現(xiàn)代汽車電磁兼容分析與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：現(xiàn)代汽車電磁兼容分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別： 電子信息系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p>　　2013年 06 月</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p>

2、<p>　　1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 現(xiàn)代汽車電磁兼容分析與設(shè)計(jì) </p><p>　　2.題目背景和意義：對(duì)于汽車行業(yè)來說，一方面由于車載設(shè)備電氣化的程度不斷提高，另一方面由于外界電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜化，同時(shí)由于環(huán)境的要求，汽車電控系統(tǒng)對(duì)于外界的干擾應(yīng)控制在一定限值范圍內(nèi)，因此電磁兼容越來越成為困擾行業(yè)人員的問題。如今，隨著新

3、能源在汽車工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以清潔能源汽車為代表的現(xiàn)代汽車的電磁兼容問題已經(jīng)成為各國(guó)研究人員的主要研究課題。 </p><p>　　3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容(理工科含技術(shù)指標(biāo))：</p><p>　　1、分析汽車電子設(shè)備的組成、干擾源及其傳播途徑；

4、 </p><p>　　2、了解汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)； </p><p>　　3、研究現(xiàn)代汽車電磁兼容設(shè)計(jì)的方法及仿真； <

5、;/p><p>　　4、提供抑制現(xiàn)代汽車電磁干擾的方法和措施。 </p><p>　　4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排(含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn))： </p><p>　　1-3周：開題，搜集資料；

6、 </p><p>　　4-8周：分析汽車電子設(shè)備的組成、干擾源及其傳播途徑； </p><p>　　8-14周：相關(guān)仿真軟件學(xué)習(xí)并對(duì)天線布局及電纜線束的電磁兼容進(jìn)行仿真； </p>

7、<p>　　14-16周：完成仿真并分析提出設(shè)計(jì)方案； </p><p>　　16-18周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文并進(jìn)行畢業(yè)答辯。 </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)：校內(nèi)

8、 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的工作量要求 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)(時(shí)數(shù))*或?qū)嵙?xí)(天數(shù))： 無(wú)具體要求 </p><p>　　圖紙(幅面和張數(shù))*：

9、 無(wú) </p><p>　　其他要求： 3000-5000字英文資料的翻譯 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：

10、 年 月 日</p><p>　　學(xué)生簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任審批： 年 月 日</p><p>　　現(xiàn)代汽車電磁兼容分析與設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p>

11、<p>　　長(zhǎng)期以來，人們對(duì)汽車的震動(dòng)和噪聲問題進(jìn)行了大量的研究，然而人們卻忽略了汽車上一個(gè)很重要的特性，即汽車電器電磁兼容性的研究。本文在分析汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和汽車電氣原理的基礎(chǔ)上，就汽車的電磁環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括汽車內(nèi)用電設(shè)備的類型，以及電磁干擾產(chǎn)生的形式。通過對(duì)這些干擾的分析，可以看出汽車內(nèi)的電磁環(huán)境很復(fù)雜，并且這些干擾對(duì)電器設(shè)備正常工作影響非同一般。</p><p>　　本文介紹了當(dāng)前汽

12、車電磁兼容仿真分析方法。分析了汽車內(nèi)幾種主要電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理、表現(xiàn)形式及其對(duì)汽車內(nèi)電器元件可能造成的影響。針對(duì)汽車電磁兼容的復(fù)雜性，討論了使用仿真軟件進(jìn)行汽車電磁兼容分析的策略。主要面向汽車天線設(shè)計(jì)及車內(nèi)電纜線束電磁兼容仿真的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。分析了汽車車身對(duì)于天線性能的影響，并通過比較天線在車體不同位置上性能的變化，指出了天線最佳安裝位置。在分析電纜線束耦合泄漏機(jī)理及基本理論模型的基礎(chǔ)上，對(duì)兩平行屏蔽電纜間串?dāng)_進(jìn)行了仿真分析。提出

13、了抑制汽車電磁干擾的方法和措施。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽車電磁兼容；天線；電纜線束；仿真</p><p>　　Analysis and Design of Modern Automotive EMC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　People have done muc

14、h research work about vibration and noise of vehicle for a long time, but there is another important automotive characteristic- electromagnetic compatibility ignored. This paper discusses the electromagnetic compatible e

15、nvironment of vehicle including the types of wirings in vehicle and the forms of electromagnetic interfere. According to this analysis, a conclusion can be drawn that this interferes can greatly affect the equipment’s no

16、rmal behavior and the electromagnetic co</p><p>　　This paper focuses on EMC modeling and prediction of on-board antennas and cable harness in automobiles by means of the full-wave electromagnetic simulations

17、. Analyze the principle and the performance of the main interferes in vehicle and the effect to the wires of the vehicle caused by it. In this work, the radiation characteristic of a simple GPS antenna is analyzed in ter

18、ms of the interference due to the existence of car chassis and windows. By comparison of the performance of GPS antenna ins</p><p>　　Key Words：Automotive EMC；Antenna；Cable Harness；Simulation</p><p

19、><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)汽車電磁兼容仿真技術(shù)現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3國(guó)外汽車電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀1</p

20、><p>　　1.4電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)2</p><p>　　1.5汽車電磁兼容仿真存在的問題4</p><p>　　1.6本文主要研究的內(nèi)容5</p><p>　　2 汽車電子設(shè)備的組成、干擾源及其傳播途徑6</p><p>　　2.1汽車電器電子設(shè)備的分類6</p><p>　　2.1.

21、1 汽車的電子設(shè)備組成6</p><p>　　2.2干擾源及其傳播途徑7</p><p>　　2.2.1干擾源分類7</p><p>　　2.2.2 汽車的電磁干擾傳播途徑分析8</p><p>　　2.3汽車電磁環(huán)境分析8</p><p>　　2.3.1供電系統(tǒng)電磁干擾源8</p><

22、p>　　3 車載天線的電磁兼容仿真15</p><p>　　3.1車載天線的概述15</p><p>　　3.2天線的電磁兼容定義15</p><p>　　3.3天線的基本參數(shù)16</p><p>　　3.4微波工作室18</p><p>　　3.5汽車天線仿真分析18</p><

23、p>　　3.5.1模型的建立18</p><p>　　3.5.2仿真結(jié)果分析20</p><p>　　4 汽車電纜線束的電磁兼容仿真分析24</p><p>　　4.1電纜的串?dāng)_分析24</p><p>　　4.2電纜的干擾耦合機(jī)理分析24</p><p>　　4.2.1傳輸線理論模型、耦合模型及等效電

24、路24</p><p>　　4.3仿真模型25</p><p>　　4.4仿真結(jié)果27</p><p>　　5 現(xiàn)代汽車電磁兼容設(shè)計(jì)方法29</p><p><b>　　5.1引言29</b></p><p>　　5.2電磁干擾抑制技術(shù)29</p><p>　　

25、5.2.1 傳導(dǎo)干擾的抑制29</p><p>　　5.2.2 輻射干擾的抑制30</p><p>　　5.2.3 合理的接地設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.2.4 ESD 防護(hù)設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.3汽車電磁兼容系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法31</p><p>　　5.3.1 汽車電磁兼容系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容

