优秀论文丨整车辐射抗扰发射天线仿真建模及性能预测

随着新能源电动汽车、智能驾驶的快速发展，汽车上的电子设备和电气设备不断增多，汽车产生的电磁兼容问题及面对的电磁环境越来越复杂。为确保电子电气设备在不降低性能的情况下协同工作，整车电磁抗扰度测试成为汽车制造中不可缺少的一个环节。在实际的试验场中进行试验时，电磁辐射抗扰度测试对试验的基础设施要求较高，需要对天线、探头等设备进行校准，试验设施布置非常耗时。

随着计算机和数值仿真技术的不断进步，电磁仿真技术的优势日益凸显，完善的电磁抗扰度仿真技术可以在车辆开发设计阶段，有效预测车内电场强度分布，提前对车辆的抗扰薄弱环节整改优化。

近年来，国内外学者也在不断研究仿真软件在车辆电磁抗扰性能方面的应用。国外学者在文献^[1]和文献^[2]中均通过数值模拟汽车辐射抗扰度的方法，分析汽车特定部件如何影响车内的电场分布。国内这方面的研究不多，文献^[3]对喇叭天线在车内产生的电磁场进行了研究，验证了建立实际的发射天线模型比用平面波抗扰的方式进行电场预测更加准确，但未验证抗扰发射天线建模的准确性、发射天线产生的电场环境与测试环境的一致性。

根据GB/T 33012.2-2016《道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第2部分 车外辐射源法》中对整车电磁抗扰度测试的要求，对电磁抗扰测试中使用的电磁抗扰度测试发射天线（简称抗扰发射天线）展开研究。通过合理的天线建模，模拟车辆电磁抗扰试验的测试环境，为整车的电磁辐射抗扰度性能仿真预测提供参考。

车辆电磁辐射抗扰度试验主要检验电磁波耦合到车辆各种线缆、装置或系统等敏感部位上导致部件性能降低等情况。测试中使用抗扰发射天线辐射电磁波，对车辆的零部件产生电磁干扰，进而在车内线束上产生干扰电流。为在暗室内产生均匀的电场环境，测试中对发射天线的性能要求极高，主要是发射天线的增益、辐射均匀性很难在测试频率范围内满足设计要求。

目前国内几大汽车国检中心均采用国外设计生产的发射天线，供应商提供的天线尺寸参数不全。针对这一问题，通过手动测量获取发射天线尺寸并建立Feko仿真模型，研究天线测试频段内的场强分布，为日后进行整车电磁抗扰度的仿真分析提供一个仿真平台。

仿真分析时，建好仿真模型后再对发射天线进行电场标定，设置暗室环境中测试电场的观测点，最后仿真运算得到电场分布。通过对比同一观测点仿真与实测的电场分布，验证发射天线模型的准确性。图1为整车辐射抗扰发射天线仿真分析流程。

图1  整车辐射抗扰发射天线仿真分析流程

车辆辐射抗扰度试验中使用对数周期阵列天线（简称对周阵列天线）作为发射天线，对周阵列天线工作频率 220 MHz～2 GHz，由于功放限制，测试时 220 MHz～1GHz和1～2 GHz分别进行，以下讨论仅涉及220 Hz～1 GHz。手动测量获得天线阵元长度、半径、间距等，在Feko软件中建立发射天线模型。

由于对周阵列天线是线极化天线，发射天线的建模基于线模型和平面模型。之后，调整天线的位置，创建无限大金属地板。由于仿真频率较高，地板网格尺寸较小、数量过多，为节省仿真资源和运行时间，经验证可用无限大地板替代实验室的金属地板，因为无限大地板没有网格，不参与计算。设置仿真频率，设置网格尺寸并进行剖分，然后在天线的馈电位置引入线端口并施加电压源激励。设置电场观测点，仿真运行即可得到观测点的电场分布。图2为对周阵列天线模型。

图2  对周阵列天线模型

整车电磁辐射抗扰度测试过程中，首先要对抗扰发射天线进行电场标定。要产生同样的电磁环境，仿真中也要通过标定的方式计算抗扰发射天线的激励功率，即参考点达到规定的电场强度等级时发射天线对应的发射功率。

采用单个电磁场探头进行标定，参考点位于发射天线与转台之间，距离转台中心1.15 m，离地高度为1 m。为在参考点达到期望场强=100 V/m，标定时对发射天线加载1 W的发射功率，根据设定的测试频点，仿真求解得到参考点位置的单探头电场强度分布E。因此，标定电场强度所对应的发射天线功率P的计算公式为：

