謝 斌 史鵬濤 王 波 張 強(qiáng) 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(shè)備被安置于車輛之上，例如通訊天線、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPRS)、雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。車輛上的電子設(shè)備系統(tǒng)更加復(fù)雜化、多樣化。因此，如何改進(jìn)改善車輛的電磁兼容性也變得越來越重要。近年來國內(nèi)外的學(xué)者都對車輛天線系統(tǒng)的電磁兼容性有了更加深入和廣泛的研究[1-8]。

在復(fù)雜電磁環(huán)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(yīng)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(shè)備的布局具有重要意義，降低其威脅可以進(jìn)一步提高車輛天線及電子設(shè)備的電磁兼容性以及車輛在復(fù)雜電磁環(huán)境中的適應(yīng)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(jìn)行了仿真分析，分析其受其距離、極化方式、頻率及電場強(qiáng)度變化的影響，為車輛表面的天線及電子設(shè)備的合理布局提供了依據(jù)。

1 簡化電磁模型

利用CAD軟件對車輛進(jìn)行預(yù)處理及優(yōu)化，再將優(yōu)化后的車輛模型重新導(dǎo)入到CST電磁仿真軟件中。這里設(shè)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(wèi)星通信天線；4號位置和7號位置是放置可實現(xiàn)組合導(dǎo)航功能的組合導(dǎo)航天線，兩個孔徑一個發(fā)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(xiàn)遠(yuǎn)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(shè)均勻平面波沿+z方向傳播，電場強(qiáng)度只有x方向的坐標(biāo)分量Ex(z)，由于無界介質(zhì)中不存在反射波，所以正弦均勻平面電磁波的復(fù)場量可以表示為

(1)

(2)

其中E0=E0mejφ0為z=0處的復(fù)振幅。式(2)對應(yīng)的瞬時值表達(dá)式為

(3)

(4)

其中E0m是實常數(shù)，表示電場強(qiáng)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(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。圖2表示在t=0時刻電場強(qiáng)度矢量在空間沿+z軸的分布(初始相位φ0=0)。

由式(4)可知，復(fù)玻印亭矢量為

(5)

3 表面電流分析

將來波方向設(shè)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(yīng)頻率范圍內(nèi)各個監(jiān)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(qiáng)度對車體表面電流的效應(yīng)。

3.1 車體表面電流受距離的影響

將來波設(shè)置成距離車體5 m和10 m處電場強(qiáng)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(fā)現(xiàn)距離不同的情況下，距離越近外來騷擾源影響越嚴(yán)重，表1為距離不同所對應(yīng)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(shè)置成距離車體5 m處電場強(qiáng)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(jù)旋向偏轉(zhuǎn)，峰值電流分布也發(fā)生改變，這也是車載天線采用多極化天線的優(yōu)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(shè)置成距離車體5 m處電場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響

將來波設(shè)置成距離車體5 m處電場強(qiáng)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(yīng)影響明顯，由表4可清晰看出，隨著來波電場強(qiáng)度增大，峰值電流增長明顯。

表4 不同電場強(qiáng)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(jié)束語

本文對車體的表面電流的分布情況進(jìn)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(qiáng)度的影響下的分布規(guī)律和特點，對工程實際具有一定的指導(dǎo)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(yīng)車體表面電流影響規(guī)律，除此之外，車載天線優(yōu)化布局、天線系統(tǒng)衰減器的改進(jìn)、雷達(dá)前端電路系統(tǒng)優(yōu)化，甚至于車輛整體的再設(shè)計等方面都在改善車輛整體的電磁微波環(huán)境。