26、31</p><p>　　5.3.2 汽車電磁兼容設(shè)計(jì)與加固32</p><p>　　5.4本章小結(jié)33</p><p><b>　　6 結(jié)論34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致謝36</b&

27、gt;</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明37</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明38</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　對(duì)于汽車行業(yè)來說，一方面由于車載設(shè)備電氣化

28、的程度不斷提高，另一方面由于外界電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜化，同時(shí)由于環(huán)境的要求，汽車電控系統(tǒng)對(duì)于外界的干擾應(yīng)控制在一定限值范圍內(nèi)，因此電磁兼容越來越成為困擾行業(yè)人員的問題。如今，隨著新能源在汽車工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以清潔能源汽車為代表的現(xiàn)代汽車的電磁兼容問題已經(jīng)成為各國(guó)研究人員的主要研究課題。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)汽車電磁兼容仿真技術(shù)現(xiàn)狀 </p><p>　　汽車電磁兼容性(Elec

29、tromagnetic Compatibility，EMC)定義為[1]：車輛或零部件或獨(dú)立技術(shù)單元在其電磁環(huán)境中能令人滿意地工作，又不對(duì)該環(huán)境中任何事物造成不應(yīng)有的電磁騷擾的能力。在汽車及其周圍的空間中，在一定的時(shí)間內(nèi)，在可用的頻譜資源條件下，汽車本身及其周圍的用電設(shè)備可以共存，不致引起性能降級(jí)或喪失。面對(duì)各種交通事故中汽車對(duì)人員造成的傷害，為降低汽車傷害程度并提高汽車的安全性，派生出汽車安全技術(shù)。汽車電磁兼容技術(shù)是解決汽車整車及其電

30、子電氣部件的電磁兼容性問題的一門技術(shù)，它涉及汽車與環(huán)境、汽車與汽車、汽車內(nèi)部的電磁兼容性問題[2]。 </p><p>　　從國(guó)內(nèi)情況來看，由于我過汽車工業(yè)起步較晚，汽車電磁兼容問題未能得到充分的重視，與國(guó)外先進(jìn)水平還有很大的差距。隨著今年來對(duì)汽車電磁兼容性認(rèn)識(shí)的加深以及吸收國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)并制定了一些汽車電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)，同事建立了汽車電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室[3]。</p><p>　　但目前國(guó)內(nèi)對(duì)

31、于電磁兼容性方面的研究大多局限于在事后產(chǎn)品的測(cè)試檢驗(yàn)，系統(tǒng)的汽車電磁兼容仿真預(yù)測(cè)研究工作相對(duì)較少。 </p><p>　　1.3國(guó)外汽車電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀 </p><p>　　國(guó)外任何電子技術(shù)產(chǎn)品在應(yīng)用到汽車前，必須經(jīng)過性能試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)，商業(yè)化前，須經(jīng)過各項(xiàng)嚴(yán)格的匹配試驗(yàn)和最為關(guān)鍵的技術(shù)要求EMC認(rèn)證(國(guó)內(nèi)無(wú)此過程)，對(duì)未經(jīng)過嚴(yán)格試驗(yàn)的電子技術(shù)，任何整車絕對(duì)不會(huì)采用。EMC 涉

32、及到整車的安全性、可靠性，國(guó)外汽車整車企業(yè)不會(huì)輕易采用未經(jīng)可靠性試驗(yàn)的零部件產(chǎn)品。歐洲很早就頒布了汽車EMC指令72/245/EEC，于1995年11月修訂為95/54/EC(＝ECE R10)，1996年1月1日開始實(shí)施，2002年10月1日全面強(qiáng)制實(shí)施。</p><p>　　凡不符合該指令要求的新車拒絕登記、銷售、進(jìn)入市場(chǎng)；2004年11月該指令再次修訂為2004/104/EC，增強(qiáng)了抗擾性內(nèi)容，于2006年

33、1月1日開始執(zhí)行，2009年1月1日全面執(zhí)行。由此看到，自技術(shù)指令出臺(tái)到全面執(zhí)行，逐步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制執(zhí)行、增加技術(shù)條款，充分表明EMC 的特殊性。</p><p>　　德國(guó)三大汽車公司，大眾、奔馳、寶馬都擁有自己的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，而且在電磁兼容仿真預(yù)測(cè)方面有自己開發(fā)的軟件系統(tǒng)；他們的電磁兼容檢測(cè)中心有專門的一批專家、博士在進(jìn)行電磁兼容的仿真測(cè)試；而且每隔兩年的時(shí)間各大汽車制造商電磁兼容實(shí)驗(yàn)室之間相互進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)測(cè)試

34、數(shù)據(jù)對(duì)照分析，以共同的基準(zhǔn)來進(jìn)行各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)定，專家們對(duì)標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行相互的比較和分析[4]。 </p><p>　　日本在2004年以前，出口到歐洲的汽車執(zhí)行ECER10；2004年1月1日起，本土全面執(zhí)行ECE R10。其在電磁兼容測(cè)試和仿真方面進(jìn)行了大量的工作，有一批專家學(xué)者長(zhǎng)期從事電磁仿真預(yù)測(cè)的工作，建立自己龐大的測(cè)試分析體系，這也使近年來日本汽車業(yè)快速發(fā)展超過美國(guó)成為國(guó)際上最大汽車生產(chǎn)制造商[5]。

35、</p><p>　　美國(guó)汽車行業(yè)也很早就有自己的一套測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，像SAE J551，SAE J1113等，充分說明其在汽車電磁兼容測(cè)試方面的重視。其電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的研究工作最早開展，從軍工行業(yè)過渡到民用行業(yè)，包括汽車等[6]。 </p><p>　　1.4電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[7]</p><p>　　熟悉和掌握電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)，是進(jìn)行電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的依據(jù)，所有的仿真

36、預(yù)測(cè)的參數(shù)設(shè)定，頻率范圍，限值設(shè)定都是參考這些標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家，不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)也稍有不同。因此，仿真預(yù)測(cè)之前理清這些標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系是十分必要的。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)和專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。各組織關(guān)系圖如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 電磁兼容各標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)系</p><p>　　在 IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)中，跟汽車電磁兼容測(cè)試有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如圖1.2所示，具體各組織標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)

37、容如表1.1和表1.2所示。 </p><p>　　圖1.2 汽車電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　　表1.1 汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　　表1.2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 </p><p>　　1.5汽車電磁兼容仿真存在的問題</p><p>　　盡管電磁兼容仿真在汽車電子開發(fā)階段有很大的優(yōu)勢(shì)，

38、然而汽車的電氣結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，一輛現(xiàn)代汽車上包括上百個(gè)電子控制模塊或PCB、總長(zhǎng)度約3Km的電纜線束、超過15個(gè)高敏感度的天線以及各種用于辦公娛樂的車載電子設(shè)備等，加上汽車車身結(jié)構(gòu)的影響，使汽車EMC仿真，特別是整車系統(tǒng)級(jí)的EMC仿真依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。</p><p>　　電磁兼容問題的建模是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行汽車電磁兼容數(shù)值分析需要解決的第一個(gè)問題。汽車EMC的數(shù)值仿真非常復(fù)雜，它涉及的對(duì)象有各種不同的結(jié)構(gòu)，

