王彦;曹军涛;李万敏
【摘 要】汽车辐射以汽车玻璃天线的设计为例，介绍了计算机模拟仿真技术在汽车设计领域的应用。通过应用EDA软件HFSS进行天线结构建模、模拟电磁仿真、分析优化等操作，实现了汽车玻璃天线设计的智能化，缩短了从设计到实现的时间。%Based on the design of automobile glass antenna, this paper introduces the application of computer simulation technology in the field of vehicle design.Through the application of EDA software HFSS in antenna structure modeling, analog electromagnetic simulation, analysis optimization and other operations, intellectualiza-tion on the automobile glass antenna design is achieved and the process from design to implementation is short-ened.
【期刊名称】《兰州工业学院学报》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】4页(P68-71)
【关键词】玻璃天线;天线设计;HFSS;仿真
【作 者】王彦;曹军涛;李万敏
【作者单位】兰州工业学院 汽车工程学院，甘肃 兰州 730050;安徽江淮汽车技术股份有限公司，安徽 合肥 230601;兰州工业学院 汽车工程学院，甘肃 兰州 730050
【正文语种】中 文
【中图分类】TN822
玻璃印刷天线采用印刷电路制造工艺构建，具有隐藏性、防水性等优点，因此成为汽车车载天线的首选方案.天线布线的方案根据不同车型玻璃曲面及周边钣金结构进行不同设计以满足收放机对天线驻波比、回波损耗及方向性的要求.借助计算机辅助设计软件，利用数值计算分析方法进行天线的模拟仿真验证正逐步随着计算机性能的飞速发展和计算电磁学研究水平的不断进步而成为目前天线工程领域所广泛采用的方式，极大的缩减了从设计到实现所需的时间和成本.
本文以汽车玻璃印刷天线为研究对象，运用HFSS软件对某款乘用车玻璃布线进行仿真模拟，以达到设计要求，满足市场对收音效果的需求.
天线是指能有效地辐射或接收电磁波的装置.各类无线电设备所执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的，任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此必须有天线.由于汽车的特殊结构及其安全性(主要针对前档风玻璃)考虑，天线布置在空间上有很大的限制，使天线无法有效的实现其接近理想的物理尺寸(
λ/4中心频率波长)
[1]，继而影响到天线的增益无法达到理想的数值，对整个天线的接收系统产生影响.当天线的有效长度接近其工作频率半波(1/2波长)的正整数倍时,天线的效率较高
[2].若这个倍数增加时,天线的效率还会进一步提高，一般的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位.但天线有效长度的增加与效率的提高不成正比例关系，玻璃天线性能与布线方式、馈点位置，布线长短等都有关系，因此为了实现天线的高增益，在设计时利用三维电磁仿真软件HFSS对天线进行建模、仿真，以达到汽车玻璃天线设计要求
[3].
评价玻璃天线设计水平的关键指标有3个：驻波比、回波损耗和方向性.驻波比是把天线作为无损耗传输线的负载时,在沿传输线产生的电压驻波图形上,最大值与最小值之比，其反映了馈线与天线匹配情况不好时,发射机发射的电波将有一部分反射回来，造成天线性能不良.汽车玻璃天线设计时要求驻波比SWR≤2；回波损耗是天线由于阻抗不匹配所产生的反射，主要发生在连接处，天线内部也会出现，回波损耗将引起信号波动.设计要求回波损耗的最小值应该在98 MHz附近，考虑到玻璃天线接口等因素的影响会增加一个修正数据△
F=3 MHz，因此最小值应在101 MHz附近且最小值应小于1.5；发信天线向空间各方向辐射能量的强度是不同的.同样,对于同样强度的辐射波,收信天线拾取功率的大小也与电磁波的方向有关.如图1所示为天线正面方向图,从整体上看,一个花瓣的各波瓣大小和方向代表各自方向上辐射能量的相对大小.一付天线只有一个最大波瓣,称作主瓣,代表该天线辐射场的最强辐射方向,比主瓣小的叫旁瓣,与最大辐射方向反向的波瓣为后波瓣
[4].
