【正文】 的影響，因此天線的電磁特性必然會(huì)受到其安裝位置附近車體的影響，使天線的電參數(shù)特性發(fā)生改變，合理的天線布局，使車身對(duì)天線的影響達(dá)到最小。當(dāng)天線附近的導(dǎo)體比較復(fù)雜時(shí)，是無(wú)法從理論上推導(dǎo)得出導(dǎo)體對(duì)天線輻射特性的影響的，這時(shí)就得使用數(shù)值算法來(lái)求解，如矩量法，有限元法等。課題的研究目的就是利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)預(yù)測(cè)車載天線電磁特性受車體的影響情況。論文主要將數(shù)值仿真技術(shù)貫穿使用于車載天線布局設(shè)計(jì)和天線相關(guān)問(wèn)題的研究中去，這種方法屬于電磁環(huán)境仿真方法，具有計(jì)算快，成本低，參數(shù)修改方便，可以反復(fù)計(jì)算等突出優(yōu)點(diǎn)，在車載天線系統(tǒng)定性前可以通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，提出優(yōu)化的改進(jìn)方案，因此是一項(xiàng)有很高經(jīng)濟(jì)效益的工程技術(shù)方法．1．2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)，車載通信系統(tǒng)，車載娛樂(lè)系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)救助系統(tǒng)和車體控制系統(tǒng)的應(yīng)用， 汽車電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜。對(duì)電磁環(huán)境的全面而精確的分析和研究是保證電子設(shè)備可靠性重要手段之一。圍繞汽車電磁環(huán)境研究包括兩個(gè)方面：1）電磁環(huán)境的測(cè)試。該領(lǐng)域涉及測(cè)試環(huán)境的可靠性， 電磁兼容暗室，浪涌沖擊試驗(yàn)，干擾測(cè)試儀和 SAR 測(cè)試等； 2）電磁環(huán)境的仿真，該領(lǐng)域包括汽車結(jié)構(gòu)的幾何建模和求解器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等。對(duì)于目前 ,世界上汽車發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車電磁環(huán)境研究已經(jīng)取得了一些成就 ,形成了一套汽車電磁兼容體系。這主要表現(xiàn)在:具有較為完善的汽車電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。具有有效的對(duì)汽車整車和零部件進(jìn)行電磁兼容檢測(cè)、管理和認(rèn)證的機(jī)構(gòu)。具有高精度的汽車電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)。 此外，第三方測(cè)試認(rèn)證機(jī)構(gòu)、汽車研究機(jī)構(gòu)等也都開(kāi)展了汽車電磁兼容方面的研究 ,并相繼建立了自己的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室。德國(guó)大眾從 1965 年起 ,開(kāi)始建立了露天的汽車防無(wú)線電干擾試驗(yàn)臺(tái) ,到 70 年代不斷改進(jìn)和完善 ,1978 年引進(jìn)了較先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備 ,1985 年大力推進(jìn)汽車電磁兼容中心體系的籌建工作 ,1987 年全新的汽車電磁兼容中心竣工。法國(guó) PSA 公司電磁兼容實(shí)驗(yàn)室共有三個(gè)暗室:一個(gè)用于整車 ,一個(gè)用于零部件和車用接收機(jī)調(diào)整 ,另外一個(gè)專門用于零部件測(cè)試。測(cè)試整車的暗室尺寸為 m10 m6 m ,轉(zhuǎn)臺(tái)直徑 m ,軸距調(diào)整范圍為 2 000～3 700 mm。