39、目前汽車電磁兼容仿真建模中主要涉及的有四類：汽車車身(金屬結(jié)構(gòu))、電纜線束、天線以及電子電氣元件。</p><p>　　在進(jìn)行具體的電磁兼容建模時(shí)，主要遇到問題有：</p><p>　　(1) 汽車車身的可以通過常用CAD結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，然而通過CATLA等CAD工具導(dǎo)出的原始車身CAD數(shù)據(jù)通常包括了過多細(xì)節(jié)，使得模型變得龐大而復(fù)雜，并不適合電磁場(chǎng)數(shù)值分析，需要在保持電磁特征的前提下，盡可能地簡(jiǎn)

40、化結(jié)構(gòu)；</p><p>　　(2) 對(duì)于電磁兼容而言，電纜線束最重要的結(jié)構(gòu)之一。汽車上的電纜結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)又經(jīng)常捆扎成束，這也給電纜的建模增加了極大的難度；</p><p>　　(3) 現(xiàn)代汽車上不僅僅有棒狀天線，各種復(fù)雜的天線陣列已應(yīng)用在汽車上，以提升天線的性能，因此天線的結(jié)構(gòu)和布局需要得到考慮。</p><p>　　1.6本文主要研究的內(nèi)容 </p&

41、gt;<p>　　汽車電磁兼容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜又系統(tǒng)化的問題，涉及很多方面的內(nèi)容。本文主要借助電磁兼容仿真工具，討論了汽車電磁兼容仿真的策略，主要針對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)在汽車車載天線及汽車內(nèi)電纜線束的電磁兼容分析中的應(yīng)用展開了研究。</p><p>　　2 汽車電子設(shè)備的組成、干擾源及其傳播途徑</p><p>　　2.1汽車電器電子設(shè)備的分類[8]</p><

42、p>　　現(xiàn)代汽車電器電子設(shè)備，可按功能分為下述七大部份：電源系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、照明及燈光信號(hào)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制及點(diǎn)火控制系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)，以及其它電器電子裝置等。</p><p>　　2.1.1 汽車的電子設(shè)備組成</p><p><b>　　a. 電源系統(tǒng)</b></p><p>　　電源系統(tǒng)包括蓄電池、發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器

43、。發(fā)電機(jī)是主電源，蓄電池是輔助電源。蓄電池與發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，存儲(chǔ)電能，供給起動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的電力，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后又可儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)的剩余電能為全車用電設(shè)備提供電能。汽車發(fā)電機(jī)有交流發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)兩種，目前汽車上使用的發(fā)電機(jī)基本上都是交流發(fā)電機(jī)。在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，汽車上的用電設(shè)備所需要的電能主要由發(fā)電機(jī)供給。</p><p><b>　　b. 起動(dòng)系統(tǒng)</b></p>

44、<p>　　起動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及操縱裝置，其任務(wù)是隨時(shí)起動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)由蓄電池供電。起動(dòng)機(jī)(又稱始動(dòng)機(jī))，這是一個(gè)專為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)而設(shè)計(jì)的專用直流電動(dòng)機(jī)。當(dāng)起動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火開關(guān)接通后，該電動(dòng)機(jī)與蓄電池相通，讓電流通過起動(dòng)機(jī)，由起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力拖轉(zhuǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，使它開始運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　c. 點(diǎn)火系統(tǒng)</b></p><p>　

45、　點(diǎn)火系統(tǒng)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不可缺少的組成部分，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作中起著非常重要的作用，它能產(chǎn)生35000伏的高壓脈沖，以精確的時(shí)間輸送至氣缸的火花塞，因此保證適時(shí)、準(zhǔn)確的點(diǎn)燃?xì)飧字械目扇蓟旌蠚狻，F(xiàn)代汽車上應(yīng)用的點(diǎn)火系統(tǒng)分為傳統(tǒng)蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng)兩類。汽車點(diǎn)火系統(tǒng)可分為有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)、無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)和無(wú)分電器點(diǎn)火系統(tǒng)。目前無(wú)分電器點(diǎn)火系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。</p><p>　　d. 照明及燈光

46、信號(hào)系統(tǒng)</p><p>　　為了保障汽車在夜間和視線不良的條件下行駛安全和使用可靠，以及給其他車輛和行人指示汽車的工況信息，例如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等，提高汽車平均運(yùn)行速度，汽車裝有各種照明設(shè)備。這些燈光照明設(shè)備主要包括：前照燈、霧燈、示寬燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、制動(dòng)燈、倒車燈、牌照燈等。</p><p><b>　　e. 儀表系統(tǒng)</b></p><p>　

47、　儀表系統(tǒng)包括燃油表、機(jī)油壓力表、車速里程表、電流表等，其作用是將汽車的主要運(yùn)行參數(shù)和重要部分的狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)地顯示給駕駛員。</p><p>　　f. 發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)電子控系統(tǒng)是利用先進(jìn)的電子技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、點(diǎn)火時(shí)刻、怠速轉(zhuǎn)速、排氣再循環(huán)等進(jìn)行控制，以獲得最佳的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排氣凈化。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)起步較早，發(fā)展較快，技術(shù)較成熟。應(yīng)用得比較廣

48、泛的有：電子控制燃油噴射系統(tǒng)，閉環(huán)電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)，電子化油器系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控系統(tǒng)等。</p><p>　　g. 底盤電子控制系統(tǒng)</p><p>　　包括電子控制自動(dòng)變速器、電子速度控制系統(tǒng)、電子控制防抱死系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)、電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。</p><p>　　h. 其它電器電子裝置</p><p>　　除了上面介紹的汽車電

49、器模塊外，汽車內(nèi)還包括有電動(dòng)刮水器、電動(dòng)洗滌器、電動(dòng)座椅、電動(dòng)除霧器及空調(diào)器和警告裝置等輔助和附加電器電子裝置。這些電子裝置能夠起到提高汽車舒適性、安全性等作用，也是汽車內(nèi)不可忽視的一個(gè)部分。</p><p>　　2.2干擾源及其傳播途徑</p><p>　　車上電子電氣設(shè)備承受來自車內(nèi)，車外各種各樣的電磁干擾。汽車的電磁物理環(huán)境是對(duì)汽車電子裝置最具威脅的工作環(huán)境，其主要表現(xiàn)為不穩(wěn)定的電源

50、電壓、瞬變過電壓以及強(qiáng)電輻射等對(duì)工作狀態(tài)下電子裝置的嚴(yán)重影響。由于汽車可以行駛到各種地方，因此其電磁環(huán)境差異也很大。 </p><p>　　2.2.1干擾源分類</p><p><b>　　a. 車載干擾源</b></p><p>　　這主要是指車上各種電子電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾、汽車電路中出現(xiàn)的各種瞬變電壓，或者電路開斷瞬間觸點(diǎn)之間產(chǎn)生的電火