仿真模型中，在转台中心附近选取9个位置，每个位置取两个高度点，布置为3×3×2的矩阵，每个点的左右间距离为1 m，前后距离为1.15 m，离地高度分别为 0.5 m和 1 m，并在每个位置布置仿真电场观测点。整体的布置方案如图3，其中P1位于转台中心，P4点为抗扰发射天线标定时的参考点，用无线大地板代替暗室中的金属转台。

（图中“P”后的数字都是下标）

图3  发射天线仿真电场观测点布置

为验证抗扰发射天线模型的准确性，判断仿真形成的电场环境是否合理且达到测试要求，搭建了无车情况下的电磁辐射抗扰测试环境，测试布置及环境与仿真一致，电场分布观测点位置同图3。测试场地为半波暗室，测试前，先对发射天线进行单探头标定，场强标定测试系统如图4所示。在 220 MHz~1 GHz 的频率范围内，标定得到参考点期望的100 V/m场强时对应的发射天线功率，激励发射天线以连续波的形式向暗室内部空间辐射电场能量，记录观测点的电场分布，实际测试环境如图5。

图4  单探头场强标定测试系统示意图

图5 实际测试环境

由于数据较多，仅给出观测点P1、P3、P4和P7仿真与实际测试的电场分布的相似性对比，如图6。不同观测点仿真与实测结果之间的误差最大值及均值见表1。

(Simulation——仿真,Test——测试,

纵轴：E/(V/m)，横轴：f/GHz)

图6 观测点电场仿真与实测对比

表1 观测点电场仿真与实测对比误差统计

从图6的电场分布可以看出，在220 MHz~1 GHz的频段内，通过发射天线模型仿真得到的电场分布与测试结果随频率的变化趋势相同，除个别频点的误差最大值偏大外，多数频点上仿真与测试数据相近。误差主要来源于手动测量建模不够精确以及测试环境内一些金属反射物的影响。因为频率较高，天线尺寸的微小变动都可能带来较大的误差，周围环境内金属物反射电磁波引起的电磁场叠加也是某些频点电场波动的误差来源。

表1电场强度预测仿真的误差均值均小于3 dB，个别频点的误差最大值也不超过6 dB，这是可以接受的误差范围，说明建立的发射天线模型和仿真条件的设置满足电磁辐射抗扰仿真预测的要求。可将整车网格模型导入仿真软件，预测车内各零部件位置的场强分布，或零部件的线束内耦合到的干扰电流，分析各零部件的电磁抗扰性能。

仿真与实际测试的电场分布的相似性是评价仿真模型是否准确的基础要求，也是评价仿真方法是否可行的关键因素。对比分析表明，无车情况下建立的抗扰发射天线模型求解得到的电场强度分布和无车试验中实测的电场强度分布具有较好的一致性，采用数值仿真模拟电磁辐射抗扰度试验电场测试环境可行。

企业可在车辆电磁辐射抗扰试验仿真平台中添加汽车的数学模型，预先仿真分析整车的电磁辐射抗扰性能，对电场在车辆内部特定点的零部件进行评估。在整车开发阶段预测整车的电磁抗扰性能，可大大减少后期整改和测试的费用。使用数值模拟进行电磁兼容性分析对于汽车制造商和供应商来说，都是一种极具发展前景的研究方法。

此次仿真是一种新的探索和尝试，具有一定的实际工程意义，但研究还处于初级阶段，实际应用效果有待进一步验证。如何提高实车电磁辐射抗扰度仿真与测试结果的匹配度，是下一步的研究重点。

[1] Juliano Mologni, Jefferson Ribas, Luis Amaral, et al. The Significance of Specific Vehicle Parts on Automotive Radiated Immunity Numerical Simulations[C]//SBMO/IEEE MTT-S International Conference on Microwave and Optoelectronics (IMOC).Porto de Galinhas, Brazil:IEEE, 2015.

[2] G Zhang，M Ma，J Guo，et al. Prediction Scheme of Field Strength Distribution of Vehicle Electromagnetic Immunity Test Based on GB 34660-2017 Standard[C]//IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO).Hangzhou,China:IEEE,2020.

[3]  鲁毅. 基于某款车型的整车电磁抗扰仿真研究[D]. 重庆: 重庆理工大学, 2017.

[4] 中国汽车技术研究中心，中国电子技术标准化研究所，苏州泰思特电子科技有限公司，等. GB/T 33012.2-2016 道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第2部分：车外辐射源法[S]. 2016.

[5] 熊荣飞, 李旭, 郭迪军. 整车电磁辐射抗扰的车内场分布及线束耦合干扰仿真[C]//2014中国汽车工程学会年会论文集. 上海：中国汽车工程学会，2014.

[6] 高新杰, 韩烨, 邱振宇, 等. 电动汽车电磁抗扰测试分析[J].安全与电磁兼容,2019(5):22-25.

[7] 刘源, 焦金龙, 王晨, 等. FEKO仿真原理与工程应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2017.