车体表面电流的电磁兼容性仿真分析

谢 斌 史鹏涛 王 波 张 强 刘 洁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着对车辆性能要求的不断提高，越来越多的电子设备被安置于车辆之上，例如通讯天线、卫星定位系统(GPRS)、雷达导航系统、自动控制系统等。车辆上的电子设备系统更加复杂化、多样化。因此，如何改进改善车辆的电磁兼容性也变得越来越重要。近年来国内外的学者都对车辆天线系统的电磁兼容性有了更加深入和广泛的研究[1-8]。

在复杂电磁环境中，车辆会受到来自辐射场的干扰，这些不同频率、不同极化方式的电磁波会在车辆的金属面上感应出大量表面电流。因此，研究车体表面电流的分布对于车体上天线及其它电子设备的布局具有重要意义，降低其威胁可以进一步提高车辆天线及电子设备的电磁兼容性以及车辆在复杂电磁环境中的适应能力。

本文主要通过时域有限元法，采用CST软件对车体的表面电流的分布情况进行了仿真分析，分析其受其距离、极化方式、频率及电场强度变化的影响，为车辆表面的天线及电子设备的合理布局提供了依据。

1 简化电磁模型

利用CAD软件对车辆进行预处理及优化，再将优化后的车辆模型重新导入到CST电磁仿真软件中。这里设置了7个探针点，各个探针点分别代表了各个放置的功能不同的天线。1号位置和2号位置放置为鞭天线；3号位置和5号位置放置卫星通信天线；4号位置和7号位置是放置可实现组合导航功能的组合导航天线，两个孔径一个发射孔径一个接收孔径；6号位置放置宽带毫米波综合孔径天线，主要实现远程探测功能要求。

图1即是简化后含有车体表面探针分布的电磁模型。

图1 简化后含有车体表面探针分布的电磁模型

2 波形的选取

辐射波形选择均匀平面波，假设均匀平面波沿+z方向传播，电场强度只有x方向的坐标分量Ex(z)，由于无界介质中不存在反射波，所以正弦均匀平面电磁波的复场量可以表示为

(1)

(2)

其中E0=E0mejφ0为z=0处的复振幅。式(2)对应的瞬时值表达式为

(3)

(4)

其中E0m是实常数，表示电场强度的振幅值；ωt称为时间相位；kz称为空间相位。它们的振幅之间有一定的比值，此比值取决于介质的介电常数和磁导率。图2表示在t=0时刻电场强度矢量在空间沿+z轴的分布(初始相位φ0=0)。

由式(4)可知，复玻印亭矢量为

(5)

3 表面电流分析

将来波方向设置为正对车辆正前方(因篇幅有限，本文只分析车辆正前方的来波方向)，分别给出相应频率范围内各个监测探针的时域频域信号以及车体表面电流。通过控制其他变量不变，仿真分析距离、极化方式、频率和来波电场强度对车体表面电流的效应。

3.1 车体表面电流受距离的影响

将来波设置成距离车体5 m和10 m处电场强度200 V/m频率为1 GHz的线极化波，如图2、图3和图4分别是时域变化情况、频域变化情况和表面电流分布的变化情况。

图2 时域变化情况

图3 频域变化情况

图4 表面电流分布变化情况

对比上图发现距离不同的情况下，距离越近外来骚扰源影响越严重，表1为距离不同所对应峰值电流。

表1 不同距离来波下电流峰值

3.2 车体表面电流受极化方式的影响

将来波设置成距离车体5 m处电场强度200 V/m、频率为1 GHz的线极化波和左旋圆极化波，如图5、图6和图7分别是时域变化情况、频域变化情况和表面电流分布的变化情况。

图5 时域变化情况

图6 频域变化情况

图7 表面电流分布变化情况

对比图7可得极化方式的不同车体表面电流分布也有所不同，电流分布会根据旋向偏转，峰值电流分布也发生改变，这也是车载天线采用多极化天线的优势所在。表2为极化方式不同峰值电流有所改变。

表2 不同极化来波下电流峰值

3.3 车体表面电流受频率的影响

将来波设置成距离车体5 m处电场强度200 V/m、频率为1 GHz、1.5 GHz和2 GHz线极化波，如图8、图9和图10分别是时域变化情况、频域变化情况和表面电流分布的变化情况。

对比可得随着频率的递增峰值电流波动微弱，5 m处电场强度200 V/m的线极化来波对车体表面电流影响：随着频率增长，表面电流随之微弱增长，可由表3清晰看出。

图9 频域变化情况

图10 表面电流分布变化情况

表3 不同频率来波下电流峰值

3.4 车体表面电流受电场强度的影响

将来波设置成距离车体5 m处电场强度200 V/m、400 V/m和600 V/m频率为1 GHz的线极化波，如图11、图12和图13分别是时域变化情况、频域变化情况和表面电流分布的变化情况。

对比可清楚看到外来辐射源电压幅值对表面电流效应影响明显，由表4可清晰看出，随着来波电场强度增大，峰值电流增长明显。

表4 不同电场强度来波下电流峰值

图11 时域变化情况

图12 频域变化情况

图13 表面电流分布的变化情况

4 结束语

本文对车体的表面电流的分布情况进行了仿真分析，分析其在不同距离、不同极化方式、不同频率及不同电场强度的影响下的分布规律和特点，对工程实际具有一定的指导意义。

通过对车体表面电流分析，从各个不同影响因素而得出对应车体表面电流影响规律，除此之外，车载天线优化布局、天线系统衰减器的改进、雷达前端电路系统优化，甚至于车辆整体的再设计等方面都在改善车辆整体的电磁微波环境。