论文部分内容阅读
摘要： 为突破汽车天线系统仿真和优化分析难题，本文提出了一种基于Hypermesh软件的整车网格模型构造技术，获得了满足精度要求的整车仿真模型，并基于Feko软件，实现在设计早期对汽车天线系统进行仿真验证，可以准确高效的预测汽车天线系统的性能趋势。
关键词：天线系统;仿真建模;优化验证
1 引 言
随着电子通讯技术的发展，如今的汽车天线系统，已不再局限于收听广播，而是涵盖了无线遥控、GPS导航以及4G上网等多种功能。随之产生的汽车天线常见问题，例如收音效果差、导航信号差、遥控距离短等问题，由于设计初期不具备仿真手段，通常是在实车标定出现问题后，再对天线性能参数进行一定程度的整改，但效果不是很明显。因此亟需在整车设计阶段，采取仿真手段优化天线性能，降低市场天线问题的故障风险，减少整车开发成本。
本文提出一种基于Hypermesh和Feko软件的汽车天线系统仿真建模方法，利用建立的符合精度要求的天線仿真模型，对天线的几何结构、接口的电路参数、天线在实车上的布置位置等进行优化设计，最终实现良好的天线性能。
2 整车仿真建模流程
为了获得满足仿真精度要求的整车仿真模型，必须对整车实际的复杂结构进行适当的简化和模型优化。原始的整车三维模型除了汽车金属壳体之外，还包括非金属、连接件等大量局部细节，对于汽车级天线仿真来说，很多细节没有必要，也不可能完全进行建模，那会带来庞大的网格数量，增加仿真计算量和仿真时间。
Altair Hypermesh软件是一款主流的有限元分析软件，拥有强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂模型。
基于Hypermesh软件的整车仿真网格模型的建模过程如下：
1）模型的前处理：隐藏或删除CATIA模型中不必要的模型特征后，导入Hypermesh;
2）修补模型：对导入模型中尺寸小于20mm的孔、洞进行填补修复;
3）简化模型：对模型中倒角、倒圆、小凸起等细小特征，通过压缩边、创建节点等命令进行清理;
4）剖分网格：根据仿真频率段选择合适的网格剖分尺寸，采用三角形面网格划分，尺度一般设置为1/10个波长;
5）检查网格：检查网格中是否有重叠、交叉的网格，是否有三角形内角小于20°的三角形（比例不得大于5%）;
6）拼接部件：依据整车装配关系，对各部件网格模型进行网格电连接，并对交叉、重叠部分进行优化，最终得到用于天线仿真的整车网格模型。
3 整车天线仿真流程
在整车仿真网格模型的基础上，运用仿真软件建立天线系统的仿真模型，并求解其在整车上的性能参数。FEKO是一款全球领先的电磁场仿真工具，采用了多种频域和时域仿真技术，支持多种不同求解器的灵活选择，能够高效地分析与天线设计、天线布局等相关的宽频谱电磁问题。
利用Feko软件的整车天线仿真流程如下：
1）定义天线材料及仿真参数：创建天线介质材料及参数，设置天线仿真频率等参数;
2）简化模型：对天线数模进行清理、修补，最大程度的保持天线真实特征;
3）设置激励及求解：创建天线馈线及激励端口，设置仿真计算求解;
4）导入整车模型：导入整车网格模型（mesh文件），将天线模型移动到实车摆放位置;
5）剖分网格、提交计算：根据天线仿真精度要求设置网格剖分尺寸，提交runsolver进行仿真计算;
6）显示结果：运行完毕后进入PostFeko界面，设置显示的参数、图形等，生成仿真结果图。
4 应用实例
对某车型的遥控钥匙接收天线进行仿真计算，发现天线在水平面的发射信号增益差（如图一），改变遥控钥匙接收天线布置角度，使其单体最大发射面处于水平（phi=0°，如图二）。
根据仿真结果，可以看出，改变布置角度优化后，遥控接收天线在水平方向的增益大小有明显改善。
在实车上进行整车方向性测试，验证天线仿真精度。将测试结果（如图三）与仿真结果进行对比，发现增益的变化趋势基本与实际情况相符，且结果误差在 3db之内，结果吻合良好，仿真精度较高。
5 结 论
通过以上仿真测试对比，验证了天线仿真建模方法的有效性。该方法具有较好的通用性，可作为天线前期设计方案的验证手段，为解决汽车天线系统仿真建模分析难题提供了一条可参考的途径。
参 考 文 献
[1] 张玉莲.电磁兼容仿真建模技术研究[D]，西安：西安电子科技大学，2006.