歐洲各國(guó) EMC 實(shí)驗(yàn)室總計(jì)上百個(gè) ,其它擁有大型汽車 EMC 實(shí)驗(yàn)室的機(jī)構(gòu)有德國(guó)寶馬汽車公司、奧迪汽車公司、法國(guó) U TAC、英國(guó)汽車工業(yè)研究會(huì)(MIRA)、意大利菲亞特等。在電磁環(huán)境仿真方面， “AutoEMC”工作組致力于開(kāi)發(fā)一整套用于汽車電磁兼容仿真和預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)分析方法。該工作組由歐洲兩大汽車制造商(寶馬和雷諾)、歐洲兩大軟件提供商(ESI 和 Analogy)、菲亞特技術(shù)研究中心 ,以及電磁兼容咨詢服務(wù)提供商 Politeico diTorino 等組成。工作組研究的內(nèi)容主要是:①CAD 建模。②確保計(jì)算機(jī)仿真科學(xué)性。③確保計(jì)算機(jī)仿真的工業(yè)有效性。④集成不同的仿真工具。⑤確定電磁兼容計(jì)算機(jī)仿真的標(biāo)準(zhǔn)。而且國(guó)外已研制出了大型的汽車電磁兼容預(yù)測(cè)、分析和設(shè)計(jì)軟件，推出多個(gè)技術(shù)平臺(tái)，涉及 MOM，F(xiàn)EM， FDTD，UTD/PO 和 Ray Tracing 等技術(shù)，國(guó)內(nèi)汽車電磁兼容性研究在標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、測(cè)試技術(shù)、設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)等各個(gè)方面尚處于起步階段。其相關(guān)研究始于 2022 年左右，目前汽車電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范及相關(guān)研究有一定的發(fā)展。2022 年 12 月在重慶的國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心建成了電磁兼容實(shí)驗(yàn)室。在電磁仿真方面， 尚處于空白。1．3 本文主要研究?jī)?nèi)容根據(jù)查閱的文獻(xiàn)和前人的工作，本論文擬以“車載信息系統(tǒng)（Telematics）汽車電磁環(huán)境建構(gòu)與分析”為題進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作：深入學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)基本原理，包括麥克斯韋方程組及麥克斯韋方程的解法，為下一步的仿真研究奠定基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)仿真軟件 FEKO 的使用，并深入學(xué)習(xí)天線的輻射機(jī)理，特別線天線的輻射機(jī)理和相關(guān)電參數(shù)的原理。分析相關(guān)線天線特性。建立逼真的適合電磁仿真計(jì)算的全尺寸車體模型。仿真分析車載半波陣子天線電參數(shù)受車體影響的情況，并對(duì)天線在車內(nèi)外產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行了討論，最終對(duì)天線安裝位置實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。1．4 本文結(jié)構(gòu)安排 本文第一章是緒論部分，介紹了課題的研究背景、研究?jī)?nèi)容及研究意義：第二章闡述了電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)，著重闡述了計(jì)算電磁學(xué)中的矩量法；第三章介紹汽車電磁環(huán)境仿真技術(shù)及 FEKO 軟件。第四章研究天線電參數(shù),并進(jìn)行天線仿真；第五章通過(guò)對(duì)車載天線不同位置的仿真，給出天線安裝的最佳位置。第六章最后是工作總結(jié)及作者對(duì)后續(xù)研究工作的展望。 第 2 章 電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)就是指靜止電荷和運(yùn)動(dòng)電荷在它們周圍空間的效應(yīng)。麥克斯韋以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式概括了宏觀電磁想象的規(guī)律，建立了完整的電磁理論，即通常所稱的電磁場(chǎng)基本方程或麥克斯韋方程組。