汽车PEPS系统LF发射天线电磁特性的仿真研究

摘要

随着汽车工业的发展,人们对汽车安全性,舒适性和功能性的要求不断提高,汽车进入和启动方式也从原始的机械式开启逐步发展到电子遥控进入和电子点火启动。目前看来,PEPS(Passive entry& push start,被动进入和被动启动,国内也称智能进入及启动)系统将逐步替代遥控系统,这已成为发展的趋势。PEPS系统在原理上仍然是依靠无线电信号的通信,以达到智能开启车门和发动引擎的效果。然而,目前存在以下两方面的问题:一方面,复杂的金属车体会对系统车载端的低频螺旋发射天线的电磁特性产生影响,整个系统的多套低频发射天线之间也会产生相互干扰;另一方面,汽车的智能钥匙标签落入车内的电磁死角或进入车外的电磁盲区是汽车PEPS系统主要的失效模式,迫切需要在车内电子装配的设计阶段就能以一种低成本的方式清楚掌握车身内外的电磁场环境特点,以确保此类系统装配后的可靠运行。所以如何采用合理的方法判断和预测这些影响,并且能够根据预测的结果对PEPS系统的装配进行指导,已经成为当前汽车生产厂商关注的重要问题。本文运用数值仿真方法,在车载设备系统定性前,就可以通过仿真发现潜在的问题,提出优化的改进方案,因此具有较高的经济效益。结合汽车生产厂商的具体要求,利用数值仿真技术对PEPS系统车载端的低频螺旋发射天线的相关问题进行了研究,主要做了以下几方面的工作:(1)针对PEPS系统中多部发射天线间的相互干扰的问题,引入网络端口分析法来进行仿真分析。通过网络S参数曲线图,清楚地反映了天线间的互扰特性。(2)针对在HFSS环境中的建模是否符合电磁理论的指导这一问题,我们先在不同的简单外界环境下进行发射天线的建模,并仿真分析在这些简单情况下发射天线的特性及相互干扰。这为后来的车体建模提供了理论依据。(3)针对车身的真实几何细节特性非常复杂,如果完全真实地依样建模将势必造成模型非常庞大,普通个人计算机将无法仿真这一问题,我们根据“抓主要矛盾”的原则对车身结构进行了合理地简化、取舍。依据电磁理论常识,忽略掉对PEPS系统影响不大的细节部分、以平面的拼合代替曲面以及用部件的外形轮廓代替细节构造等方法,按照1:1的几何比例建立了车体电磁模型。(4)基于厂商对车体规定位置安装的PEPS系统在车体内外产生的电场分布的关心,对建好的整车模型进行仿真分析,给出了仿真预判的结果。(5)针对仿真结果的有效性问题,给出了实际测试方案。在开阔场对选定车型进行PEPS系统的实际安装,通过选定关键区域进行实际测量的方式,将车体内外电磁场分布的仿真结果与实测结果进行对比分析,以此证实了仿真结果的实际指导价值。(6)结合仿真和实测的结果,分析现有的PEPS系统低频发射天线在车体内外引起的电磁场分布特点,向汽车生产厂家提供了保证PEPS系统正常、稳定工作的有效建议。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 问题的背景及研究目的和意义

1.2 课题研究的理论方法及国内外研究现状

1.2.1 电磁工程问题的分析方法

1.2.2 国内外研究的状况

1.3 主要研究内容

2 汽车 PEPS 系统基本工作原理

2.1 普通遥控门锁系统原理

2.2 PEPS 系统工作原理

2.2.1 PEPS 系统的组成

2.2.2 PEPS 系统的原理分析

3 有限元数值计算方法(FEM)的基本原理

3.1 麦克斯韦方程组

3.2 电磁波传播的数学模型

3.3 有限元方法的基本原理

3.3.1 加权残数法的概念

3.3.2 有限元方法的数学原理

3.4 有限元算法在HFSS 中的实现

3.4.1 Ansoft HFSS 的自适应迭代算法

3.4.2 HFSS 中有限元计算实现的步骤

4 螺旋天线电磁特性及耦合度仿真

4.1 天线辐射基本原理、种类与电指标

4.1.1 电流源的辐射机理

4.1.2 天线的种类举例

4.1.3 天线的电指标

4.2 螺旋天线的基本原理

4.2.1 螺旋天线的结构与几何特性

4.2.2 螺旋天线的辐射机理

4.2.3 螺旋天线的设计参数

4.3 简单金属背景下螺旋天线的电参数仿真

4.3.1 金属平板背景下的仿真

4.3.2 金属盒子背景下的仿真

4.4 天线耦合度分析

4.4.1 多端口网络等效方法

4.4.2 金属盒子背景下多天线的耦合度分析

5 车体模型的建立及 PEPS 系统螺旋发射天线的仿真

5.1 车体HFSS 模型的建立

5.2 车体所处实测环境模拟及边界条件的设置

5.3 仿真步骤与设置

5.4 PEPS 螺旋天线的仿真方向图

6 PEPS 系统 LF 辐射电磁场仿真结果与实测对比分析

6.1 实测仪器与测试环境分析

6.1.1 实验仪器分析

6.1.2 测量环境分析

6.2 关键区域仿真结果与实测结果的对比

6.2.1 仿真与实测的坐标一致性

6.2.2 PEPS 低频天线在整车的辐射电场仿真

6.2.3 关注区域（代表性截平面）的仿真与实测对比分析

6.2.4 对比小结

6.3 对比结果的分析与结论

7 总结

7.1 主要工作及成果

7.2 需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录