關(guān)于車(chē)載天線(xiàn)電場(chǎng)分布測量與計算的比較研究

　　目前，越來(lái)越多的車(chē)載天線(xiàn)廣泛地應用于各種車(chē)輛。在獲得令人滿(mǎn)意的通訊性能的同時(shí)，確保車(chē)載發(fā)射機造成的系統內部或系統間的電磁兼容問(wèn)題不危及乘車(chē)者和公眾的安全也很有必要。

　　在原形成型之前的基本系統設計構思中，要評估已裝天線(xiàn)的性能特征和可能的電磁兼容危害與車(chē)載發(fā)射裝置的關(guān)聯(lián)性，因為在設計周期的早期階段實(shí)施改變要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟得多。此外，車(chē)輛環(huán)境的諧振特性會(huì )導致其內部產(chǎn)生較大的空間場(chǎng)變化，而由于車(chē)輛的幾何復雜性，場(chǎng)傳感器不容易接近許多部位。因此實(shí)驗測定性能很大程度上受到實(shí)際條件的限制。只有做出相關(guān)硬件，實(shí)驗才能得以實(shí)施，但是這樣成本高、耗時(shí)長(cháng)，還有可能達不到預想的所有效果。

　　整車(chē)電磁仿真是解決該問(wèn)題的可行性方案，它也為擺脫實(shí)驗方法的局限、實(shí)現這樣的數據分析提供了可能性。但是在我們自信地運用該模型之前，有必要確定計算結果的可靠性。本文略述了對于安裝在車(chē)頂后部或擋泥板后部的單級天線(xiàn)電場(chǎng)模型驗證數據的研究。雖然我們對于車(chē)輛外部和內部場(chǎng)分布的研究同樣感興趣，但外部場(chǎng)的測量比內部場(chǎng)的測量具有更大的可行性。不過(guò)內部區域和外部區域透過(guò)車(chē)窗縫隙密切相連，因此對車(chē)輛外部的近場(chǎng)驗證將為內場(chǎng)分布預測提供可靠的依據。

　　車(chē)輛仿真與測量

　　這里所述的仿真由MIRA電氣公司實(shí)施，而測量則由另一個(gè)機構(英國，QinetiQ)通過(guò)使用與仿真中相同型號的車(chē)輛來(lái)完成。盡管測量和仿真最初是各自獨立進(jìn)行的，但隨后由MIRA公司對兩套數據進(jìn)行了比較分析以達到驗證的目的。

　　車(chē)輛仿真采用全波TLM(傳輸線(xiàn)矩陣)和三維場(chǎng)建模技術(shù)，該技術(shù)是建立在來(lái)源于車(chē)輛CAD數據的模型基礎上的。一般說(shuō)來(lái)，TLM被認為是一種時(shí)域技術(shù)，它適用于獲得電磁兼容應用所需的寬頻結果（一般大于或等于1GHz）。但是在此應用中，我們關(guān)心的頻段受到發(fā)射機頻率（大約400MHz）的限制。盡管如此，TLM對于模擬像車(chē)輛這樣的復雜結構仍不失為一種很好的選擇，因為它通常是一種基于矩形單元的網(wǎng)狀結構。與非結構、基于表面的結構如邊界元法（矩量法和有限元法）相比，直角網(wǎng)格的優(yōu)勢在于它相對來(lái)說(shuō)節省存儲所需空間。因此，使用TLM模型，包括需要描述外部散射和內部諧振的車(chē)輛的內外表面都不會(huì )受到內存需求的影響。TLM技術(shù)與大家所熟知的FDTD（有限差分時(shí)域）法有些相似，由于這些原因，這種方法被廣泛地運用于電磁兼容模型中。TLM模型和FDTD模型的主要缺點(diǎn)是因為直角網(wǎng)格結構需要用梯形來(lái)描述曲面，這樣會(huì )影響精度；但在許多實(shí)際應用中，這種近似值方法是可以接受的。

　　車(chē)輛的幾何結構用分級網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行離散，以減小計算量，同時(shí)確保在所研究的頻點(diǎn)獲得可靠傳播并建立一個(gè)令人滿(mǎn)意的可代表車(chē)輛幾何特點(diǎn)和預期場(chǎng)梯度的結構。在這種情況下，車(chē)輛的幾何結構分成每邊2.5cm的立方單元網(wǎng)格，而外部區域的網(wǎng)格尺度增大到5cm。后者提供了這項研究中對于所研究的頻點(diǎn)而言為足夠的離散化。模型構造僅限于主要的金屬部件，因為，以前的實(shí)驗研究表明，其它材料的部件對1GHz以下內部場(chǎng)耦合影響很小。