實(shí)驗(yàn)已充分證實(shí)，一切宏觀電磁想象都遵循麥克斯韋方程組。電磁場(chǎng)理論所研究的核心問(wèn)題就是在特定的媒質(zhì)中，麥克斯韋方程組滿足邊界條件的解。 麥克斯韋方程Maxwell 方程其微分形式為： ▽ ╳H=J + (21)tD? ▽╳E= (22)B ▽B=0 (23) ▽D= (24)?這個(gè)方程組能夠完全決定由電荷和電流所激發(fā)的電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 （21）式和（22）式這兩方程是麥克斯韋方程的核心，說(shuō)明變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互聯(lián)系的，不可分割的統(tǒng)一體，把它稱為電磁場(chǎng)。 本構(gòu)關(guān)系麥克斯韋方程組中沒(méi)有牽涉到電磁場(chǎng)在媒質(zhì)中所呈現(xiàn)的性質(zhì)，是一種非限定的形式，并未確定 B 和 H，D 和 E 及 J 和 E 之間的限定關(guān)系。當(dāng)加上媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系制約后，即共同構(gòu)成其限定方程組。本構(gòu)關(guān)系就是描述電磁媒質(zhì)與場(chǎng)矢量之間的結(jié)構(gòu)方程，它與麥克斯韋方程組一起構(gòu)成一個(gè)自身一致的方程組，從而場(chǎng)方程組就成了可解得了。對(duì)于線性和各向同性的媒質(zhì)，本構(gòu)關(guān)系為： D= E (25)? B= H (26)? J= E (27)? 邊界條件在電磁場(chǎng)中，空間往往分布著兩種或多種媒質(zhì)，對(duì)于兩種互相密接的媒質(zhì)，分界面兩側(cè)的電磁場(chǎng)之間存在著一定關(guān)系，稱為電磁場(chǎng)中不同介質(zhì)分界面上場(chǎng)量的銜接條件。它反映了從一種媒質(zhì)到相鄰的另一種媒質(zhì)過(guò)渡時(shí)，分界面上電磁場(chǎng)的變化規(guī)律。一般而言，由于分界面兩側(cè)的媒質(zhì)電磁特性發(fā)生突變，經(jīng)過(guò)分界面時(shí)，場(chǎng)矢量也可能隨之突變。所以，對(duì)于分界面上的各點(diǎn)，麥克斯韋方程組的微分形式已失去意義，必須回到與之相應(yīng)的麥克斯韋方程組的積分形式，去考慮有限空間中場(chǎng)量之間的關(guān)系，可導(dǎo)出如下的數(shù)學(xué)形式： n╳（ H H ）=J (28)12s n╳（E E ）=0 (29) n(B B )=0 (210)12 n(D D )= s?式中 n 是由媒質(zhì) 1 指向媒質(zhì) 2 的分界面上的單位法向矢量，J 和 分別是s?分界面上的傳導(dǎo)面電流密度和面自由電荷密度。 波動(dòng)方程從麥克斯韋兩個(gè)旋度方程可以導(dǎo)出電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度所滿足的波動(dòng)方程： ▽╳▽ ╳E+ = （211）2tE???tJ? ▽╳▽ ╳H + =▽╳J （212）2tH對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)形式為▽╳▽ ╳E E= （213）2k?tJ??▽╳▽ ╳H H=▽╳J （214）式中， = 稱為波數(shù)或傳播常數(shù)，復(fù)數(shù)形式的波動(dòng)方程通常又稱亥姆霍茲2k???方程。 電磁場(chǎng)的位函數(shù)對(duì)于變化的電磁場(chǎng)，引入稱作位函數(shù)的輔助量，而使求解麥克斯韋方程組的問(wèn)題簡(jiǎn)化.引入磁矢位 A 滿足 B =▽A ▽╳(E+ )=0 （215）t?引入電標(biāo)位 滿足?E= ▽ （516）tA可見(jiàn)引入 A 和 后使求解 E, H 六個(gè)分量變成求解 A 和 四個(gè)分量因而簡(jiǎn)化?了計(jì)算，由于規(guī)范不變性，引入洛倫茲規(guī)范 ▽ A =0 時(shí)，A 和 滿足???j?如下的非齊次亥姆霍茲方程： （▽ + ）A= J （517）2k?? （▽ + ） = （218）???