【正文】 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。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。 在車載信息系統(tǒng)中線天線的應(yīng)用非常廣泛。在國(guó)內(nèi)，車載通信系統(tǒng)天線間干擾的理論研究落后于國(guó)外，工程中主要是依靠實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)。但隨著信息流通的不斷加大，通信系統(tǒng)中所用的電子設(shè)備的種類和數(shù)量也不斷增大，因而，單純一味的考慮如何提高設(shè)備的性能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要了，還必須考慮周圍環(huán)境的影響,只有兼顧這兩者之間的關(guān)系才能使一個(gè)通信系統(tǒng)正常工作，達(dá)到信息傳送順暢的目的。重點(diǎn)分析了汽車車身及天線安裝位置對(duì)天線輻射性能的影響，為車載天線的設(shè)計(jì)提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)和分析方法，此研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要以 100M 單極半波陣子車載天線為研究對(duì)象，通過(guò)以矩量法(MoM)為基礎(chǔ)的三維電磁場(chǎng)仿真軟件 FEKO 仿真分析了汽車電磁環(huán)境，并進(jìn)行車載天線特性分析，給出了 s11 參數(shù)和輻射方向圖等部分計(jì)算與分析結(jié)果，反映出了車身對(duì)天線本身特性的影響，并通過(guò)比較半波陣子天線在車體不同位置上性能的變化，指出了天線最佳安裝位置。過(guò)去人們?cè)谛畔⒘魍ㄖ懈P(guān)心的是發(fā)射和接收系統(tǒng)本身的性能，如提高發(fā)射天線的發(fā)射性能和提高接收天線的接收性能。所謂天線布局設(shè)計(jì)是指在不改變天線發(fā)射和接收性能(即保證通信質(zhì)量)的前提下，根據(jù)天線的工作特性通過(guò)合理的天線布局來(lái)降低天線問(wèn)的干擾。1．1 問(wèn)題的背景及研究的目的和意義當(dāng)前，汽車電子技術(shù)迅猛發(fā)展，日益增多的汽車電子產(chǎn)品，在滿足人們對(duì)于汽車經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性需求的同時(shí)，也使汽車的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。這自然不同于自由空間中天線所激發(fā)的場(chǎng)，當(dāng)天線位于地面上或者附近有金屬導(dǎo)體時(shí)天線系統(tǒng)的輻射特性就要受到地面或金屬導(dǎo)體的影響，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。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。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。德國(guó)大眾從 1965 年起 ,開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。在電磁環(huán)境仿真方面， “AutoEMC”工作組致力于開發(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。③確保計(jì)算機(jī)仿真的工業(yè)有效性。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。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。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。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。B=0 (23) ▽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。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。 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。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。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。對(duì)于有界區(qū)域，如波導(dǎo)和諧振腔，本征值為離散譜。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。式中， 為待),(n na定系數(shù)。將展開式（234）式代入原方程式（233）式，并由算子 L 的線性特性，得 （235）fgann???)(1 其次，按照問(wèn)題定義的合適的內(nèi)積 , 其中 ，為定mnwL),( Nw,.21義在 L(u)值域上的權(quán)函數(shù)，對(duì)上式按每個(gè) 內(nèi)積，得出 （m=1,2，…，N） （236）????? mnNnfwgLa,),(1寫成矩陣形式，得 （237）nfal式中 ... ),(),( .2221 11 ????? wgLwgLlmn， （2??????????nnaa21 ????????????Nmwfff,2138）如果矩陣 的逆矩陣存在，則 便可由下式給出：mnl na （239）mnfl1??