　　為使這個(gè)模型完整，在研究中（模擬簡(jiǎn)單的細線(xiàn)天線(xiàn)安裝在后車(chē)頂或后擋泥板）用天線(xiàn)的描述既豐富了基本的車(chē)輛幾何結構，也增加了車(chē)輛的電磁有效特征，如車(chē)窗加熱器。圖1給出了這樣一個(gè)模型的例子：這個(gè)插圖還包括了“人的模擬”，用這個(gè)車(chē)輛模型可以評估乘車(chē)者的場(chǎng)輻射問(wèn)題，盡管本文描述的是一種空車(chē)狀態(tài)。

圖1.安裝了車(chē)頂天線(xiàn)和后窗加熱器、集成了乘客模型的TLM車(chē)輛模型例子

　　我們計算了環(huán)繞車(chē)輛和周?chē)臻g的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強度（遠達10m的距離），提取了垂直空間中高度為0.5m、1m、1.5m和2m的電場(chǎng)計算結果。計算數據被規格化成與測量相同的功率水平，以便與實(shí)驗數據相比較。

　　這個(gè)測量中使用了一個(gè)機器手臂在車(chē)輛周?chē)囊巹t網(wǎng)格放置等方向的場(chǎng)探針，來(lái)采樣車(chē)載天線(xiàn)在不同水平面上產(chǎn)生的電場(chǎng)分布。測量是在室內進(jìn)行的，對于場(chǎng)測量來(lái)說(shuō)，估計的不確定度為±3dB。在一個(gè)9m長(cháng)、6m寬的區域內，數據點(diǎn)的間隔是25cm，在水平面高度為0.5m、1m、1.5m和2m情況下獲取數據。

　　應該注意的是，雖然在測量中天線(xiàn)的位置與仿真的情況相類(lèi)似，但他們不完全一樣。仿真的車(chē)頂和擋泥板的天線(xiàn)比測量的靠前6.25cm，而且安裝在擋泥板的天線(xiàn)在橫向上也有15.25cm的不一致。這些不同是因為測量和仿真任務(wù)是各自獨立進(jìn)行而引起的，并且在任務(wù)完成后，只是僅僅將數據匯總在一起。

　　二維場(chǎng)分布的定性比較

　　對于諸如某一點(diǎn)的頻率響應或沿著(zhù)一維路徑的場(chǎng)分布這樣的一維參數來(lái)說(shuō)，在圖中同時(shí)畫(huà)出兩個(gè)（或多個(gè)）結果進(jìn)行比較是很容易的事情。在將模型數據與測量值相比較時(shí)，通過(guò)畫(huà)出基于不確定度的測量值上下限來(lái)顯示不確定度的幅值是可能的。這個(gè)方法給出了測量和計算結果關(guān)聯(lián)程度的直觀(guān)印象，其中包括測量結果中不確定度的影響（在仿真中估計不確定度的方法是今后進(jìn)一步研究的課題）。例如，在圖2中顯示出了在這個(gè)場(chǎng)合的電場(chǎng)測量中不確定度的顯著(zhù)性，這個(gè)圖是一個(gè)安裝了車(chē)頂天線(xiàn)、水平面1m高度情況下二維數據的縱切面圖。

　　圖2中顯示的片段表明，所有的計算數據都在估計的測量范圍內，只有虛線(xiàn)在測試范圍的中間區域超過(guò)測量值的上限。對于測量和仿真數據的匹配來(lái)說(shuō)，這個(gè)結果看上去是非常令人滿(mǎn)意的?？上?，這種簡(jiǎn)單的認識不足以完成我們這里全部二維數據的研究。

　　圖2.包含不確定度的一維計算和測量數據

　　通過(guò)從計算結果和測量不確定度，估算出的最接近可能的測量值，可以得出一個(gè)類(lèi)似于圖2的比較結果，能夠反映測量不確定度。對于二維情況，每次測量的上限(Ujk)和下限(Ljk)與計算結果(Cjk)的比較推導出調整過(guò)的測量數據(Ajk)，由下面的式子決定：