51、花和電弧等，都可能影響車上敏感設(shè)備的正常工作，車載干擾源主要有點(diǎn)火系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、繼電器、開關(guān)、通訊設(shè)備以及微處理器等電子設(shè)備。車載干擾源的電磁傳播模式很復(fù)雜，它有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種方式。</p><p><b>　　b. 自然干擾源</b></p><p>　　自然干擾源是指由自然現(xiàn)象引起的電磁干擾，比較典型的自然界電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁噪聲有大氣噪聲、太

52、陽(yáng)噪聲、宇宙噪聲以及靜電放電等，大多數(shù)情況下，這種電磁噪聲非常復(fù)雜，并且對(duì)汽車的干擾影響可以忽略。但是，閃電和靜電放電可能會(huì)產(chǎn)生很大的瞬變場(chǎng)強(qiáng)。閃電是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其電流超過10kA，上升時(shí)間不到1ps。汽車上的直接電擊很少，但是閃電引起的場(chǎng)強(qiáng)很大，在200m 處是100kV/m，在175km處是 4V/m。乘客和座椅之間的摩擦以及汽車車身在行駛過程中與空氣的摩擦都會(huì)積累形成靜電，高壓靜電壓放電時(shí)會(huì)影響電子設(shè)備的工作，甚至造成永久

53、性破壞。</p><p><b>　　c. 人為干擾源</b></p><p>　　人為干擾源是指由汽車外部人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾，這主要有其它車輛點(diǎn)火系統(tǒng)的輻射干擾，車外的雷達(dá)、無(wú)線電臺(tái)發(fā)射機(jī)、移動(dòng)通信等發(fā)射的電磁波干擾，以及高壓輸出電線的電量放電等等。</p><p>　　2.2.2汽車的電磁干擾傳播途徑分析</p><

54、p>　　電磁干擾的傳輸途徑主要有兩條，通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和通過空間的輻射，即傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。</p><p>　　傳導(dǎo)干擾就是電磁騷擾通過互聯(lián)電纜傳輸，即通過設(shè)備的信號(hào)線、控制線、電源線等直接侵入敏感設(shè)備。由于汽車與外部環(huán)境沒有直接的電路聯(lián)系，因此，傳導(dǎo)干擾都是由汽車自身的電氣元件引起的。傳導(dǎo)干擾是由電動(dòng)機(jī)、繼電器以及其他感性設(shè)備的觸點(diǎn)開關(guān)引起的瞬態(tài)脈沖。傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)線進(jìn)入電源或者電子系統(tǒng)，或者通過容

55、性耦合或感性耦合進(jìn)入控制線和信號(hào)線，它可能在額定電壓為12V或者24V的電氣設(shè)備上引起高達(dá)200V的電壓。</p><p>　　輻射發(fā)射的實(shí)質(zhì)是騷擾源的電磁能量以場(chǎng)的形式向四周空間傳播。汽車上的輻射耦合路徑非常復(fù)雜，車內(nèi)的輻射干擾主要來自于車內(nèi)的電纜線束、用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或燈光調(diào)節(jié)的斬波電路以及高速電路。車內(nèi)外電磁輻射既可以直接耦合到敏感設(shè)備上，也可能耦合到車內(nèi)的電纜線束上，然后再通過傳導(dǎo)進(jìn)入敏感設(shè)備。</

56、p><p>　　2.3汽車電磁環(huán)境分析</p><p>　　現(xiàn)代汽車的車載電子裝置越來越多，汽車電系的電磁環(huán)境越來越惡劣。對(duì)汽車來說，來自車內(nèi)的電磁干擾源比來自車外的電磁干擾源對(duì)車載電子控制裝置工作的可靠性影響要大一些。因此本節(jié)就著重分析汽車內(nèi)電磁干擾。</p><p>　　2.3.1供電系統(tǒng)電磁干擾源</p><p>　　工作狀態(tài)下，汽車是靠蓄

57、電池與發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的，以標(biāo)稱電壓為12V的汽車電系為例，正常電壓一般為10~16V，超過此范圍的電壓稱之為異常電壓。如部分饋電的蓄電池在低溫下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其端電壓可能降到7V左右；當(dāng)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)生故障，激磁電流不經(jīng)過調(diào)節(jié)器而直接加到激磁繞組上時(shí)，可使發(fā)電機(jī)輸出電壓上升至18V；此18V電壓對(duì)蓄電池充電可能引起蓄電池電解液沸</p><p>　　騰，使蓄電池端電壓上升到70V以上；汽車在修理過程中，可能將蓄電

58、池吸性</p><p>　　接反，此時(shí)電子裝置將承受12V電源電壓。對(duì)上述這些異常電壓的出現(xiàn)，要求汽車電子裝置不被破壞，電壓恢復(fù)正常時(shí)，電子裝置的工作特性能即時(shí)得到恢復(fù)。為此，要求汽車電子裝置裝車前作異常電壓試驗(yàn)。</p><p>　　下面就詳細(xì)分析汽車供電系統(tǒng)的各種電磁干擾產(chǎn)生原因及其表現(xiàn)形式。</p><p>　　a. 發(fā)電機(jī)拋負(fù)載瞬變</p>&

59、lt;p>　　發(fā)電機(jī)在正常工作時(shí)，若負(fù)載突然減小或完全無(wú)負(fù)載，會(huì)引起發(fā)電機(jī)輸出電流急劇下降，在發(fā)電機(jī)電樞繞組上產(chǎn)生正向瞬變過電壓，其等效電路如圖 2.1 所示。</p><p>　　圖2.1 汽車發(fā)電機(jī)拋負(fù)載等效電路圖</p><p>　　圖中發(fā)電機(jī)被等效為一個(gè)電感和電動(dòng)勢(shì)的串聯(lián)電路，負(fù)載則等效為支路電阻和并聯(lián)，發(fā)電機(jī)輸出電流為。設(shè)為被拋的大負(fù)載，即：，,則當(dāng)開關(guān)突然斷開時(shí)，電路換路

60、引起電流產(chǎn)生瞬變，即有：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式中，為換路后終了時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)電流，即；為換路后初始時(shí)刻的暫態(tài)電流，根據(jù)換路定律，其中表示換路前終了時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)電流 ；為換路后暫態(tài)的時(shí)間常數(shù)，。在負(fù)載上產(chǎn)生的過電壓為，在發(fā)電機(jī)電樞繞阻上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為</p><p><b>　　(2.2)&

61、lt;/b></p><p>　　顯然，發(fā)電機(jī)拋負(fù)載瞬變電壓是一個(gè)正向指數(shù)脈沖電壓，前沿較陡，上升時(shí)間約50~100us，后沿按指數(shù)規(guī)律下降，衰減時(shí)間約150~350ms。拋負(fù)載瞬變電壓的幅值主要決定于拋負(fù)載程度，即式中比值的大小，通?？蛇_(dá) 75~125V；最嚴(yán)重的拋負(fù)載瞬變發(fā)生于發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)與蓄電池的連接斷開狀態(tài)下拋負(fù)載，此時(shí)電樞繞組上產(chǎn)生較大的能量泄放，對(duì)支路中的電子器件形成較強(qiáng)的沖擊，必須設(shè)法使其

