基于整車模型的PEPS天線仿真方法研究

付似愚

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

1 引言

現(xiàn)代汽車工業(yè)已飛速發(fā)展，用戶對汽車功能性的要求也越來越高。無鑰匙進(jìn)入及無鑰匙啟動系統(tǒng)（PEPS，Passive Entry&Push Start）已逐漸成為汽車上市的標(biāo)配功能。該系統(tǒng)帶給用戶進(jìn)入車內(nèi)及啟動車輛的便利，使得代替?zhèn)鹘y(tǒng)遙控已成為必然趨勢。因此廠商在車型開發(fā)階段也更加重視PEPS天線工作的有效性及穩(wěn)定性[1]。

汽車不僅是交通運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，也成為了信息化、電氣化、智能化技術(shù)的載體。這也使得車輛必然面臨整車的電磁兼容問題。當(dāng)車型開發(fā)完成，進(jìn)行PEPS天線系統(tǒng)樣車實(shí)驗測試或主觀評價時，往往會出現(xiàn)PEPS天線的發(fā)射性能沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的情況。這就需要對天線的布置進(jìn)行變更修正，而造成較高費(fèi)用成本，并影響開發(fā)周期。因此，PEPS系統(tǒng)的有效性在整車開發(fā)過程中，就應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性評估[2]。

在開發(fā)過程中，如何評估車身鈑金及天線周圍金屬件對PEPS天線的影響，是快速實(shí)現(xiàn)PEPS天線有效性確認(rèn)的關(guān)鍵。為此，通過電磁仿真分析預(yù)測PEPS天線實(shí)車測試前的性能，并分析其他金屬件對PEPS天線的影響，在車型設(shè)計開發(fā)前期發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)省成本和縮短開發(fā)周期。

本文主要從單PEPS天線的整車有效性及天線附件金屬件對天線的影響兩方面進(jìn)行分析研究。

2 分析理論

PEPS系統(tǒng)工作原理如圖1所示，首先觸發(fā)信號喚醒低頻天線工作，低頻天線再發(fā)出125kHz低頻喚醒信號，若接收到的信號強(qiáng)度達(dá)到鑰匙靈敏度閾值，則智能鑰匙驅(qū)動內(nèi)含的高頻天線發(fā)送433.92MHz頻率的身份驗證碼，PEPS控制器識別身份驗證碼后發(fā)送125kHz低頻驗證碼，智能鑰匙接收驗證碼并進(jìn)行加密處理，再發(fā)送給PEPS控制器，PEPS控制器通過驗證，經(jīng)CAN總線傳送相關(guān)指令給BCM，對車輛進(jìn)行上鎖、解鎖或啟動的相應(yīng)操作[3]。

圖1 PEPS系統(tǒng)工作原理圖

通常情況下，根據(jù)設(shè)計要求，PEPS天線的評價標(biāo)準(zhǔn)包括：天線外部覆蓋范圍1.5～2m，內(nèi)部覆蓋車內(nèi)全部，且左右泄漏不超過50mm，前后泄漏不超過200mm，PEPS系統(tǒng)內(nèi)部天線有效的磁場強(qiáng)度閾值設(shè)定為1.5mA/m[4]。本文研究的對象為PEPS系統(tǒng)低頻天線輻射發(fā)射性能，通過建立PEPS低頻天線和整車的輻射發(fā)射模型，仿真計算天線工作時的信號閾值內(nèi)有效覆蓋區(qū)域，以及對比分析天線附近附屬金屬件對天線有效性的影響。

3 整車及PEPS天線建模

本文研究的PEPS低頻發(fā)射天線，其工作頻率125KHz，并串聯(lián)電阻54ohm，串聯(lián)電容3.3Nf，其中一天線位于車內(nèi)副駕駛側(cè)靠后位置處。在對實(shí)體幾何進(jìn)行有限元建模之前，合理簡化結(jié)構(gòu)可以大幅節(jié)省計算求解的時間。整車建模過程中，大體積金屬件對天線的輻射場強(qiáng)分布有較強(qiáng)的影響，因此必須保留。天線建模時，除去對天線發(fā)射性能影響不大的膠體、塑料蓋板等部件。但整車模型中，距離天線較近的一些小結(jié)構(gòu)金屬特征，可能會對仿真結(jié)果會產(chǎn)生顯著影響，在簡化模型過程中，大致的特征形貌應(yīng)保留，金屬件厚度對輻射場強(qiáng)幾乎沒有影響，不需要考慮[5,6]。

由于整車模型特征復(fù)雜，連接關(guān)系需簡化。因此，可通過Altair公司的前處理軟件Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整車網(wǎng)格單元尺寸為45mm，單元類型為等邊三角形單元，對細(xì)微縫隙或結(jié)構(gòu)覆蓋部分，可在邊界處共用網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)，并檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量，不能存在重疊或無連接的孤立三角單元等，處理好的整車網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 整車網(wǎng)格模型

