車體表面電流的電磁兼容性仿真分析

謝 斌 史鵬濤 王 波 張 強 劉 潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著對車輛性能要求的不斷提高，越來越多的電子設備被安置于車輛之上，例如通訊天線、衛星定位系統(GPRS)、雷達導航系統、自動控制系統等。車輛上的電子設備系統更加復雜化、多樣化。因此，如何改進改善車輛的電磁兼容性也變得越來越重要。近年來國內外的學者都對車輛天線系統的電磁兼容性有了更加深入和廣泛的研究[1-8]。

在復雜電磁環境中，車輛會受到來自輻射場的干擾，這些不同頻率、不同極化方式的電磁波會在車輛的金屬面上感應出大量表面電流。因此，研究車體表面電流的分布對于車體上天線及其它電子設備的布局具有重要意義，降低其威脅可以進一步提高車輛天線及電子設備的電磁兼容性以及車輛在復雜電磁環境中的適應能力。

本文主要通過時域有限元法，采用CST軟件對車體的表面電流的分布情況進行了仿真分析，分析其受其距離、極化方式、頻率及電場強度變化的影響，為車輛表面的天線及電子設備的合理布局提供了依據。

1 簡化電磁模型

利用CAD軟件對車輛進行預處理及優化，再將優化后的車輛模型重新導入到CST電磁仿真軟件中。這里設置了7個探針點，各個探針點分別代表了各個放置的功能不同的天線。1號位置和2號位置放置為鞭天線；3號位置和5號位置放置衛星通信天線；4號位置和7號位置是放置可實現組合導航功能的組合導航天線，兩個孔徑一個發射孔徑一個接收孔徑；6號位置放置寬帶毫米波綜合孔徑天線，主要實現遠程探測功能要求。

圖1即是簡化后含有車體表面探針分布的電磁模型。

圖1 簡化后含有車體表面探針分布的電磁模型

2 波形的選取

輻射波形選擇均勻平面波，假設均勻平面波沿+z方向傳播，電場強度只有x方向的坐標分量Ex(z)，由于無界介質中不存在反射波，所以正弦均勻平面電磁波的復場量可以表示為

(1)

(2)

其中E0=E0mejφ0為z=0處的復振幅。式(2)對應的瞬時值表達式為

(3)

(4)

其中E0m是實常數，表示電場強度的振幅值；ωt稱為時間相位；kz稱為空間相位。它們的振幅之間有一定的比值，此比值取決于介質的介電常數和磁導率。圖2表示在t=0時刻電場強度矢量在空間沿+z軸的分布(初始相位φ0=0)。

由式(4)可知，復玻印亭矢量為

(5)

3 表面電流分析

將來波方向設置為正對車輛正前方(因篇幅有限，本文只分析車輛正前方的來波方向)，分別給出相應頻率范圍內各個監測探針的時域頻域信號以及車體表面電流。通過控制其他變量不變，仿真分析距離、極化方式、頻率和來波電場強度對車體表面電流的效應。

3.1 車體表面電流受距離的影響

將來波設置成距離車體5 m和10 m處電場強度200 V/m頻率為1 GHz的線極化波，如圖2、圖3和圖4分別是時域變化情況、頻域變化情況和表面電流分布的變化情況。

圖2 時域變化情況

圖3 頻域變化情況

圖4 表面電流分布變化情況

對比上圖發現距離不同的情況下，距離越近外來騷擾源影響越嚴重，表1為距離不同所對應峰值電流。

表1 不同距離來波下電流峰值

3.2 車體表面電流受極化方式的影響

將來波設置成距離車體5 m處電場強度200 V/m、頻率為1 GHz的線極化波和左旋圓極化波，如圖5、圖6和圖7分別是時域變化情況、頻域變化情況和表面電流分布的變化情況。

圖5 時域變化情況

圖6 頻域變化情況

圖7 表面電流分布變化情況

對比圖7可得極化方式的不同車體表面電流分布也有所不同，電流分布會根據旋向偏轉，峰值電流分布也發生改變，這也是車載天線采用多極化天線的優勢所在。表2為極化方式不同峰值電流有所改變。

表2 不同極化來波下電流峰值

3.3 車體表面電流受頻率的影響

將來波設置成距離車體5 m處電場強度200 V/m、頻率為1 GHz、1.5 GHz和2 GHz線極化波，如圖8、圖9和圖10分別是時域變化情況、頻域變化情況和表面電流分布的變化情況。

對比可得隨著頻率的遞增峰值電流波動微弱，5 m處電場強度200 V/m的線極化來波對車體表面電流影響：隨著頻率增長，表面電流隨之微弱增長，可由表3清晰看出。

圖9 頻域變化情況

圖10 表面電流分布變化情況

表3 不同頻率來波下電流峰值

3.4 車體表面電流受電場強度的影響

將來波設置成距離車體5 m處電場強度200 V/m、400 V/m和600 V/m頻率為1 GHz的線極化波，如圖11、圖12和圖13分別是時域變化情況、頻域變化情況和表面電流分布的變化情況。

對比可清楚看到外來輻射源電壓幅值對表面電流效應影響明顯，由表4可清晰看出，隨著來波電場強度增大，峰值電流增長明顯。

表4 不同電場強度來波下電流峰值

圖11 時域變化情況

圖12 頻域變化情況

圖13 表面電流分布的變化情況

4 結束語

本文對車體的表面電流的分布情況進行了仿真分析，分析其在不同距離、不同極化方式、不同頻率及不同電場強度的影響下的分布規律和特點，對工程實際具有一定的指導意義。

通過對車體表面電流分析，從各個不同影響因素而得出對應車體表面電流影響規律，除此之外，車載天線優化布局、天線系統衰減器的改進、雷達前端電路系統優化，甚至于車輛整體的再設計等方面都在改善車輛整體的電磁微波環境。