62、安全泄放。</p><p><b>　　b. 激磁衰減瞬變</b></p><p>　　當(dāng)發(fā)電機(jī)激磁繞組電路故障開路、或因點(diǎn)火開關(guān)斷開切斷激磁電流回路時(shí)，在激磁繞組上將產(chǎn)生磁場(chǎng)衰減瞬變過電壓。此瞬變過電壓為一負(fù)向指數(shù)脈沖，脈沖幅度取決于換路瞬間的電路及調(diào)節(jié)器狀態(tài)；其幅值可達(dá)120V左右，前沿時(shí)間為5~10ms，衰減時(shí)間約200ms，對(duì)調(diào)節(jié)器中的敏感器件構(gòu)成威脅。<

63、;/p><p>　　c. 點(diǎn)火系電磁干擾源</p><p>　　汽車電系內(nèi)最強(qiáng)的電磁干擾源是點(diǎn)火系。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火線圈初、次級(jí)瞬變電壓很高，對(duì)車載電子裝置產(chǎn)生很強(qiáng)的傳導(dǎo)干擾；同時(shí)，由于火花塞電極放電強(qiáng)烈，因此對(duì)周圍的空間形成很強(qiáng)的電磁輻射。</p><p>　　汽車點(diǎn)火系統(tǒng)分為有觸點(diǎn)及無(wú)觸點(diǎn)，下面先分析有觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)，然后分析無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)。有觸點(diǎn)汽車點(diǎn)火系等效

64、電路如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 汽車點(diǎn)火系統(tǒng)等效電路圖</p><p>　　圖中為觸點(diǎn)閉合時(shí)點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組電流，觸點(diǎn)斷開時(shí)，上升到；是觸點(diǎn)斷開后點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組的放電電流，為初級(jí)繞組剩余磁場(chǎng)形成的電感放電電流，為次級(jí)高壓回路分布電容形成的電容放電電流；觸點(diǎn)斷開后，。當(dāng)斷電器觸點(diǎn)打開時(shí)，初級(jí)斷電電流突然下降，在點(diǎn)火線圈初、次級(jí)繞組上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓：</p>

65、;<p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　式中為初級(jí)電流衰減振蕩回路的等效阻抗；為初級(jí)繞組電感；為點(diǎn)火線圈的匝比，。</p><p>　　斷電器觸點(diǎn)打開瞬間，由于電感負(fù)載的固有特性，初級(jí)繞組上必然產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電壓幅值一股在300~700V之間，前沿時(shí)間約60us，脈寬約300us。</p><p>　

66、　但在無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中，電子點(diǎn)火模塊具有限幅作用，故一般限幅在400V左右。電壓持續(xù)時(shí)間約幾十微秒，其波形如圖2.3所示，此瞬變電壓若無(wú)有效的抑制，勢(shì)必對(duì)初級(jí)電路中電子器件構(gòu)成威脅，甚至通過信號(hào)線對(duì)其他系電子裝置的正常工作形成傳導(dǎo)干擾。</p><p>　　圖2.3 無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火原理及初級(jí)電壓</p><p>　　斷電器觸點(diǎn)打開瞬間，次級(jí)繞組感應(yīng)電壓幅值急劇升高，形成足夠的點(diǎn)火電壓和點(diǎn)火能量

67、，使火花塞電級(jí)間隙擊穿，產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電；在高壓放電回路中形成陡峭的放電電流，此放電電流由和組成，其中數(shù)值大，時(shí)間短，數(shù)值小而時(shí)間長(zhǎng)，并伴隨有高頻振蕩?；鸹ǚ烹妼a(chǎn)生約30~1000MHz的寬帶電磁波，以m/s的光速向周圍的空間輻射，對(duì)車內(nèi)及車外數(shù)十米遠(yuǎn)的電子裝置的正常工作產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射干擾。</p><p>　　根據(jù)大量測(cè)試火花放電電壓，得知普通能量的開路電壓可達(dá)V，高能火花的開路電壓最高可達(dá)V以上，而平時(shí)的

68、火花電壓隨三針放電的針距及速度等條件的變化而變化。其基本波形如圖2.4 (a)所示。</p><p>　　檢測(cè)結(jié)果是：火花持續(xù)時(shí)間約幾百微秒至幾毫秒，并隨速度的提高而減少?；鸹ㄉ仙龝r(shí)間約幾微秒。火花電壓幅值峰值在V以上?；鸹妷?持續(xù)電壓)在(1~2)KV之間。</p><p>　　另外，還檢測(cè)到火花電壓對(duì)其用圍部件產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，其波形如圖2.4 (b)所示。其基本參數(shù)是：峰值在900~

69、l000V之間，正半波峰值可達(dá)500V以上，負(fù)半波峰值一般在400V左右，但此電壓幅值直接與火花電壓強(qiáng)弱及產(chǎn)生火花的距離有關(guān)。一般是多個(gè)感應(yīng)波，單個(gè)脈寬約70us，每個(gè)火花延續(xù)的總時(shí)間約為 500us。在汽車電系中，火花電壓引起的浪涌電壓不論在幅值、頻率等方面都是主要的。</p><p>　　a. 火花電壓基本波形 b. 感應(yīng)電壓波形</p><

70、p>　　圖2.4 火花電壓基本波形及感應(yīng)電壓波形 </p><p>　　d. 感性負(fù)載瞬變干擾源</p><p>　　汽車電系內(nèi)存在著大量的感性負(fù)載，如各種電動(dòng)機(jī)和電磁閥等，其線圈在開路瞬間，都會(huì)成為一種寬頻譜，大能量的瞬變干擾源。圖2.5是模擬感性負(fù)載開路瞬變的等效電路及其反向瞬變脈沖電壓波形圖。當(dāng)繼電器觸點(diǎn)J打開時(shí)，原負(fù)載R-L 上的電流被突然中斷，在電感兩端產(chǎn)生反向瞬變電壓 ，

71、其峰值可達(dá)到正常狀態(tài)直流電壓的幾十倍，并向線路的分布電容充電，形成串聯(lián)振蕩電路。顯然，這種瞬變脈沖不但具有浪涌性質(zhì)，而且具有豐富的諧波，可能引起電子控制系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致部分敏感器件或固體組件的損壞。</p><p>　　圖2.5 汽車感性負(fù)載開路等效電路圖及反向瞬變脈沖電壓波形圖</p><p>　　e. 觸點(diǎn)放電干擾源</p><p>　　在汽車使用的電子