為了使天線模型能夠用于預(yù)測其發(fā)射性能，在FEKO軟件進(jìn)行計算求解前，需要對低頻發(fā)射天線的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化處理?？紤]到天線結(jié)構(gòu)中鐵氧體的最短邊較小，天線模型網(wǎng)格劃分的線網(wǎng)格和體網(wǎng)格尺寸均為2mm。另外，為了避免大地及天線近距離處金屬件對天線發(fā)射性能影響，還需對大地及金屬件進(jìn)行建模，并定義好各結(jié)構(gòu)件的材料屬性，模型中整車及金屬附屬件部分材料統(tǒng)一設(shè)置為良導(dǎo)體PEC屬性。

其中，整體模型采用矩量法（MOM，Method of Moments）求解。矩量法是將算子方程化為矩陣方程，適用于求解電磁場微分方程，又可用于積分方程。對于算子方程：

式中，x為未知等效流或場，b為已知激勵源，將x用一組基函數(shù)展開。

其中，ji為基函數(shù)，ai為基函數(shù)的系數(shù)。選一個檢驗函數(shù)tj，分別與算子方程(1)等號的兩邊求內(nèi)積，得到如下方程：

將式(3)進(jìn)一步整理得：

將式(4)寫成矩陣的形式為：

通過直接法或迭代法求解矩陣方程，從而可得未知等效流或場的解。

由于磁鐵芯的尺寸遠(yuǎn)小于天線波長，屬于電小結(jié)構(gòu)類型，而FEKO里的VEP（MOM with volume equivalent principle）算法是矩量法的擴(kuò)展，可以從較低的頻率開始計算，有較好的穩(wěn)定性和收斂性，因此，磁鐵芯采用VEP算法進(jìn)行求解。建立的完整分析模型如圖3所示。

圖3 整體分析模型

4 天線發(fā)射性能分析

FEKO中基于MOM+VEP求解算法，用端口表征天線實(shí)際的饋電點(diǎn)，PEPS低頻天線采用wire端口類型，并在天線饋電點(diǎn)添加18V的電壓激勵，模擬輸入天線的驅(qū)動電壓。同時，根據(jù)天線的實(shí)際阻抗參數(shù)，在端口處匹配3.3nF電容和54ohm電阻串聯(lián)電路。以整車模型的幾何中心為原點(diǎn)，建立整車坐標(biāo)系，長方體的近場求解區(qū)域大小為3.5m×3.0m×2.0m，并在經(jīng)三個方向均以每30mm的距離分布一個計算點(diǎn)進(jìn)行求解。定義后的近場求解域如圖4所示。

圖4 近場求解域示意圖

在基于125kHz頻率求解后，根據(jù)上文定義的磁場強(qiáng)度閾值為邊界，觀察獲得的PEPS天線在不同高度上輻射有效范圍的變化情況。大于磁場強(qiáng)度閾值的區(qū)域采用紅色顯示，如圖5所示。

圖5 PEPS天線近場輻射范圍圖

從圖5中可知，大部分能量被約束在車輛內(nèi)部，磁場分布以天線中心為輻射源，向外較為均勻地擴(kuò)散。車輛內(nèi)部左右方向的磁場分布較為對稱，在靠近天線中心位置的磁場強(qiáng)度等值線分布最為密集，在整車左后位置存在一定的溢出磁場強(qiáng)度范圍，意味著在此處磁場能量雖衰減相對較快，但仍有不必要的磁場泄露。從圖6磁場分布3D顯示可以更加清楚地看到泄露的整體情況。

圖6 天線磁場分布3D圖

5 天線輻射性能對比分析

采用同樣的分析方法，將天線附件的金屬件去除，對比分析天線附件的金屬件對天線發(fā)射性能的影響，經(jīng)計算，獲得新方案的PEPS天線磁場強(qiáng)度有效輻射范圍如圖7所示。

圖7 新方案PEPS天線近場輻射范圍圖

從分析結(jié)果看，在去除天線旁的金屬件后，在三個同樣高度處的磁場分布幾乎相同，說明天線附近的金屬附件對天線的性能影響不大，其中3D結(jié)果分布如圖8所示。

圖8 新方案天線磁場分布3D圖

經(jīng)量化后，兩種分析方案的PEPS天線有效覆蓋范圍在高度0.74m處最大為1.21m，最大溢出泄露分別為0.36m和0.35m，無金屬附件時，磁場溢出范圍略有減小，但兩種方案的溢出范圍均較大。具體兩種方案的對比見表1。

表1 兩種布置方案結(jié)果對比

6 結(jié)語

從工程開發(fā)的角度，本文首先建立了完整的分析模型，介紹了PEPS天線基于整車條件下的仿真分析方法，并對比分析了天線附近的金屬件對PEPS天線輻射性能的影響。分析結(jié)果表明，小結(jié)構(gòu)金屬對PEPS天線磁場覆蓋范圍和外溢距離影響不大，但天線工作性能在整車環(huán)境下未能達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還需后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化布置方案。與此同時，對于天線等電小結(jié)構(gòu)，采用MOM+VEP的求解算法進(jìn)行PEPS天線性能預(yù)測是高效可靠的技術(shù)方法，該方法能夠可快速評估天線的工作性能，減少開發(fā)成本以及后期失效的風(fēng)險。