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摘要： 随着各类广播、无线通信设备被运用到汽车上，伴随而来的是大量车载天线的使用。复杂的金属车体会对天线性能产生影响，仿真优化是开发阶段的一个重要手段，能够大大缩短开发周期。
关键词：天线性能;仿真优化
1 引 言
天线相关性能问题会导致收音效果差、导航信号差、遥控距离短等系统问题，在解决此类问题上，由于整车SOP后，一方面更改天线布置十分困难;另一方面提高天线本身的性能也会影响成本及周期。所以需要在整车设计阶段采取仿真手段分析天线性能。其中GPS天线作为一类重要的车载天线，其方向性特性也是一个重要的性能指标。
2 GPS天线单体方向性分析
用于仿真的GPS天线仿真模型是在FEKO软件中建立模型，省略掉一些不必要的芯片和电器元件，只保留PCB板框架、天线金属部分以及PCB的地，在天线与地之间添加馈电端口。为控制建模工作量，忽略了PCB板之间的一些过孔，用一个大的金属面保证地的连接。
根据天线的互易原理，可以通过GPS天线的辐射方向图来描述其方向性。仿真时设置天线底面恰好在XOY平面上，天线前端朝着X轴方向，与在整车上的方向一致，仿真得到GPS天线目标谐振频率1.575GHz时的辐射方向图，仿真结果如图1所示。
通过3D方向图以及XOZ平面方向图可以看出，GPS天线向天底座下方辐射的能量较少，向天线上方及前端辐射的能力较好。
3 仿真与实车测试结果比对
整车上GPS天线是平行于XOY平面放置的，天线前端朝着车正前方，天线位于坐标原点，仿真天线在整车上工作频率为1.575GHz时的方向性。GPS天线装车后的仿真模型如图2所示，由于仿真频率较高，限制了网格剖分的最大尺寸，如果地板的直径是10m，就会造成网格数量急剧增加，严重制约仿真速度。实际上地板只会对水平面以下的增益有一些影响，对整体的方向性影响不大，因此为了提高仿真速度，此处仿真没有加地板。仿真得到的天线方向图见图3。
天线布置在车顶棚后端时，通过整车不同旋转方向的测试结果可以看出，整车顺时针旋转和逆时针旋转时，测得XOY平面的方向图结果和仿真结果较为吻合。仿真与实测均在phi=120和phi=300方向辐射较小，即GPS天线接收来自车右前和左后方向的辐射能力较小。
4 GPS天线方向性仿真优化
通过改变天线位置，分析天线置于不同位置对整车天线方向性的影响，选择最佳位置。由于GPS天线的增益主要由天线后连接的低噪声放大器决定，天线单体的阻抗需与放大器匹配，而放大器一般是集成在天线内部的，很难对放大器与天线之间的阻抗匹配情况直接进行评价，且阻抗匹配情况并不影响天线方向图，因而天线的整车方向性優化过程中，不考虑端口阻抗匹配情况。
车身金属体对天线辐射的方向性改变很大，GPS天线位于车内不同的位置其辐射效果就不同，因此可以根据需求适当选择GPS天线的布局位置进行方向性的优化。
以下通过将GPS天线置于天窗前端、天窗后端以及顶棚中部三个位置，仿真测试天线的方向性是否得到优化，仿真优化结果如下：
将天线放在整车上不同的位置进行theta=0～40度的方向性仿真结果对比，如表1所示，分别比较天线放在不同位置在工作频率1.575GHz下的最大增益、最小值增益、增益差、平均增益、增益方差以及缺陷比例等性能参数。
通过对比分析可知，将天线分别放置在天窗前端和天窗后端，相比于天线放置在原始位置，增益最大值有所增加，但是增益差、方差及缺陷比例均增大，说明此时在上半球面theta=0～40度范围内的增益波动较大，天线的全向性变差，GPS天线的方向性没有得到优化。天线布置在顶棚中部，天线的方向性性能参数稍有改善，最大增益相差不大，增益差、方差及缺陷比例相对减小，方向性得到一定优化。
5 结论
GPS天线的优化要根据具体情况来调整，这里只是提供几种可以方案作为参考，分析天线布置在不同位置整车对方向性性能的影响。