72、電器設(shè)備中，有許多導(dǎo)線、連接器、線圈及其它零件，它們具有不同的電容和電感，這些電容、電感一旦構(gòu)成閉合回路，就構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)回路。當(dāng)電器設(shè)備工作時(shí)，在電路斷合的瞬間，觸點(diǎn)之間就會(huì)產(chǎn)生火花或電弧，電火花和電弧本身是一個(gè)發(fā)射高領(lǐng)電磁噪聲的干擾源，會(huì)向汽車本身的其它電子產(chǎn)品和汽車四周的空間發(fā)射電磁波，影響其它通訊相電子設(shè)備的正常工作。例如，汽車分電器的轉(zhuǎn)子與旁電極之間，點(diǎn)火火花塞之間，發(fā)電機(jī)的電副和整流子之間，調(diào)節(jié)器觸點(diǎn)之間，轉(zhuǎn)向閃光燈繼電器、

73、喇叭繼電器，油壓表、燃油表、水溫表傳感器及線路之間電連接器等工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電火花相電磁波，這些電磁波領(lǐng)率約為0.15~1000 MHz，所以干擾的頻帶是很寬的。汽車中對(duì)無(wú)線電設(shè)備干擾最嚴(yán)重的部分是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，其次是汽車電源系統(tǒng)和汽車儀表系統(tǒng)等等。</p><p>　　汽車電系內(nèi)分布有各種觸點(diǎn)，如開關(guān)觸點(diǎn)、繼電器觸點(diǎn)、整流子電機(jī)的電刷與整流子間觸點(diǎn)等。這些觸點(diǎn)都是用來通斷電流的，但在其要開未開，但要閉未閉瞬間，

74、都會(huì)產(chǎn)生程度不同的火花放電現(xiàn)象。這類干擾主要表現(xiàn)為0.15 ~150MHz的電磁輻射干擾。雖然這種觸點(diǎn)間放電能量雖然比火花塞電極放電能量小得多，但由于其持續(xù)時(shí)間短，其放電瞬間的能量密度通常可達(dá)到造成危害的程度。</p><p>　　圖2.6中是模擬串激式直流電動(dòng)機(jī)的觸點(diǎn)干擾源，這里的觸點(diǎn)K指的是電刷與整流子間觸點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，此觸點(diǎn)K不斷地接通和斷開，電機(jī)繞組中的電流斷續(xù)變化，從而產(chǎn)生瞬變電流和電壓。此瞬變電壓

75、反作用于電源支路，在電源引線電感 和電容上形成陡峭的高頻振蕩沖擊電流和電壓。此脈沖電壓峰值可高達(dá)上千伏，衰減振蕩，振蕩頻率約0.1~500MHz，初始脈沖的前沿只有幾個(gè)納秒。這種火花放電和高頻振蕩不但產(chǎn)生輻射干擾，同時(shí)可通過電源線或信號(hào)線對(duì)其他電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。</p><p>　　圖2.6 模擬串激式直流電動(dòng)機(jī)的觸點(diǎn)干擾源等效電路圖</p><p><b>　　f. 靜電干擾源

76、</b></p><p>　　靜電產(chǎn)生的機(jī)理是兩種不同物質(zhì)相互摩擦?xí)r，會(huì)在兩物體間引起電子的移動(dòng)，其結(jié)果使得兩物體的表面分別帶上正電荷和負(fù)電荷，形成靜電電場(chǎng)。汽車在行駛時(shí)，車輪與地面的摩擦，車身與空氣的摩擦、氣流與氣管壁的摩擦、機(jī)架與支承間的摩擦、乘員衣服與座墊間的摩擦等，都可能形成靜電干擾源。靜電電量雖小，一般為1mC以下，但靜電電壓很高，可高達(dá)上萬(wàn)伏。如此高的靜電電壓必然產(chǎn)生靜電放電，其放電電流形

77、成傳導(dǎo)干擾，放電火花形成輻射干擾。</p><p>　　g. 電磁耦合干擾源</p><p>　　汽車電系內(nèi)存在著大量的成束包扎的導(dǎo)線及多點(diǎn)搭鐵的地回路，較長(zhǎng)的無(wú)屏蔽配線及搭鐵阻抗在汽車電系內(nèi)產(chǎn)生磁感應(yīng)耦合和電容耦合。以兩根導(dǎo)線為例，若平行長(zhǎng)度為L(zhǎng)，中心距離為d，則兩導(dǎo)線間的互感為：</p><p>　　若導(dǎo)線 1 中的噪聲電流為，噪聲電壓為 ，其頻率為，則導(dǎo)線間電

78、磁耦合電壓為：，兩導(dǎo)線間電容耦合電壓為：式中，為電壓的角頻率；為兩導(dǎo)線間的分布電容；為導(dǎo)線2對(duì)地等效阻抗。同時(shí)由于多點(diǎn)搭鐵形成共同的阻抗通道，當(dāng)一條導(dǎo)線上的電流通過共阻抗通道時(shí)，也會(huì)在另一條導(dǎo)線上產(chǎn)生共阻抗耦合干擾。電磁耦合干擾電壓幅值可高達(dá)200V以上，持續(xù)時(shí)間可達(dá)300ms，對(duì)部分電子裝置工作的可靠性產(chǎn)生干擾，尤其對(duì)車載電子儀器和儀表的正常工作影響較大。</p><p>　　3 車載天線的電磁兼容仿真<

79、;/p><p>　　3.1車載天線的概述 </p><p>　　車載電子設(shè)備在不斷增加，人們對(duì)汽車信息系統(tǒng)的要求也不斷增加，信息娛樂方面從原來的單一的收音機(jī)發(fā)展到DVD收音機(jī)，MP3，SD卡，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，以及藍(lán)牙(blue tooth)無(wú)線通信系統(tǒng)，這些設(shè)備的增加對(duì)車載天線的要求也越來越高，從單一的AM/FM天線發(fā)展到多天線系統(tǒng)。目前中高檔車輛基本配備，除了普通收音機(jī)天線還有GPS天線，藍(lán)

80、牙天線等。因此，天線設(shè)計(jì)如今已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)過程中最重要的電磁問題之一。</p><p>　　研究表明天線安裝在車上后，受汽車車身的影響，其特性將發(fā)生很大改變，因此汽車天線設(shè)計(jì)中一個(gè)很大需求就是分析天線的實(shí)際工作狀況。不同類型的汽車天線具有不同的運(yùn)行頻率，且被安裝在汽車不同位置，以滿足特定的功能。汽車金屬車身對(duì)于每個(gè)天線的影響是不一樣的。因此，在汽車天線設(shè)計(jì)階段，還必須將汽車車身的影響考慮進(jìn)去，才能準(zhǔn)確的獲得天線

81、實(shí)際工作時(shí)的特性。</p><p>　　本章中采用了三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST微波工作室作為仿真工具，分析一種GPS貼片天線在安裝到汽車上后的特性變化,并對(duì)汽車天線的布局進(jìn)行了討論。</p><p>　　3.2天線的電磁兼容定義</p><p>　　天線的電磁兼容，是指天線(天線系統(tǒng))在共同的電磁環(huán)境中，其自身性能既不下降又不影響其它天線性能的一種共存狀態(tài)。即某一設(shè)備