將求得的展開系數(shù) 代入到（2）式，便得到原來(lái)算子方程（233）的解 （240）nTflgyxu1),(?解答可能是精確的或者近似的，有賴于選擇合適的 和 wm。求極板間電位分布 。當(dāng) N4 是，得到的仍然是這個(gè)答案。如果我們對(duì)所求解的答案限制在 的線族上，就是使 S(L(u))與S(L( ))對(duì) 的投影相等ng)(nwS （248）?????mnwfgL,),(?因?yàn)檎`差是投影正交的，屬于二階的，不影響主要部分。 圖 1， 函數(shù)空間中的投影（加入所有的圖號(hào)） 基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選擇用矩量法去解決一些電磁場(chǎng)問(wèn)題，其繁簡(jiǎn)以及所得解精確的高低，在很大程度上取決于基函數(shù) 和權(quán)函數(shù) 的選擇，對(duì)于計(jì)算結(jié)果有很大關(guān)系?；瘮?shù) 的選擇ng全域基函數(shù)：是指在算子 L 的定義域內(nèi)的全域上都有定義的一組基函數(shù)。)(Pn收斂快是全域基的最大優(yōu)點(diǎn)。選擇分域基作為未知函數(shù)的展開函數(shù)，在矩量法求解的離散化過(guò)程中是一種區(qū)域離散，即未知函數(shù)表示為各個(gè)分域上存在的函數(shù)之線性組合。如下圖所示。在相鄰n分段點(diǎn)之間，實(shí)際上近似為線性變化。一般地說(shuō)，分域基1x4x3 0 30x20x11000的數(shù)值穩(wěn)定性較高，而整域基的收斂性好。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)然還可以有更多的其它權(quán)函數(shù)選擇的方法。具體地說(shuō)，一種是點(diǎn)匹配法，即只要求近似解在一些離散點(diǎn)上滿足方程式?；瘮?shù)仍然選 1???nnxg取權(quán)函數(shù) )(mmw?式中 稱為匹配點(diǎn)。綜上所述，在矩量法中一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選擇。1?mnl然而，理想的基函數(shù)及權(quán)函數(shù)并不存在，且上述要求經(jīng)常發(fā)生矛盾。另一類常用的1?mnl方法是點(diǎn)匹配法，可以容易地計(jì)算出系數(shù)矩陣 。 第 3 章 汽車電磁環(huán)境仿真技術(shù)的討論對(duì)于目前應(yīng)用較多的車載通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它常常上裝多部無(wú)線通信設(shè)備，致使高密度寬頻譜的電磁信號(hào)其頻段相互重疊，構(gòu)成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，使通信系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的的考驗(yàn)。自 1864 年麥克斯韋建立電磁場(chǎng)基本方程以來(lái)，電磁波理論與應(yīng)用的發(fā)展已經(jīng)過(guò)了 100 多年的歷史。 矩量法1968 年 R．FHarrington 首先將矩量法引入到電磁領(lǐng)域之后，采用矩量法求解積分方程，進(jìn)而求出天線的電流分布已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。矩量法應(yīng)用的好壞直接取決于經(jīng)驗(yàn)，在基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選擇、天線饋電模型的處理等方面都有很多的技巧。雖然這種方法的計(jì)算程序一般較復(fù)雜、冗長(zhǎng)，但其各環(huán)節(jié)易于標(biāo)準(zhǔn)化，可得到通用的計(jì)算程序，且有較高的計(jì)算精度。因此，它是對(duì)電磁場(chǎng)問(wèn)題的最原始、最本質(zhì)、最完備的數(shù)值模擬，具有最廣泛的適用性。從電磁散射、電磁兼容、波導(dǎo)與諧振腔系統(tǒng)、天線輻射特性的研究，到電磁波生物效應(yīng)、微波及毫米波集成電路分析、超高速集成電路互連封裝電磁特性的分析都有時(shí)域有限差分應(yīng)用的例子。因此，邊界元法具有上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，即占用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空較小，并且所得結(jié)果具有良好精度。 電磁場(chǎng)仿真軟件介紹目前，隨著這些數(shù)值方法研究的日漸成熟，大量商業(yè)化電磁仿真軟件不斷涌現(xiàn)。對(duì)電小尺寸的天線精度較高，需要耗費(fèi)大量?jī)?nèi)存，雖然可以使用迭代算法來(lái)減少仿真內(nèi)存和時(shí)間但不能從根本上解決問(wèn)題。 軟 件 覆 蓋 整 個(gè) 電 磁 頻 段 ， 提供 完 備 的 時(shí) 域 和 頻 域 全 波 算 法 。