由于 A 和 由洛倫茲規(guī)范相聯(lián)系，實(shí)際上只需要求解 A。求出 A 后電磁場(chǎng)量表示為 E= [A+ ▽▽A] （219）?j?21k H= ▽╳A （520）? 麥克斯韋方程的基本解法電磁場(chǎng)方程的解析方法是離變量分法和 Green 函數(shù)法。數(shù)值方法有矩量法，有限元法，時(shí)域有限差分法。 分離變量法分離變量法是通過(guò)變量分離將齊次偏微分方程分解為幾個(gè)常微分方程，這些常微分方程解的線性組合構(gòu)成齊次偏微分方程的通解；非齊次偏微分方程的特解與其次偏微分方程的通解之和構(gòu)成非齊次偏微分方程的通解。直角坐標(biāo)系中的分離變量法直角坐標(biāo)系中的亥姆霍茲方程時(shí) （221）0222 ??????kzyx令 ，可得三個(gè)分離變量的方程)()(zZyYX??， ， （222）02???kx02???Yky02???Zkzz分離參數(shù)必須滿足方程 （223）2zx上式稱為分離方程，而式（222）稱為諧方程，諧方程的任何解稱為諧函數(shù)，表示為 。常用的諧函數(shù)有 ， ， ， 等，)(ukhujke?ujk?usinkucosu=x，y，z，可根據(jù)具體問(wèn)題的邊界確定諧函數(shù)的形式。當(dāng) 滿足式（223）時(shí)，方程（222）的解可表示為 （224）)()(ukhkzyxkzyx??由于諧函數(shù)之中的任何兩個(gè)都是線性獨(dú)立的，寫函數(shù)乘以常數(shù)后仍是諧函數(shù)，諧函數(shù)之和也是諧函數(shù)，因此上式只是方程（）的基本解，稱為直角坐標(biāo)系中的基本波函數(shù)。分離常數(shù) ， ， 中只有兩個(gè)是獨(dú)立的，其取值由xkyz具體問(wèn)題的邊界條件決定。適合具體問(wèn)題的 值稱為本征值，對(duì)應(yīng)于本征值的u基本波函數(shù)成為本征函數(shù)。對(duì)于有界區(qū)域，如波導(dǎo)和諧振腔，本征值為離散譜。由式（224）可得一系列的波函數(shù)，這些函數(shù)的總和構(gòu)成更一般的波函數(shù)，因而有界區(qū)域方程（221）的一般解可表示為 （225）)()(),( ukhkBzyx zkyxxyyx??? 對(duì)于無(wú)界空間，本征值為連續(xù)譜，此時(shí)方程（221）的一般解應(yīng)表示為 （226）? yxzyxyxk dhfzyx )()(,),( 格林函數(shù)法Green 函數(shù)法是先找出與給定問(wèn)題的邊界相同，但邊界條件更簡(jiǎn)單的單位點(diǎn)源———格林函數(shù)，通過(guò)疊加原理來(lái)求邊界相同，而邊界條件更為復(fù)雜的場(chǎng)源分布問(wèn)題的解。格林函數(shù)一般用 G(r, )表示，它代表 處的一個(gè)單位正點(diǎn)r?r?源在 r 處產(chǎn)生的效果。 如果時(shí)諧場(chǎng)中電磁場(chǎng) E， H，矢量位 A 等滿足非齊次亥姆霍茲方程，如果用標(biāo)量波函數(shù) 代表矢量函數(shù)的某一坐標(biāo)分量，則電磁場(chǎng)(?的一般問(wèn)題可歸納為求解下列非齊次亥姆霍茲方程： （227）)()22rfkr???為了求解該方程，引入滿足下列方程的格林函數(shù) ：).(rG? （228）),(),(22rkrG???????用 乘以上式并在包圍源的體積 v 內(nèi)積分，在引用第二格林定理得).(rG? （2sdnrrrvdrfsv ????????????? ?)],()(),([)(,)( ??29）在無(wú)界空間，當(dāng) 滿足輻射條件時(shí)，上式簡(jiǎn)化為? （230）?????vdrfGrv)(,)(三維自由空間的格林函數(shù)為 （231） rerjk??????4),()(將以上結(jié)果用于矢量位 A 的方程，可求得 A 的三個(gè)直角坐標(biāo)分量的解，將三個(gè)分量合成，既得矢量位 A 在無(wú)界空間的解 （532）???????????vdreJvdrJGrAjkvv )()4)(,)( ??? 矩量法矩量法（MoM）是一種求解泛函方程的普遍方法，它即適用于求解微分方程，又適用于求解積分方程。目前，矩量法大都用來(lái)求解積分方程，已成功地用于人們感興趣的電磁問(wèn)題，如天線和天線的輻射，散射問(wèn)題等等。本文所使用的軟件