基于整车模型的PEPS天线仿真方法研究

付似愚

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）

1 引言

现代汽车工业已飞速发展，用户对汽车功能性的要求也越来越高。无钥匙进入及无钥匙启动系统（PEPS，Passive Entry&Push Start）已逐渐成为汽车上市的标配功能。该系统带给用户进入车内及启动车辆的便利，使得代替传统遥控已成为必然趋势。因此厂商在车型开发阶段也更加重视PEPS天线工作的有效性及稳定性[1]。

汽车不仅是交通运输的工具，也成为了信息化、电气化、智能化技术的载体。这也使得车辆必然面临整车的电磁兼容问题。当车型开发完成，进行PEPS天线系统样车实验测试或主观评价时，往往会出现PEPS天线的发射性能没有达到设计标准的情况。这就需要对天线的布置进行变更修正，而造成较高费用成本，并影响开发周期。因此，PEPS系统的有效性在整车开发过程中，就应进行系统性评估[2]。

在开发过程中，如何评估车身钣金及天线周围金属件对PEPS天线的影响，是快速实现PEPS天线有效性确认的关键。为此，通过电磁仿真分析预测PEPS天线实车测试前的性能，并分析其他金属件对PEPS天线的影响，在车型设计开发前期发现问题，节省成本和缩短开发周期。

本文主要从单PEPS天线的整车有效性及天线附件金属件对天线的影响两方面进行分析研究。

2 分析理论

PEPS系统工作原理如图1所示，首先触发信号唤醒低频天线工作，低频天线再发出125kHz低频唤醒信号，若接收到的信号强度达到钥匙灵敏度阈值，则智能钥匙驱动内含的高频天线发送433.92MHz频率的身份验证码，PEPS控制器识别身份验证码后发送125kHz低频验证码，智能钥匙接收验证码并进行加密处理，再发送给PEPS控制器，PEPS控制器通过验证，经CAN总线传送相关指令给BCM，对车辆进行上锁、解锁或启动的相应操作[3]。

图1 PEPS系统工作原理图

通常情况下，根据设计要求，PEPS天线的评价标准包括：天线外部覆盖范围1.5～2m，内部覆盖车内全部，且左右泄漏不超过50mm，前后泄漏不超过200mm，PEPS系统内部天线有效的磁场强度阈值设定为1.5mA/m[4]。本文研究的对象为PEPS系统低频天线辐射发射性能，通过建立PEPS低频天线和整车的辐射发射模型，仿真计算天线工作时的信号阈值内有效覆盖区域，以及对比分析天线附近附属金属件对天线有效性的影响。

3 整车及PEPS天线建模

本文研究的PEPS低频发射天线，其工作频率125KHz，并串联电阻54ohm，串联电容3.3Nf，其中一天线位于车内副驾驶侧靠后位置处。在对实体几何进行有限元建模之前，合理简化结构可以大幅节省计算求解的时间。整车建模过程中，大体积金属件对天线的辐射场强分布有较强的影响，因此必须保留。天线建模时，除去对天线发射性能影响不大的胶体、塑料盖板等部件。但整车模型中，距离天线较近的一些小结构金属特征，可能会对仿真结果会产生显著影响，在简化模型过程中，大致的特征形貌应保留，金属件厚度对辐射场强几乎没有影响，不需要考虑[5,6]。

由于整车模型特征复杂，连接关系需简化。因此，可通过Altair公司的前处理软件Hypermesh进行网格划分，整车网格单元尺寸为45mm，单元类型为等边三角形单元，对细微缝隙或结构覆盖部分，可在边界处共用网格单元节点，并检查网格单元质量，不能存在重叠或无连接的孤立三角单元等，处理好的整车网格模型如图2所示。

图2 整车网格模型

为了使天线模型能够用于预测其发射性能，在FEKO软件进行计算求解前，需要对低频发射天线的网格质量进行优化处理。考虑到天线结构中铁氧体的最短边较小，天线模型网格划分的线网格和体网格尺寸均为2mm。另外，为了避免大地及天线近距离处金属件对天线发射性能影响，还需对大地及金属件进行建模，并定义好各结构件的材料属性，模型中整车及金属附属件部分材料统一设置为良导体PEC属性。