[2] 高健哲.舰船短波多天线优化布局仿真研究[D]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
关键词：天线系统;仿真建模;优化验证
1 引 言
随着电子通讯技术的发展，如今的汽车天线系统，已不再局限于收听广播，而是涵盖了无线遥控、GPS导航以及4G上网等多种功能。随之产生的汽车天线常见问题，例如收音效果差、导航信号差、遥控距离短等问题，由于设计初期不具备仿真手段，通常是在实车标定出现问题后，再对天线性能参数进行一定程度的整改，但效果不是很明显。因此亟需在整车设计阶段，采取仿真手段优化天线性能，降低市场天线问题的故障风险，减少整车开发成本。
本文提出一种基于Hypermesh和Feko软件的汽车天线系统仿真建模方法，利用建立的符合精度要求的天線仿真模型，对天线的几何结构、接口的电路参数、天线在实车上的布置位置等进行优化设计，最终实现良好的天线性能。
2 整车仿真建模流程
为了获得满足仿真精度要求的整车仿真模型，必须对整车实际的复杂结构进行适当的简化和模型优化。原始的整车三维模型除了汽车金属壳体之外，还包括非金属、连接件等大量局部细节，对于汽车级天线仿真来说，很多细节没有必要，也不可能完全进行建模，那会带来庞大的网格数量，增加仿真计算量和仿真时间。
Altair Hypermesh软件是一款主流的有限元分析软件，拥有强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂模型。
基于Hypermesh软件的整车仿真网格模型的建模过程如下：
1）模型的前处理：隐藏或删除CATIA模型中不必要的模型特征后，导入Hypermesh;
2）修补模型：对导入模型中尺寸小于20mm的孔、洞进行填补修复;
3）简化模型：对模型中倒角、倒圆、小凸起等细小特征，通过压缩边、创建节点等命令进行清理;
4）剖分网格：根据仿真频率段选择合适的网格剖分尺寸，采用三角形面网格划分，尺度一般设置为1/10个波长;
5）检查网格：检查网格中是否有重叠、交叉的网格，是否有三角形内角小于20°的三角形（比例不得大于5%）;
6）拼接部件：依据整车装配关系，对各部件网格模型进行网格电连接，并对交叉、重叠部分进行优化，最终得到用于天线仿真的整车网格模型。
3 整车天线仿真流程
在整车仿真网格模型的基础上，运用仿真软件建立天线系统的仿真模型，并求解其在整车上的性能参数。FEKO是一款全球领先的电磁场仿真工具，采用了多种频域和时域仿真技术，支持多种不同求解器的灵活选择，能够高效地分析与天线设计、天线布局等相关的宽频谱电磁问题。
利用Feko软件的整车天线仿真流程如下：
1）定义天线材料及仿真参数：创建天线介质材料及参数，设置天线仿真频率等参数;
2）简化模型：对天线数模进行清理、修补，最大程度的保持天线真实特征;
3）设置激励及求解：创建天线馈线及激励端口，设置仿真计算求解;
4）导入整车模型：导入整车网格模型（mesh文件），将天线模型移动到实车摆放位置;
5）剖分网格、提交计算：根据天线仿真精度要求设置网格剖分尺寸，提交runsolver进行仿真计算;
6）显示结果：运行完毕后进入PostFeko界面，设置显示的参数、图形等，生成仿真结果图。
4 应用实例
对某车型的遥控钥匙接收天线进行仿真计算，发现天线在水平面的发射信号增益差（如图一），改变遥控钥匙接收天线布置角度，使其单体最大发射面处于水平（phi=0°，如图二）。
根据仿真结果，可以看出，改变布置角度优化后，遥控接收天线在水平方向的增益大小有明显改善。
在实车上进行整车方向性测试，验证天线仿真精度。将测试结果（如图三）与仿真结果进行对比，发现增益的变化趋势基本与实际情况相符，且结果误差在 3db之内，结果吻合良好，仿真精度较高。
5 结 论
通过以上仿真测试对比，验证了天线仿真建模方法的有效性。该方法具有较好的通用性，可作为天线前期设计方案的验证手段，为解决汽车天线系统仿真建模分析难题提供了一条可参考的途径。
参 考 文 献
[1] 张玉莲.电磁兼容仿真建模技术研究[D]，西安：西安电子科技大学，2006.
[2] 高健哲.舰船短波多天线优化布局仿真研究[D]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.