，天线产生的电磁场有可能对整车工作造成一定干扰。另外由于电动汽车集成化趋势显著，车内存在大量线束，线束与玻璃天线之间必然相互影响。预先分析玻璃天线的电磁能量分布，能为整车的电磁兼容性研究奠定一定基础。
1 玻璃天线简介
天线能有效地辐射或接收电磁波，各类无线电设备执行的任务虽不相同，但都是利用无线电波通过天线传递信息。
汽车玻璃天线采用印刷电路工艺制造，具有隐藏性、防水性等优点，是车载天线的首选方案。电动汽车玻璃天线用金属涂层将接收天线印刷在风窗玻璃上，经车内的低噪声放大器、信号放大器与集成了收音机功能的多媒体主机相连。
汽车玻璃天线的性能与车内电器件的布线方式、布线长短、天线馈电的位置等都有关系。
根据不同车型的玻璃曲面及周边钣金结构的情况，玻璃天线的布线方案会进行相应调整。以使天线性能参数更好地满足系统要求。图1给出了汽车玻璃天线的两个示例。
汽车玻璃天线电场仿真及线束布局优化
Electric Field Simulation and Wire Harness Layout Optimization of Automotive Glass Antenna
1
河北工业大学
2
中国汽车技术研究中心有限公司
刘畅1 郭加加2 鲍宇2 赵明丽2 王子龙2
摘要
建立某电动汽车的Comsol Multiphysics 5.3仿真模型，仿真分析电动汽车玻璃天线80 MHz、100 MHz 的电场方向性曲线及车内主线束上的电场分布，指出汽车玻璃天线与车内电器件、主线束间电磁干扰最强的位置和频点。为电动汽车设计时内部布局的优化及整车电磁兼容性的提高提供参考。关键词
玻璃天线；建模；仿真；布局优化Abstract
The Comsol Multiphysics 5.3 simulation model of an electric vehicle was established to simulate and analyze the electric field directivity curves of the glass antenna of an electric vehicle at 80 MHz and 100 MHz and the electric field distribution on the main wire harness of the vehicle, and to point out the position and frequency of the strongest electromagnetic interference between the glass antenna and the electrical components in the vehicle and the main wire harness. It provides reference for the optimization of internal layout and the improvement of electromagnetic compatibility of electric vehicle.
Keywords
glass antenna;modeling;simulation;layout optimization
国家重点研发计划资助 （2017YFB0102500）
（a）示例1
（b）示例2
图1
汽车玻璃天线示例
EM SIMULATION
100SAFETY & EMC No.5 2019
2 玻璃天线的电磁仿真
2.1 仿真目的
仿真所用软件为Comsol Multiphysics 5.3。Comsol Multiphysics 起源于MATLAB 的Toolbox，该软件的优势在于多物理场耦合计算。本次仿真研究的主体是玻璃天线及车内线束、器件，属于多物理场耦合的范畴。
仿真建模时，综合考虑玻璃天线、车内电器件、线束及整车的建模精度及难度，在不影响计算精度的前提下对模型进行适当的取舍。仿真寻玻璃天线的最优放置位置时，通常将其视为发射天线。根据仿真得到的玻璃天线车内电场分布情况，来决定各线束的布置，如：在电场能量低的位置布置对天线干扰大的线束，在电场能量高的位置布置对天线干扰较小或无干扰的线束。2.2 模型建立
某款4座电动乘用车的仿真模型框架如图2所示，玻璃天线（蓝）为单极子天线，以长方形金属涂层的形式覆在电动汽车后挡风玻璃上，车内另有其他电器件以及处于车量左侧的主线束。
此款车型的车载蓄电池布置在车辆右后侧，驾驶舱内的各种电器件需从蓄电池取电，导致各电器件输电线束过长。以下仿真主要考察主线束与玻璃天线间的相互影响。
仿真环境设为空气材料，玻璃天线和车内器件外壳添加相应的金属材料。激励源设置在玻璃天线一端与车载收音机主机馈线相连的位置（图2中用红点标出），端口电压12 V，匹配阻抗50 Ω。汽车中轴线(前
轴与后轴中点的连线)的中点为坐标原点，车尾方向为X 正方向，Y 正方向朝向车辆右侧，Z 正方向垂直地面向上。车内主线束所在的汽车地板平面为XOY 平面。规定XOY 、XO （-Y ）、-XO （-Y ）、-XOY 分别为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ象限。网格设置方法如图3，序列类型设为‘物理场控制网格’，单元尺寸设为‘常规’。2.3 玻璃天线电场方向性
由于驾驶舱内仪表、多媒体娱乐系统等电器件的工作频率主要分布在80~100 MHz 范围内。因此主要计
算电动汽车玻璃天线80 MHz 和100 MHz 的电场方向性 曲线。
图4为玻璃天线在XOY 面的电场方向性曲线，图4（a）可见，大多数的空间范围内玻璃天线80 MHz 的电场强度明显高于100 MHz。80 MHz 时在XOY 平面第Ⅰ象限（对应角度30~60）即车辆右后轮位置的电场达到最大值。而图4（b）100 MHz 的电场最大值出现在XOY 平面第Ⅰ、Ⅱ象限即车辆后部。因此，在收音机频段，后挡风玻璃天线的电场分布，车尾附近较强。
布置汽车线束及电器件时，不建议将工作频率80~100 MHz 的电器件布置到车尾。
图2
汽车拉杆电动汽车模型框架
图3
网格设置
（a）80 MHz、100 MHz
（b）100 MHz 图4 玻璃天线XOY
面的电场方向性曲线
电磁仿真
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2019年第5期 安全与电磁兼容
2012 飞机供电特性[S].北京: 总装备部军标出版发行部, 2012．
[2] 航空工业部六四〇所, 六〇一所, 一一五厂, 等. GJB 181—86 飞机供电特性及对用电设备的要求[S].北京: 航空工业部三〇一所, 1986.