HFSS软件提供了3种仿真求解模式，要进行天线设计与仿真，一般设置为模式驱动求解
[5-6].在此设计中，天线的初始设计参量可根据经汽车设计规定的参数得出.对天线主体与馈电结构进行建模，包括介质基板、接地面、贴片辐射元、辐射吸收边界和馈电位置等部分.通过软件提供的基本结构模型与逻辑代数命令可以快速的建立所需的模型结构，并可设置模型的材料等仿真参数.如Draw box命令用于建立立方体，Draw rectangle命令用于建立矩形贴面等.用布尔代数指令可作立体模型的空间合并与分解运算.模型主体建立完成后，还需根据天线的设计特点进行环境边界与激励源设置.在本设计中按照天线实际应用需求，将接地板和微带贴片设置为有限电导率边界，将空气立方体设置为辐射吸收边界，将馈线端口设置成总端口激励源.
1) 仿真建模.
① 简化汽车整体结构模型，只考虑与天线相近的对天线性能影响大的金属挡板(包括上挡板
、侧边金属和前挡板)，如图2所示.
② 将天线设计成平面30°倾斜放置，与前挡风玻璃共形结构，代替原先的曲面结构.由于天线局部可以近似看成平面结构，因此不影响仿真结果.
③ 主要针对提供的天线布局进行仿真，不考虑放大器和射频前端其他部件，仿真馈电点位于放大器输出导线的前端.
2) 玻璃布线.
① 美观:空间允许情况下，天线走线布置于黑边内，线条尽量齐整，不杂乱，均匀.
② 视线要求：布线时，尽可能的考量视觉空间的大小，线条横向布置，减少竖向布线.
③ 馈点:隐藏于内饰板内，减少空气对馈点处的腐蚀，同时保证内部整洁；馈点布置要方便安装，同时与功率放大器信号线输出端的距离小于200 mm.
④ 线条，线宽：印刷工艺的原因要求玻璃布线的线条线宽1 mm，厚0.05 mm.
⑤ 线条间距：布置线条时，如空间允许且特性有保证的情况下尽可能分散布置天线.
⑥ 线条与周边板金的距离：为了避免周边板金对玻璃布线的耦合影响，要求线条与周边板金的距离不小于9 mm.
在实际仿真开始之前，需为天线模型新建一个求解设置项目，用于设定模型的仿真求解参数.由于HFSS软件采用自适应迭代算法．因此有限元求解的精度与计算时间成反比.而所需的计算时间也与运行软件的计算机的计算能力有很大关系.但是汽车天线不存在以上问题,主要是由于收音机特有的频率范围及汽车音响系统特有的阻抗要求使得参数设定比较容易.
为使此天线可以兼具全球范围内的FM工作频段，根椐实际的需要设置频率范围为：87～108 MHz.
把一定频率的高频功率信号馈入到天线的输入端,天线就会呈现出一定的电阻和电抗,这被称为天线的特性阻抗.若天线系统的特性阻抗与传输系统的特性阻抗相同就称为阻抗匹配.这时天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好吸收了传输系统馈送的全部功率.而如果天线系统与传输系统的特性阻抗有差异,系统就不匹配,造成电波从天线系统反射回传输系统,这部分反射的电波信号由于来回反射被损耗掉,没有被天线系统辐射出去,无形中使实际馈送到天线系统的高频功率信号减少,造成传输效率下降.为了便于设计开发,行业规定了汽车天线与收放机
的阻抗为75 Ω.
设置玻璃厚度为3.14 mm;相对介电常数为7.5，电介质损耗为0.02.
根据仿真结果,在采用前风挡玻璃布线的天线设计中，选择布线宽度为1 mm，厚度为0.05 mm，天线形状如图2所示的布线方式，天线各项性能指标达到最佳.
驻波比随频率的变化曲线如图3所示.驻波比最小值在89 MHz，最小值为1.3；驻波比最大值在108 MHz，最小值小于2符合设计要求.
回波损耗随频率的变化曲线如图4所示，实际天线的接收谐振点101MHz&-1.6dB，带宽17 MHz，实际装车之后，此天线的通带由于车子结构影响天线的谐振点，天线的谐振点会向低端偏移3～4 MHz,最终是在98 MHz(天线带宽88～108 MHz)，正好在中心频率98 MHz，满足中心频点回波损耗最小且小于1.5的设计要求.
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