82、上的天線既不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中的天線布局、載體和其它天線的影響而遭受不允許的性能降低[9]。</p><p>　　總體上看，天線的電磁兼容設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)等級(jí)。第一個(gè)級(jí)別為饋電級(jí)。從最簡(jiǎn)單的一段傳輸線(同軸、波導(dǎo)、微帶線等)到一般的平衡器、饋電網(wǎng)絡(luò)。第一級(jí)別的兼容技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，孤元天線設(shè)計(jì)為第二級(jí)。這一級(jí)別的主要目標(biāo)是降低交叉極化和旁瓣電平。第三級(jí)為天線系統(tǒng)，包括系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間。這時(shí)必須考慮安裝到載

83、體前后天線自身的兼容問題，即受載體上各種天線間、天線與載體環(huán)境問存在的相互影響[10]。</p><p>　　天線布局設(shè)計(jì)是其兼容性的基本內(nèi)容。布局設(shè)計(jì)首先是天線自身的仿真與設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)以能否滿足應(yīng)用要求為先決條件，但這往往不夠。常常會(huì)遇到這樣的情況，單獨(dú)看一個(gè)天線，其各項(xiàng)指標(biāo)都能合格，一旦配置到載體上，其主要</p><p>　　參數(shù)將有不同程度的劣化。如果劣化比較嚴(yán)重，則必須對(duì)天線

84、進(jìn)行必要的修改，天線自身無(wú)改進(jìn)余地的情況下，需要對(duì)天線的布局重新設(shè)計(jì)。</p><p>　　針對(duì)汽車天線的電磁兼容問題，本章主要關(guān)注汽車車身對(duì)于天線性能的影響和天線安裝位置的優(yōu)化。</p><p>　　3.3天線的基本參數(shù)</p><p>　　研究天線的電磁兼容，需要對(duì)天線的基本參數(shù)進(jìn)行比較分析。故在開始仿真前，首先介紹下天線性能的表征方式。</p>

85、<p>　　表征天線性能的主要參數(shù)有輻射方向圖、增益、波瓣寬度、副瓣電平、輸入阻抗，駐波比、回波損耗，極化方式等。</p><p>　　天線的輻射方向圖定義為天線的輻射特性與空間坐標(biāo)的函數(shù)圖形。方向圖一般使用球坐標(biāo)系來表示，如圖3.1所示。坐標(biāo)原點(diǎn)選在天線的相位中心，觀察點(diǎn)。在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，輻射場(chǎng)僅有橫向分量。</p><p>　　圖3.1 用于天線分析的坐標(biāo)系</p>

86、<p>　　在距離為r的球面上，各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)隨方向坐標(biāo)和的相對(duì)變化，即是角坐標(biāo)(,)的函數(shù)(,)。為了繪圖方便,通常將其歸一化</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　式中，(,)是歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖，E(max)為半徑為r求面上(,)的最大值。</p><p>　　天線的方向性系數(shù)是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向

87、收發(fā)信號(hào)的能力，定義為在相同輻射功率情況下，天線在給定方向的輻射強(qiáng)度(,)與平均輻射強(qiáng)度之比</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　由于輻射強(qiáng)度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，所以方向性系數(shù)也可以定義為</p><p>　　(相同輻射功率) (3.3)</p><p>　　式中(,

88、)是該天線在(,)方向某點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，是全向性點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。</p><p>　　方向性系數(shù)是以輻射功率為基點(diǎn)，沒有考慮天線的能量轉(zhuǎn)化效率，為了更完整地描述天線性能，通常工程上用天線的輸入功率為基點(diǎn)來定義天線增益，即在輸入功率相同的情況下，天線在某方向某點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)平方與全向性點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)平方之比</p><p>　　(相同輸入功率) (3.4)

89、</p><p>　　主瓣寬度是定向天線常用的一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度。有時(shí)也稱主瓣寬度稱為半功率波束寬度，主瓣寬度越小，表明天線的定性作用或方向性越強(qiáng)。</p><p>　　副瓣電平是指副瓣最大值與主瓣最大值之比，通常以分貝形式表示為</p><p><b>　　(3.5)</b></p>

90、;<p>　　由于副瓣方向通常是不需要輻射(或接收)能量的。因此，天線副瓣電平越低，表明天線在不需要的方向上輻射的能量越弱，對(duì)于接收天線而言，則在這些方向上對(duì)雜散來波的抑制能力越強(qiáng)。</p><p>　　天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩

91、。</p><p>　　天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在日常維護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。</p><p>　　駐波比是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反

92、射，完全失配。</p><p>　　回波損耗是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗越小表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。</p><p>　　所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近

93、地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。</p><p><b>　　3.4微波工作室</b></p><p>　　微波工作室是一個(gè)快速精確的用于微波無(wú)源器件及天線仿真、分析和設(shè)計(jì)的專業(yè)級(jí)軟件包。其應(yīng)用范圍包括，耦合器、濾波器、環(huán)流器、隔離器

94、、諧振腔、平面結(jié)構(gòu)、連接器、電磁兼容、集成電路封裝及各類天線和天線陣。</p><p>　　它所采用的算法是有限積分法，此算法從數(shù)學(xué)上保證其可計(jì)算的電尺寸要比有限元法和矩量法等需要矩陣求逆的算法所能計(jì)算的要大得多。1998年引入了專有的理想邊界擬合技術(shù)(PBA)，使結(jié)構(gòu)逼近趨近完美。此方法采用插值的方式，彌補(bǔ)了經(jīng)典FDTD類算法對(duì)曲面物體近似度差的缺點(diǎn)，同時(shí)又保有網(wǎng)格劃分容易、對(duì)電大問題求解快速及內(nèi)存需求小這三大

95、原有的優(yōu)點(diǎn)。2002年又引入了薄片技術(shù)(TST)，在程序內(nèi)部，通過對(duì)細(xì)線和薄片的專門處理，大大地提升了對(duì)這兩類問題的仿真度，使得軟件不但速度快，內(nèi)存需求低，而且精度高。TST技術(shù)的使用，對(duì)于某些特殊問題,如共形天線，不用特殊的處理，就可以算到很精確。2004年引入了多級(jí)子網(wǎng)技術(shù)(MSS)使網(wǎng)格定義更為經(jīng)濟(jì)有效，大大地減少了網(wǎng)格點(diǎn)，從而提高了仿真速度。</p><p>　　軟件同時(shí)擁有友好的用戶界面，最簡(jiǎn)便的建模功

96、能，支持多種國(guó)際上通用的二維三維CAD導(dǎo)入導(dǎo)出格式。</p><p>　　3.5汽車天線仿真分析</p><p>　　目前GPS(全球定位系統(tǒng))已經(jīng)在汽車中得到廣泛使用，GPS是推動(dòng)汽車電子發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。GPS天線也越來越多地安裝在普通汽車上，成為必需的接收天線。圓極化微帶天線由于其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、具有良好圓對(duì)稱半球波束和良好的廣角圓極化等特點(diǎn)，在GPS系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。&l

97、t;/p><p>　　本節(jié)中將以一個(gè)典型的GPS微帶貼片仿真為例，對(duì)汽車天線電磁兼容仿真的建模問題做一個(gè)詳細(xì)的分析。</p><p>　　3.5.1模型的建立</p><p><b>　　a. 天線建模</b></p><p>　　GPS微帶貼片天線要求其具有右旋圓極化特性，以降低GPS接收機(jī)周圍的多徑效應(yīng)。目前有很多方法來