下面就介紹一下 FEKOFEKO 是復(fù)雜形狀三維結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分析軟件，是復(fù)雜專業(yè)電磁場(chǎng)仿真領(lǐng)域中最強(qiáng)大的軟件，應(yīng)用范圍非常廣泛，由南非的 EMSS 公司開發(fā)。在MoM 和 MLFMM 需求的資源不夠時(shí)，這兩種方法提供求解的可能性。(2)天線布局：飛機(jī)、艦船、車輛等載體上的天線在工作狀態(tài)下其輸入阻抗、方向圖等會(huì)受到載體的影響，載體的電尺寸通常都比較大，F(xiàn)EKO 獨(dú)特的 MM/PO/UTD 混合方法對(duì)這樣的電大尺寸問(wèn)題非常適用，能有效地優(yōu)化載體上天線及天線系統(tǒng)的布局方案，類似的影響還包括地面、水面、天線附近的大型目標(biāo)等。 FEKO 基本操作過(guò)程 本小節(jié)以天線仿真的過(guò)程，來(lái)簡(jiǎn)單的介紹一下 FEKO 基本操作過(guò)程。FEKO 具有簡(jiǎn)潔的前處理和后處理圖形用戶界面:CADFEKO 和POSTFEKO,CADFEKO 用于建模剖分設(shè)定求解條件等前處理操作,POSTFEKO 用于檢查模型、結(jié)果顯示等候處理操作,另外,還有 ED ITFEKO 作為高級(jí)應(yīng)用模塊,可設(shè)定腳本求解方式。此步中,即可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于(2)中端口的網(wǎng)格端口。(6)進(jìn)入 POSTFEKO,檢查模型及激勵(lì)求解選項(xiàng)設(shè)置。第 4 章 線天線電磁特性天線是一種電磁波能量的轉(zhuǎn)換器，它可以將饋線中的電磁波轉(zhuǎn)換為空間的電磁波，這個(gè)過(guò)程稱為輻射，相反的過(guò)程稱為接收。下圖為電基本振子坐標(biāo)圖 電基本振子(Electric Short Dipole)又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) ，其半徑 a 遠(yuǎn)小于 1，同時(shí)振子沿線的電流?I 處處等幅同相。上式可看出，單?????20?k ?元偶極予天線的輻射電磁場(chǎng)是很復(fù)雜的。avS ②傳播方向上電磁場(chǎng)分量為零，為橫電磁波，記為 TEM 波。一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)中的天線設(shè)計(jì)，其合理與否，需要有一套電氣指標(biāo)來(lái)衡量。（1）方向圖、天線方向圖的定義為：天線輻射特性與空間坐標(biāo)之間的函數(shù)圖形。功率方向圖用得不是很普遍，大多采用場(chǎng)強(qiáng)方向圖。 功率方向圖表示天線的輻射強(qiáng)度在空間的分布情況，往往采用分貝刻度表示。 E 面：指通過(guò)天線最大輻射方向并平行于電場(chǎng)矢量的平面。它是指：在相同輻射功率 Pr 下，某天線在最大輻射方向的輻射強(qiáng)度 Um 與一理想點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度 U0 的比值。由于輻射功率相同，無(wú)方向性的點(diǎn)源天線是把這個(gè)輻射功率均勻分布在一個(gè)球面上，球面上的輻射場(chǎng)強(qiáng)相等且小為 E0；而有一定方向性的某天線則把這個(gè)輻射功率相對(duì)集中在某個(gè)方向上輻射出去，則這個(gè)方向上的輻射場(chǎng)強(qiáng)就大為 Em。（3）增益 方向圖雖能描述空間不同方向上輻射能量的相對(duì)大小，比較直觀、方便，但具體數(shù)量的概念不夠明確，因而需要其他參數(shù)描述天線的方向性性能。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)行波在傳輸過(guò)程中遇到不連續(xù)就會(huì)發(fā)生反射，天線輸入端口處發(fā)生的反射是由于天線輸入阻抗 與inZ傳輸線的特性阻抗 不匹配，天線的輸入阻抗 是天線饋電端輸入電壓與輸0ZinZ入電流的比值 反射系數(shù)是反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）的比值。反射系數(shù) Γ 既有幅度又有相位，是一個(gè)復(fù)數(shù)，一般情況下沒(méi)有特殊說(shuō)明，都是指幅度。 ∈（0～1） ，VSWR∈（?∞dB～0dB）Return Loss(1～∞)天線與饋線的匹配程度直接影響?zhàn)伨€提供給天線的能量，傳輸效率等于饋線輸送給天線的能量除以輸入的能量， ,公式中之所以 而不21???inttP?2?是 ，是因?yàn)楣β收扔陔妷旱钠椒?。?dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變化方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。否則只能收到部分能量，甚至完全不能接收。例如：當(dāng)用+45 度極化天線接收水平極化波時(shí)，由于極化不一致會(huì)使天線接收到的信號(hào)比水平極化天線接受到的信號(hào)電平減少 3dB，意味著只有一半的能量被接收到。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率時(shí)，天線的電參數(shù)將變差，例如主瓣寬度變大，旁瓣電平增大，輸入阻抗特性變壞等。 首先考慮一個(gè)有限大小金屬平板上的 100M 單極天線。通過(guò)仿真得，當(dāng)平面板不變，L=98cm 時(shí)，s11 ，方向性基本一樣