淺談風(fēng)窗天線的設(shè)計(jì)

玻璃天線的應(yīng)用通信設(shè)備對(duì)現(xiàn)代汽車所需，其功能不斷增加，要求汽車制造商引入越來越多的天線，如am-fm天線、gps天線、電視臺(tái)天線、3g天線等。傳統(tǒng)的拉桿天線優(yōu)點(diǎn)突出、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但是缺陷也比較明顯,它很容易破裂或折損;在大風(fēng)或高速行駛條件下存在噪聲,影響車輛的性能;并且由于拉桿天線的存在,車身外部增加了很多凸出物,洗車或停在機(jī)械停車場(chǎng),很容易造成損壞,從而影響接收效果。印刷玻璃天線,即風(fēng)窗天線,比拉桿天線更具有優(yōu)勢(shì)。風(fēng)窗天線利用金屬涂層將接收天線印刷在玻璃上,連結(jié)車內(nèi)的低噪聲放大器,放大的信號(hào)輸入收音機(jī)或電視。風(fēng)窗天線通常安裝在后擋玻璃上,它包括擋風(fēng)玻璃和多層金屬線路。與設(shè)計(jì)其他天線相同,工程師們需要模擬不同類型的玻璃天線,評(píng)估性能指標(biāo),例如:效率、S參數(shù)、阻抗、駐波和增益等。如果后擋玻璃集成了除霜除霧器,需要配置濾波設(shè)備來防止除霜除霧器的干擾,因?yàn)槌F器上的高頻諧波會(huì)對(duì)印刷玻璃天線產(chǎn)生干擾。1汽車風(fēng)窗天線仿真汽車制造商為車輛配置越來越多的天線設(shè)備如:調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、電視(TV)和全球定位系統(tǒng)(GPS)、3G通信、自動(dòng)化收費(fèi)(ETC)、胎壓監(jiān)測(cè)(TPMS)等。目前將天線集成到擋風(fēng)玻璃已成為一個(gè)流行的解決方案。然而,這種天線設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程,需要選擇合適的天線結(jié)構(gòu)和安裝位置,分析多層玻璃之間的相互作用,考慮周圍車身與除霜除霧器的影響,除霜除霧設(shè)備通過對(duì)金屬絲加電生熱除霜除霧,由于寄生電容、電感的存在會(huì)產(chǎn)生高頻頻譜,并且該設(shè)備的金屬絲與天線之間存在較強(qiáng)的電磁耦合,這都會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生影響。FEKO提供準(zhǔn)確有效的電磁仿真方法來分析復(fù)雜的擋風(fēng)玻璃天線?！裼邢薮笮〉膿躏L(fēng)玻璃;●隨意彎曲擋風(fēng)玻璃;●多層介質(zhì)擋風(fēng)玻璃(玻璃,塑料等);●天線單元之間的互耦;●除霜除霧器;●汽車上的多個(gè)擋風(fēng)玻璃;●汽車車身;●真實(shí)地面。該分析技術(shù)是基于矩量法(MoM)與多層快速多極子法(MLFMM)。金屬車身和風(fēng)窗天線單元采用MoM或MLFMM算法計(jì)算,分析精度高。通過仿真能夠分析得到風(fēng)窗天線電磁特性,包括:●天線與車輛的電流分布;●輸入阻抗和S參數(shù);●近場(chǎng)分布和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。自由空間格林函數(shù)是:考慮到多層介質(zhì)的格林函數(shù):m是源所在層,n是觀測(cè)層,采用多層格林函數(shù),精確分析任意層玻璃對(duì)印刷天線的影響,因此可以準(zhǔn)確分析玻璃天線性能。相對(duì)于傳統(tǒng)電磁算法,該方法只對(duì)金屬天線劃分網(wǎng)格,多層玻璃介質(zhì)采用WindscreenTM技術(shù)處理,所以資源需求少。