基于整車模型的PEPS天線仿真方法研究

付似愚

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

1 引言

現代汽車工業已飛速發展，用戶對汽車功能性的要求也越來越高。無鑰匙進入及無鑰匙啟動系統（PEPS，Passive Entry&Push Start）已逐漸成為汽車上市的標配功能。該系統帶給用戶進入車內及啟動車輛的便利，使得代替傳統遙控已成為必然趨勢。因此廠商在車型開發階段也更加重視PEPS天線工作的有效性及穩定性[1]。

汽車不僅是交通運輸的工具，也成為了信息化、電氣化、智能化技術的載體。這也使得車輛必然面臨整車的電磁兼容問題。當車型開發完成，進行PEPS天線系統樣車實驗測試或主觀評價時，往往會出現PEPS天線的發射性能沒有達到設計標準的情況。這就需要對天線的布置進行變更修正，而造成較高費用成本，并影響開發周期。因此，PEPS系統的有效性在整車開發過程中，就應進行系統性評估[2]。

在開發過程中，如何評估車身鈑金及天線周圍金屬件對PEPS天線的影響，是快速實現PEPS天線有效性確認的關鍵。為此，通過電磁仿真分析預測PEPS天線實車測試前的性能，并分析其他金屬件對PEPS天線的影響，在車型設計開發前期發現問題，節省成本和縮短開發周期。

本文主要從單PEPS天線的整車有效性及天線附件金屬件對天線的影響兩方面進行分析研究。

2 分析理論

PEPS系統工作原理如圖1所示，首先觸發信號喚醒低頻天線工作，低頻天線再發出125kHz低頻喚醒信號，若接收到的信號強度達到鑰匙靈敏度閾值，則智能鑰匙驅動內含的高頻天線發送433.92MHz頻率的身份驗證碼，PEPS控制器識別身份驗證碼后發送125kHz低頻驗證碼，智能鑰匙接收驗證碼并進行加密處理，再發送給PEPS控制器，PEPS控制器通過驗證，經CAN總線傳送相關指令給BCM，對車輛進行上鎖、解鎖或啟動的相應操作[3]。

圖1 PEPS系統工作原理圖

通常情況下，根據設計要求，PEPS天線的評價標準包括：天線外部覆蓋范圍1.5～2m，內部覆蓋車內全部，且左右泄漏不超過50mm，前后泄漏不超過200mm，PEPS系統內部天線有效的磁場強度閾值設定為1.5mA/m[4]。本文研究的對象為PEPS系統低頻天線輻射發射性能，通過建立PEPS低頻天線和整車的輻射發射模型，仿真計算天線工作時的信號閾值內有效覆蓋區域，以及對比分析天線附近附屬金屬件對天線有效性的影響。

3 整車及PEPS天線建模

本文研究的PEPS低頻發射天線，其工作頻率125KHz，并串聯電阻54ohm，串聯電容3.3Nf，其中一天線位于車內副駕駛側靠后位置處。在對實體幾何進行有限元建模之前，合理簡化結構可以大幅節省計算求解的時間。整車建模過程中，大體積金屬件對天線的輻射場強分布有較強的影響，因此必須保留。天線建模時，除去對天線發射性能影響不大的膠體、塑料蓋板等部件。但整車模型中，距離天線較近的一些小結構金屬特征，可能會對仿真結果會產生顯著影響，在簡化模型過程中，大致的特征形貌應保留，金屬件厚度對輻射場強幾乎沒有影響，不需要考慮[5,6]。

由于整車模型特征復雜，連接關系需簡化。因此，可通過Altair公司的前處理軟件Hypermesh進行網格劃分，整車網格單元尺寸為45mm，單元類型為等邊三角形單元，對細微縫隙或結構覆蓋部分，可在邊界處共用網格單元節點，并檢查網格單元質量，不能存在重疊或無連接的孤立三角單元等，處理好的整車網格模型如圖2所示。

圖2 整車網格模型

為了使天線模型能夠用于預測其發射性能，在FEKO軟件進行計算求解前，需要對低頻發射天線的網格質量進行優化處理。考慮到天線結構中鐵氧體的最短邊較小，天線模型網格劃分的線網格和體網格尺寸均為2mm。另外，為了避免大地及天線近距離處金屬件對天線發射性能影響，還需對大地及金屬件進行建模，并定義好各結構件的材料屬性，模型中整車及金屬附屬件部分材料統一設置為良導體PEC屬性。