　　圖3畫(huà)出了這個(gè)過(guò)程的簡(jiǎn)單的一維數據，它顯示出調整后的測量數據和計算數據以及原始數據之間的關(guān)系。

圖3.一維計算和測量數據，以及反映測量不確定度的已調整數據

　　這個(gè)方法的目的是不強調那些落在測量的不確定度期望范圍內的差異，而是對一些超過(guò)期望的不確定度的差異做更切合實(shí)際的評估。這樣，雖然這個(gè)分析是由模擬結果主導的，但目的是建立測量的不確定度的描述方法，當定性地評價(jià)二維模型驗證數據時(shí)，它應該與一維圖中展現不確定度的效果相類(lèi)似，并且仍應該是視覺(jué)表達方式。

圖4.安裝了車(chē)頂天線(xiàn)情況下，在0.5m高處計算數據和原始測量數據的比較

　　圖4比較了從測量和仿真中獲取的二維場(chǎng)圖，它使用的是最差的車(chē)頂天線(xiàn)的數據（離地0.5m高的水平面獲得的）。在這些圖中，通過(guò)減少仿真的采樣數量和在粗糙的測量結果間內插數據，使仿真和測量的空間采樣間隔相同（采用一個(gè)假定的200×200點(diǎn)的網(wǎng)格）。應該注意的是，除了在2m高處（如車(chē)頂以上的平面）以外，中間一塊2m長(cháng)和5m寬的區域（被汽車(chē)占用）是沒(méi)有可用測量數據的。因此，盡管我們可以獲得整個(gè)車(chē)輛的內部和外部區域的仿真數據，但在高度低于2m的這個(gè)區域是沒(méi)有數據顯示的。

　　從圖4(a)給出的原始測量數據可以看出鏡面反射的跡象，這可能源于測試環(huán)境的限制或探針的位置調節器的散射。然而，這些影響沒(méi)有體現在圖4(b)畫(huà)出的計算結果上，這是因為模型采用的是一個(gè)理想的半消音環(huán)境的邊界條件，而且沒(méi)有機械探針位置調節器存在。

圖5.安裝了車(chē)頂天線(xiàn)情況下，在0.5m高處計算數據和調整后測量數據的比較

　　運用公式(1)描述的方法進(jìn)行處理后的結果如圖5所示，它畫(huà)出了考慮測量不確定度之后已調整的測量數據效果。圖5(b)給出了已調整的測量數據，它看上去與圖5(a)的計算結果十分吻合，如同期望的那樣，絕大多數計算數據都落在測量的估計范圍內。仍存在的差異主要是局部的特性，這又歸結到是人為的、非理想的測量環(huán)境造成的。

圖6.安裝了擋泥板天線(xiàn)情況下，在2m高處計算數據和原始測量數據的比較

圖7.安裝了擋泥板天線(xiàn)情況下，在2m高處計算數據和調整后測量數據的比較

　　圖6和7顯示了擋泥板天線(xiàn)的相應結果，這是在水平高度為2m情況下的數據。由于這個(gè)高度高于車(chē)頂，測量數據在整個(gè)平面都是有效的。在模型和測量里，裝于擋泥板的天線(xiàn)在位置上有較大的不一致。盡管如此，它的結果從定性上來(lái)說(shuō)仍然與車(chē)頂天線(xiàn)的情況類(lèi)似。

　　二維場(chǎng)分布的定量比較

　　二維場(chǎng)分布的視覺(jué)比較給出了測量和計算數據相關(guān)程度的定性結果。然而，簡(jiǎn)單的定量測量仍然是需要的，當評估大量的這種數據時(shí)，可以減輕“信息過(guò)載”問(wèn)題。最顯而易見(jiàn)完成這個(gè)任務(wù)的方法是考慮各組數據的幅值差異。雖然更多的二維圖可以用這種方式得到，但這種方法的應用受到了限制是因為它很難擴展用于刻畫(huà)三維空間場(chǎng)分布。因此，用簡(jiǎn)單的柱狀圖描述不同水平面的采樣點(diǎn)比例來(lái)概括這些差異可能更有用。這種分析可以實(shí)現三維場(chǎng)分布的定量比較，甚至可以擴展用于包含頻率范圍的數據。

表1計算數據和原始測量數據的之間的差異

　　表1概括了計算結果和原始測量值之間的差異，它詳細地給出了在±XdB限內采樣點(diǎn)的比例，其中X代表1、3、5、7或9dB。從這個(gè)表中可以看出，車(chē)頂天線(xiàn)有超過(guò)83%、擋泥板天線(xiàn)有超過(guò)69%的計算結果和原始測量值之間的差異小于±3dB測量不確定度。表2概括了運用式(1)調整后測量值的相應結果，這個(gè)公式闡述了超過(guò)±3dB測量不確定度的不同處理。