該方法的特點(diǎn)包括:●精確分析各種玻璃之間的介質(zhì)邊界;●精確分析天線單元之間耦合;●車窗天線與車體的一體化精確分析。下面將詳細(xì)介紹平面玻璃天線應(yīng)用、實(shí)際汽車風(fēng)窗天線仿真、某汽車風(fēng)窗天線和整車一體化仿真、整車風(fēng)窗天線暗室仿真應(yīng)用等。案例表明,FEKO可以準(zhǔn)確仿真風(fēng)窗天線的性能。2進(jìn)行fm分段仿真案例1:平面玻璃天線,如圖1所示。玻璃材料參數(shù):相對(duì)介電常數(shù)7,損耗角正切0.02,厚度3mm,仿真天線端口S參數(shù),分析模型及測(cè)試結(jié)果如圖2~圖4所示。不同方法仿真資源對(duì)比如表1所示。案例2:實(shí)際汽車風(fēng)窗天線,如圖5所示。玻璃材料屬性:相對(duì)介電常數(shù)6.8,損耗角正切0.02,玻璃厚度3.1mm。仿真分析天線FM頻段的端口特性,如圖6、圖7所示。FEKO軟件仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合。為了考慮地面效應(yīng),分別采用有限大地面和無限大地面兩種方式分析玻璃天線,兩種方法仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致,采用有限大地面計(jì)算的時(shí)間0.5h,內(nèi)存700MB;而采用無限大地面計(jì)算的時(shí)間為0.35h,內(nèi)存400MB,無限大地面技術(shù)仿真速度快,內(nèi)存需求少。案例3:某汽車風(fēng)窗天線和整車一體化仿真。玻璃材料屬性:相對(duì)介電常數(shù)6.85,損耗角正切0.02,玻璃厚度3.15mm。仿真計(jì)算玻璃天線安裝在整車上的端口性能,如圖8~圖11所示。案例4:整車風(fēng)窗天線暗室仿真應(yīng)用。汽車風(fēng)窗天線結(jié)構(gòu)分層和材料屬性列表如表2所示。實(shí)際整車測(cè)試中,將整車放置到直徑為6m的金屬轉(zhuǎn)臺(tái)上測(cè)試,通過軟件仿真風(fēng)窗天線在暗室環(huán)境中的水平極化與垂直極化增益,仿真結(jié)果如圖12~圖21所示。3汽車整車模型仿真分析汽車風(fēng)窗天線與車身、除霜除霧器之間存在較強(qiáng)的電磁耦合,FEKO軟件提供了WindscreenTM仿真技術(shù),專業(yè)用于處理風(fēng)窗天線的仿真計(jì)算,能夠快速精確分析獲得汽車風(fēng)窗天線在實(shí)際工作環(huán)境中受到除霜除霧器、玻璃、車體等影響的方向圖。在汽車工程設(shè)計(jì)階段掌握風(fēng)窗天線的性能,可以依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,改善風(fēng)窗天線設(shè)備的性能,提高廣播、電視等信號(hào)的接收效果,并通過電磁仿真技術(shù),減少反復(fù)試驗(yàn)的次數(shù),縮短研發(fā)周期,降低整車開發(fā)成本。FEKO具有專業(yè)的玻璃天線分析模塊WindscreenTM。用戶在軟件系統(tǒng)中仿真分析風(fēng)窗天線電磁性能,可以考慮玻璃天線及其周圍所有物理特性,包括:有限元方法、WindscreenTM兩種方法的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合,WindscreenTM方法計(jì)算時(shí)間與內(nèi)存需求都顯著低于有限元方法。玻璃天線結(jié)合某汽車整車仿真分析,仿真計(jì)算時(shí)間為0.7h,內(nèi)存3.2GB,仿真得到玻璃天線S11的幅度與相位,通過與測(cè)試結(jié)果比對(duì),WindscreenTM仿真技術(shù)結(jié)果精確。該模型采