其中，整体模型采用矩量法（MOM，Method of Moments）求解。矩量法是将算子方程化为矩阵方程，适用于求解电磁场微分方程，又可用于积分方程。对于算子方程：

式中，x为未知等效流或场，b为已知激励源，将x用一组基函数展开。

其中，ji为基函数，ai为基函数的系数。选一个检验函数tj，分别与算子方程(1)等号的两边求内积，得到如下方程：

将式(3)进一步整理得：

将式(4)写成矩阵的形式为：

通过直接法或迭代法求解矩阵方程，从而可得未知等效流或场的解。

由于磁铁芯的尺寸远小于天线波长，属于电小结构类型，而FEKO里的VEP（MOM with volume equivalent principle）算法是矩量法的扩展，可以从较低的频率开始计算，有较好的稳定性和收敛性，因此，磁铁芯采用VEP算法进行求解。建立的完整分析模型如图3所示。

图3 整体分析模型

4 天线发射性能分析

FEKO中基于MOM+VEP求解算法，用端口表征天线实际的馈电点，PEPS低频天线采用wire端口类型，并在天线馈电点添加18V的电压激励，模拟输入天线的驱动电压。同时，根据天线的实际阻抗参数，在端口处匹配3.3nF电容和54ohm电阻串联电路。以整车模型的几何中心为原点，建立整车坐标系，长方体的近场求解区域大小为3.5m×3.0m×2.0m，并在经三个方向均以每30mm的距离分布一个计算点进行求解。定义后的近场求解域如图4所示。

图4 近场求解域示意图

在基于125kHz频率求解后，根据上文定义的磁场强度阈值为边界，观察获得的PEPS天线在不同高度上辐射有效范围的变化情况。大于磁场强度阈值的区域采用红色显示，如图5所示。

图5 PEPS天线近场辐射范围图

从图5中可知，大部分能量被约束在车辆内部，磁场分布以天线中心为辐射源，向外较为均匀地扩散。车辆内部左右方向的磁场分布较为对称，在靠近天线中心位置的磁场强度等值线分布最为密集，在整车左后位置存在一定的溢出磁场强度范围，意味着在此处磁场能量虽衰减相对较快，但仍有不必要的磁场泄露。从图6磁场分布3D显示可以更加清楚地看到泄露的整体情况。

图6 天线磁场分布3D图

5 天线辐射性能对比分析

采用同样的分析方法，将天线附件的金属件去除，对比分析天线附件的金属件对天线发射性能的影响，经计算，获得新方案的PEPS天线磁场强度有效辐射范围如图7所示。

图7 新方案PEPS天线近场辐射范围图

从分析结果看，在去除天线旁的金属件后，在三个同样高度处的磁场分布几乎相同，说明天线附近的金属附件对天线的性能影响不大，其中3D结果分布如图8所示。

图8 新方案天线磁场分布3D图

经量化后，两种分析方案的PEPS天线有效覆盖范围在高度0.74m处最大为1.21m，最大溢出泄露分别为0.36m和0.35m，无金属附件时，磁场溢出范围略有减小，但两种方案的溢出范围均较大。具体两种方案的对比见表1。

表1 两种布置方案结果对比

6 结语

从工程开发的角度，本文首先建立了完整的分析模型，介绍了PEPS天线基于整车条件下的仿真分析方法，并对比分析了天线附近的金属件对PEPS天线辐射性能的影响。分析结果表明，小结构金属对PEPS天线磁场覆盖范围和外溢距离影响不大，但天线工作性能在整车环境下未能达到设计标准，还需后续进一步优化布置方案。与此同时，对于天线等电小结构，采用MOM+VEP的求解算法进行PEPS天线性能预测是高效可靠的技术方法，该方法能够可快速评估天线的工作性能，减少开发成本以及后期失效的风险。