[3] 黄付刚，王凤岩，赵伟刚，等.机载设备的50 ms 直流供电中断抑制[J].电子信息对抗技术, 2015, 30(3): 76-79.
[4] 周成龙，李子森，郭艳辉，等.大功率机载电子设备瞬态电压保护电路设计[J].安全与电磁兼容, 2016(2): 78-81.
[5] 万玉澄，曹允，贺轶斐，等.一种直流浪涌抑制电路的设计和实现[J].光电子技术,2010, 30(2): 140-143.
编辑：刘新霞
2.4 玻璃天线辐射场内的线束电场分布
玻璃天线工作在60 MHz、80 MHz、100 MHz 时，图5给出了天线辐射场下的电动车内主要线束的电场分布。右侧电场刻度条量程均为0~5，通过颜能直观看到电场的分布状况与强弱对比。显然，相对60 MHz、100 MHz 而言，线束上80 MHz 的电场分布情况更加复杂，同时伴随着更高的电场强度。这也意味着电动车内线束发出的80 MHz 左右的信号，对玻璃天线的电磁干扰更加显著。
XOY 平面内第Ⅱ、Ⅲ象限转移至第Ⅰ、Ⅳ象限，即由车辆左侧移至车辆右侧，从而减少对玻璃天线的影响。
通过改变车内线束的布置，使得此款车型的汽车玻璃天线处于受车内复杂电磁干扰最小的最优布置状态。
4 结语
通过主要频点电场方向特性、车内电场分布状况的仿真，预测了电动汽车玻璃天线工作时与车内线束及器件间的主要影响因素。为电动车辆设计阶段的线束及电器件布置优化提供借鉴，规避了可能出现的问题。避免因后期整改导致的车型开发成本增加、开发周期延长。
参考文献
[1]
王晨，焦金龙，刘源.汽车风窗天线仿真技术[J].安全与电磁兼容, 2012(2): 73-76.[2]
王昭.基于COMSOL 的喇叭天线仿真设计[J].无线互联科技, 2018(9): 16-17.
[3] 陈庆东，王俊平. 基于COMSOL 软件的静磁场仿真与分析[J].大学物理实验, 2018, 31(2): 88-91.
[4] 中国汽车技术研究中心, 上海电器科学研究院, 长春汽车检测中心, 等. GB/T 18655-2018 车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法[S].北京: 中国标准出版社, 2018.
[5] 武红斌, 丁桥.车载天线系统间电磁干扰仿真研究[J].安
全与电磁兼容, 2018(5): 75-78.[6]
王彦, 曹军涛, 李万敏.电磁仿真软件HFSS 在汽车玻璃天线设计中的应用[J].兰州工业学院学报, 2015(1): 68-71.
[7] Wanfeng G , Donglin S , Fei D , et al.Method of Systemic EMC Evaluation [C]//International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Qingdao, China: IEEE, 2007: 251-254.
编辑：刘新霞
（a）60 MHz
（b）80 MHz
（c）100 MHz
图5
电动车内线束上的电场分布
（上接第76页）
3 线束布局优化
为减弱电动车内线束与玻璃天线间80 MHz 左右的电磁干扰，需要重新布置车内主线束，将强干扰电器件的线束移出主线束，布置到玻璃天线电场能量分布较弱的位置，防止玻璃天线工作失灵或者出现其他故障。仪表、多媒体系统主要工作在80~100 MHz，布置线束时应将主线束中的仪表线束、多媒体系统线束走线由
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