其中，整體模型采用矩量法（MOM，Method of Moments）求解。矩量法是將算子方程化為矩陣方程，適用于求解電磁場微分方程，又可用于積分方程。對于算子方程：

式中，x為未知等效流或場，b為已知激勵源，將x用一組基函數展開。

其中，ji為基函數，ai為基函數的系數。選一個檢驗函數tj，分別與算子方程(1)等號的兩邊求內積，得到如下方程：

將式(3)進一步整理得：

將式(4)寫成矩陣的形式為：

通過直接法或迭代法求解矩陣方程，從而可得未知等效流或場的解。

由于磁鐵芯的尺寸遠小于天線波長，屬于電小結構類型，而FEKO里的VEP（MOM with volume equivalent principle）算法是矩量法的擴展，可以從較低的頻率開始計算，有較好的穩定性和收斂性，因此，磁鐵芯采用VEP算法進行求解。建立的完整分析模型如圖3所示。

圖3 整體分析模型

4 天線發射性能分析

FEKO中基于MOM+VEP求解算法，用端口表征天線實際的饋電點，PEPS低頻天線采用wire端口類型，并在天線饋電點添加18V的電壓激勵，模擬輸入天線的驅動電壓。同時，根據天線的實際阻抗參數，在端口處匹配3.3nF電容和54ohm電阻串聯電路。以整車模型的幾何中心為原點，建立整車坐標系，長方體的近場求解區域大小為3.5m×3.0m×2.0m，并在經三個方向均以每30mm的距離分布一個計算點進行求解。定義后的近場求解域如圖4所示。

圖4 近場求解域示意圖

在基于125kHz頻率求解后，根據上文定義的磁場強度閾值為邊界，觀察獲得的PEPS天線在不同高度上輻射有效范圍的變化情況。大于磁場強度閾值的區域采用紅色顯示，如圖5所示。

圖5 PEPS天線近場輻射范圍圖

從圖5中可知，大部分能量被約束在車輛內部，磁場分布以天線中心為輻射源，向外較為均勻地擴散。車輛內部左右方向的磁場分布較為對稱，在靠近天線中心位置的磁場強度等值線分布最為密集，在整車左后位置存在一定的溢出磁場強度范圍，意味著在此處磁場能量雖衰減相對較快，但仍有不必要的磁場泄露。從圖6磁場分布3D顯示可以更加清楚地看到泄露的整體情況。

圖6 天線磁場分布3D圖

5 天線輻射性能對比分析

采用同樣的分析方法，將天線附件的金屬件去除，對比分析天線附件的金屬件對天線發射性能的影響，經計算，獲得新方案的PEPS天線磁場強度有效輻射范圍如圖7所示。

圖7 新方案PEPS天線近場輻射范圍圖

從分析結果看，在去除天線旁的金屬件后，在三個同樣高度處的磁場分布幾乎相同，說明天線附近的金屬附件對天線的性能影響不大，其中3D結果分布如圖8所示。

圖8 新方案天線磁場分布3D圖

經量化后，兩種分析方案的PEPS天線有效覆蓋范圍在高度0.74m處最大為1.21m，最大溢出泄露分別為0.36m和0.35m，無金屬附件時，磁場溢出范圍略有減小，但兩種方案的溢出范圍均較大。具體兩種方案的對比見表1。

表1 兩種布置方案結果對比

6 結語

從工程開發的角度，本文首先建立了完整的分析模型，介紹了PEPS天線基于整車條件下的仿真分析方法，并對比分析了天線附近的金屬件對PEPS天線輻射性能的影響。分析結果表明，小結構金屬對PEPS天線磁場覆蓋范圍和外溢距離影響不大，但天線工作性能在整車環境下未能達到設計標準，還需后續進一步優化布置方案。與此同時，對于天線等電小結構，采用MOM+VEP的求解算法進行PEPS天線性能預測是高效可靠的技術方法，該方法能夠可快速評估天線的工作性能，減少開發成本以及后期失效的風險。