98、實(shí)現(xiàn)這一要求，常見的方法有使用偏饋、殲極化槽和加極化塊等。</p><p>　　本例中采用典型的雙饋點(diǎn)圓極化微帶天線作為仿真對(duì)象。需要指出的是，本節(jié)中天線仿真的主要目的是研究天線的電磁兼容性，即分析GPS天線安裝到汽車上后，天線各項(xiàng)指標(biāo)所受的影響，而不在于天線設(shè)計(jì)本身。因此對(duì)于GPS天線設(shè)計(jì)原理并不做詳細(xì)的闡述。</p><p>　　仿真所采用的GPS微帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.2所示，方形

99、微帶貼片的邊長(zhǎng)為W1，基板采用介電常數(shù)為，電導(dǎo)率=0.0005357S/m的介質(zhì)材料，寬為W2，厚度為h。天線采用雙饋點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，饋點(diǎn)偏移中心距離為F，且饋電點(diǎn)2的相位滯后饋點(diǎn)1的相位90°。以滿足GPS天線的右旋極化要求。各參數(shù)具體的值如為W1=85.4mm，W2=120mm，F(xiàn)=15.5mm，h=3mm。</p><p>　　圖3.2 GPS微帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>

100、;　　由于天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在CST微波工作室中創(chuàng)建此模型非常方便，這里不作過多敘述。CST微波工作室中由于采用了TST技術(shù)，故可以在不增加網(wǎng)格點(diǎn)情況下，即不用分辨貼片的厚度。能夠?qū)?shí)際厚度只有0.03mm的貼片進(jìn)行精確仿真。仿真中采用離散端口饋電，端口2在相位上比端口1滯后90°。兩端口同時(shí)激勵(lì)，最終創(chuàng)建的GPS微帶天線的模型如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 CST中建立的GPS天線模型&l

101、t;/p><p><b>　　b. 車體建模</b></p><p>　　CST微波工作室可以直接從CAD文件讀入，但原始的汽車CAD模型并不適合數(shù)值仿真。實(shí)際仿真中，汽車CAD模型在導(dǎo)入仿真軟件前已經(jīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，汽車模型去除了車內(nèi)的座椅等部件，車身僅由多塊光滑曲面結(jié)構(gòu)組成，填平了非常細(xì)小的孔縫，模型復(fù)雜度大大簡(jiǎn)化。GPS天線安裝在汽車車頂中部，整個(gè)仿真模型如圖3.4所示

102、。</p><p>　　圖3.4 汽車模型及GPS天線安裝位置</p><p>　　3.5.2仿真結(jié)果分析</p><p>　　a. 天線單獨(dú)仿真結(jié)果</p><p>　　天線單獨(dú)仿真時(shí)，天線端口1的回波損耗如圖3.5所示，其仿真結(jié)果三維方向圖如圖3.6所示，可以看出在GPS天線工作的1575MHz頻段內(nèi)，天線的回波損耗要好于-10dB滿足要

103、求。端口2的回波損耗類似。</p><p>　　圖3.5 GPS天線的回波阻抗</p><p>　　圖3.6 GPS天線三維方向圖</p><p>　　b. 加載到汽車車頂仿真結(jié)果</p><p>　　從圖3.7中可以看出，天線安裝到汽車上后受車身影響，天線端口1的回波損耗諧振點(diǎn)向低頻段偏移了5MHz左右，這樣的變化很可能會(huì)導(dǎo)致GPS天線的增

104、益降低，直接影響接收機(jī)的信噪比，甚至是無(wú)法正常工作[11]。</p><p>　　圖3.7 天線安裝到車身前后的回波損耗</p><p><b>　　c. 布局分析</b></p><p>　　汽車模型同上，仿真中不計(jì)汽車輪胎、后視鏡和車頂?shù)挠绊?。這里，分別在汽車車頂前部(A)、汽車車頂后部(B)、汽車后備箱右側(cè)(C)安裝GPS天線。其在A、B

105、、C三點(diǎn)仿真結(jié)果如圖3.8所示。</p><p>　　a. A點(diǎn)仿真結(jié)果 b. B點(diǎn)仿真結(jié)果 c. C點(diǎn)仿真結(jié)果</p><p>　　圖3.8 天線在不同的位置下三維輻射方向圖</p><p>　　從三維輻射方向圖看，三個(gè)位置上天線均受到汽車車身的影響，天線的全向特性均有所劣化，但所受影響各不相同，相對(duì)而言位于C處的天線受車身影響

106、最為明顯。天線位于汽車車頂后部B位置時(shí)，天線受汽車車身影響最小，具有最好的性能指標(biāo)。</p><p>　　觀察ZX平面上的二維直角坐標(biāo)增益方向圖3.9，即水平方位面內(nèi)的增益方向圖3.8，當(dāng)天線位于汽車車頂前后部，即天線安裝在位置B時(shí)，天線受車后窗的影響比較小，水平方位角變化時(shí),增益波動(dòng)最小，說明天線仍具有較好的全向特性。天線在位置A上的情況類似，但在水平方位角在144~220°范圍內(nèi)變化時(shí)，天線的增益較

107、小，而天線安裝在汽車后備箱上時(shí)，增益值在-12dB~3dB問波動(dòng)，特別在水平方位角在0~60°范圍變換時(shí)，天線的增益很小，這主要是由于受車項(xiàng)和后車窗的遮擋，使天線的發(fā)射或接收性能受到了很大的影響。</p><p>　　圖3.9 天線在不同的位置下2D極坐標(biāo)方向圖(ZX平面)</p><p>　　上述結(jié)果表明，在三個(gè)位置中，天線位于汽車車頂后部(位置B時(shí))天線受汽車車身影響最小，具

108、有最好的性能指標(biāo)，而天線被安裝到汽車后備箱右側(cè)位置時(shí)，方向圖劣化最嚴(yán)重。因此，在汽車天線設(shè)計(jì)過程中，必須綜合考慮汽車車身、天線安裝位置等因素對(duì)天線性能產(chǎn)生的影響。</p><p>　　4 汽車電纜線束的電磁兼容仿真分析</p><p>　　4.1電纜的串?dāng)_分析</p><p>　　當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，因電磁場(chǎng)而對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的干擾電壓或電流噪聲即為

109、串?dāng)_，串?dāng)_是由信號(hào)線之間的互感耦合或者互容耦合引起的，串?dāng)_按產(chǎn)生機(jī)理分為電感性耦合和電容性耦合。</p><p>　　4.2電纜的干擾耦合機(jī)理分析</p><p>　　車內(nèi)的電纜大多由多種形式的芯線束捆扎而成，芯線的類型主要包括平行雙線、雙絞線、同軸線等。</p><p>　　平行雙線是最常見的傳輸線形式，是由結(jié)構(gòu)相同且相互平行的一對(duì)導(dǎo)線構(gòu)成的信號(hào)回路，雙絞線是由一