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：天线性能;仿真优化
1 引 言
天线相关性能问题会导致收音效果差、导航信号差、遥控距离短等系统问题，在解决此类问题上，由于整车SOP后，一方面更改天线布置十分困难;另一方面提高天线本身的性能也会影响成本及周期。所以需要在整车设计阶段采取仿真手段分析天线性能。其中GPS天线作为一类重要的车载天线，其方向性特性也是一个重要的性能指标。
2 GPS天线单体方向性分析
用于仿真的GPS天线仿真模型是在FEKO软件中建立模型，省略掉一些不必要的芯片和电器元件，只保留PCB板框架、天线金属部分以及PCB的地，在天线与地之间添加馈电端口。为控制建模工作量，忽略了PCB板之间的一些过孔，用一个大的金属面保证地的连接。
根据天线的互易原理，可以通过GPS天线的辐射方向图来描述其方向性。仿真时设置天线底面恰好在XOY平面上，天线前端朝着X轴方向，与在整车上的方向一致，仿真得到GPS天线目标谐振频率1.575GHz时的辐射方向图，仿真结果如图1所示。
通过3D方向图以及XOZ平面方向图可以看出，GPS天线向天底座下方辐射的能量较少，向天线上方及前端辐射的能力较好。
3 仿真与实车测试结果比对
整车上GPS天线是平行于XOY平面放置的，天线前端朝着车正前方，天线位于坐标原点，仿真天线在整车上工作频率为1.575GHz时的方向性。GPS天线装车后的仿真模型如图2所示，由于仿真频率较高，限制了网格剖分的最大尺寸，如果地板的直径是10m，就会造成网格数量急剧增加，严重制约仿真速度。实际上地板只会对水平面以下的增益有一些影响，对整体的方向性影响不大，因此为了提高仿真速度，此处仿真没有加地板。仿真得到的天线方向图见图3。
天线布置在车顶棚后端时，通过整车不同旋转方向的测试结果可以看出，整车顺时针旋转和逆时针旋转时，测得XOY平面的方向图结果和仿真结果较为吻合。仿真与实测均在phi=120和phi=300方向辐射较小，即GPS天线接收来自车右前和左后方向的辐射能力较小。
4 GPS天线方向性仿真优化
通过改变天线位置，分析天线置于不同位置对整车天线方向性的影响，选择最佳位置。由于GPS天线的增益主要由天线后连接的低噪声放大器决定，天线单体的阻抗需与放大器匹配，而放大器一般是集成在天线内部的，很难对放大器与天线之间的阻抗匹配情况直接进行评价，且阻抗匹配情况并不影响天线方向图，因而天线的整车方向性優化过程中，不考虑端口阻抗匹配情况。
车身金属体对天线辐射的方向性改变很大，GPS天线位于车内不同的位置其辐射效果就不同，因此可以根据需求适当选择GPS天线的布局位置进行方向性的优化。
以下通过将GPS天线置于天窗前端、天窗后端以及顶棚中部三个位置，仿真测试天线的方向性是否得到优化，仿真优化结果如下：
将天线放在整车上不同的位置进行theta=0～40度的方向性仿真结果对比，如表1所示，分别比较天线放在不同位置在工作频率1.575GHz下的最大增益、最小值增益、增益差、平均增益、增益方差以及缺陷比例等性能参数。
通过对比分析可知，将天线分别放置在天窗前端和天窗后端，相比于天线放置在原始位置，增益最大值有所增加，但是增益差、方差及缺陷比例均增大，说明此时在上半球面theta=0～40度范围内的增益波动较大，天线的全向性变差，GPS天线的方向性没有得到优化。天线布置在顶棚中部，天线的方向性性能参数稍有改善，最大增益相差不大，增益差、方差及缺陷比例相对减小，方向性得到一定优化。
5 结论
GPS天线的优化要根据具体情况来调整，这里只是提供几种可以方案作为参考，分析天线布置在不同位置整车对方向性性能的影响。
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.