车载通讯天线增益方向图的仿真与测试

1、引言

       鲨鱼鳍中的通信天线是汽车与外界通信的重要零部件，它的性能直接关系到整车通信系统的质量好坏。从而影响客户的用车舒适度及安全性。其中，增益方向图是评判天线重要的指标。根据方向图定义，方向图是指距离天线固定距离处远场强度的幅值与环绕天线的方位关系。就增益的定义而言，增益G=辐射效率η*方向性D，增益方向图指的是在天线远场位置处天线增益与环绕天线的方位关系。故而能反映出每一个方位角的辐射损耗及效率的情况。能够给工程师提供对天线性能是否优良很清晰的判断依据。

2、建模仿真

       2.1 网格划分

       由于整车模型的复杂性，划分整车模型的网格之前，将模型的非金属件部分去掉。保留整车金属部分，然后选择导入HyperMesh，按照八分之一波长的大小划分整车模型的网格。对于天线模型，直接导入FEKO软件中划分网格，最终得到总的网格量为150205个。

       2.2 仿真设置

       车身金属设置为PEC材料，天线的基板介电常数为4.4。天线设置两个端口，分别是主天线端口和副天线端口。信号设置为正弦波。频率覆盖800MHz-2.7GHz的范围。由于网格量太大，而且频率较高，选择最合适的计算方法为FEKO的多层快速多极子算法，CPU计算线程为3个，计算机消耗内存18.386G/线程。计算结果选择远场方向图，该方向图的精度为2度。

3 仿真与测试结果

       通过8.579小时(3个频点)的计算，得到方向图结果如图1.a所示，为2G/3G/4G通信天线的仿真3D方向图。同时为了验证仿真的可靠性，搭建如图1.b所示的车载天线测试平台进行方向图的测试。统计仿真与测试结果，得到如图2、3、4、5、6，分别为2G/3G/4G通信天线的主要频点900MHz,1850MHz,2450MHz在仰角为0度、30度时仿真的主极化方向图和测试的主极化方向图。图中虚线为仿真结果，实线为测试结果，单位皆为dBi。

4 分析与结论

       为了雷达图直观定性分析，用有源天线测试方向图的最大增益来归一化对应仿真方向图，从图中可以看出，仿真和测试的结果吻合度非常高。为了定量的分析仿真与测试的一致性，按照本公司提供的一致性计算方法，需要图中仿真与测试的差值不大于3。如表1所示，仿真与测试的差值皆不大于3。说明仿真与测试的一致性很好。从客户需求的角度出发，测试的增益方向图中低于-15dB的点存在失效的风险。统计发现所有采样点的增益都大于本公司要求的-15dB。进而说明车载天线性完全满足客户需求。