表2計算數據和調整后測量數據間的差異

　　在不同的平面上，車(chē)頂天線(xiàn)的原始測量值與仿真值之差小于±1dB的點(diǎn)有35.1–37.5%，小于±3dB的點(diǎn)多達83.6–86.2%。相應地，擋泥板天線(xiàn)有25.1–29.4%的點(diǎn)小與±1dB，69.5–74.9%的小于±3dB。從線(xiàn)性的角度來(lái)看，車(chē)頂天線(xiàn)的計算場(chǎng)平均有不到11.5%比例的點(diǎn)超過(guò)估值范圍，擋泥板天線(xiàn)則不到22.2%。

　　考慮±3dB測量不確定度之后，車(chē)頂天線(xiàn)的全部四種情況的平均相對差小于0.14dB，擋泥板天線(xiàn)則小于0.3dB。從線(xiàn)性的角度來(lái)看，車(chē)頂天線(xiàn)的計算場(chǎng)平均有不到2%的比例超過(guò)估值范圍，擋泥板天線(xiàn)則不到4.6%。

因此，僅僅建立在幅差上的簡(jiǎn)單測量一致表明車(chē)頂天線(xiàn)具有更好的結果。這個(gè)位置的天線(xiàn)仿真值和測量值比安裝在擋泥板上的情況更接近。盡管如此，在給定的測量和仿真不一致的情況下，擋泥板天線(xiàn)的結果仍被認為很好，因為在考慮測量不確定度后，其差值小于±3dB的點(diǎn)超過(guò)95%。

　　結論

　　出于驗證目的而實(shí)施的數據比較會(huì )十分困難，是因為我們會(huì )更多地遇到像某一點(diǎn)的頻率響應這樣的一維數據，特別是在響應特性密集的情況下。然而，當運用不確定度已被估定的數據時(shí)，在更高維度上的驗證更具挑戰。定量分析方法實(shí)質(zhì)上是為了避免當分析大量數據時(shí)會(huì )很容易發(fā)生的潛在的“信息超載”。這里的研究表明，簡(jiǎn)單的統計方法可以用于概括代表衡量不同樣點(diǎn)和不同構形的結果間的關(guān)聯(lián)程度。雖然這些方法通常用于單頻點(diǎn)的二維數據，但它們也可以用于描述多頻點(diǎn)的三維數據的比較。

　　這種定量對比是非常有價(jià)值的，但在數據分離的能力可能不夠?；谝曈X(jué)觀(guān)察的定性比較在識別可能污染測量數據的噪聲和其它寄生信號方面能起重要作用。如果使用純粹的定量比較，這個(gè)特點(diǎn)很容易丟掉。這篇文章中描述的方法用于計算結果和測量的不確定度的處理，它不強調那些落在測量的不確定度范圍內的差異，只是更注重對那些超過(guò)不確定度的差異的合理估計。雖然這個(gè)分析是由模擬結果主導的，但目的是建立測量的不確定度的描述方法，當定性地評價(jià)二維模型驗證數據時(shí)，它應該與一維圖中展現不確定度的效果相類(lèi)似，并且仍應該是視覺(jué)表達方式。

　　在考慮場(chǎng)測量的不確定度后，車(chē)頂天線(xiàn)的差異小于±1dB的點(diǎn)超過(guò)93.2–95.3%（根據不同的測量平面），小于±3dB的點(diǎn)超過(guò)98.5–99.8%。相應地，安裝于擋泥板的天線(xiàn)修正測量數據82.4–88.6%的點(diǎn)在±1dB以?xún)龋?4.8–98.3%在±3dB以?xún)取?/P>

　　另外一種對比方法是適用于二維數據的基于廣義“特征選擇驗證”的方法(FSV)，它也可以應用在這里的數據分析上。FSV方法就是要分離和量化與特征和幅值相關(guān)的差異，因為在某些應用中這些要素中的一個(gè)可能不是我們關(guān)注的對象。其更進(jìn)一步的目的是將比較結果按自然語(yǔ)言的描述分類(lèi)，這種描述與代表FSV差異測量的數字尺度相關(guān)，它基于人類(lèi)分析家對于大量樣值比較的反應。該數據的分析采用了二維的FSV方法，表明測量值與仿真值之間的差異實(shí)際上是由位置特征的不同決定的，而不是由幅值決定的。這個(gè)結果與已指出的仿真和測量系統的不一致符合得很好。