關(guān)于車載天線電場(chǎng)分布測(cè)量與計(jì)算的比較研究

　　目前，越來越多的車載天線廣泛地應(yīng)用于各種車輛。在獲得令人滿意的通訊性能的同時(shí)，確保車載發(fā)射機(jī)造成的系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)間的電磁兼容問題不危及乘車者和公眾的安全也很有必要。

　　在原形成型之前的基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思中，要評(píng)估已裝天線的性能特征和可能的電磁兼容危害與車載發(fā)射裝置的關(guān)聯(lián)性，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)周期的早期階段實(shí)施改變要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)得多。此外，車輛環(huán)境的諧振特性會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生較大的空間場(chǎng)變化，而由于車輛的幾何復(fù)雜性，場(chǎng)傳感器不容易接近許多部位。因此實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)才能得以實(shí)施，但是這樣成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，還有可能達(dá)不到預(yù)想的所有效果。

　　整車電磁仿真是解決該問題的可行性方案，它也為擺脫實(shí)驗(yàn)方法的局限、實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)分析提供了可能性。但是在我們自信地運(yùn)用該模型之前，有必要確定計(jì)算結(jié)果的可靠性。本文略述了對(duì)于安裝在車頂后部或擋泥板后部的單級(jí)天線電場(chǎng)模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)的研究。雖然我們對(duì)于車輛外部和內(nèi)部場(chǎng)分布的研究同樣感興趣，但外部場(chǎng)的測(cè)量比內(nèi)部場(chǎng)的測(cè)量具有更大的可行性。不過內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域透過車窗縫隙密切相連，因此對(duì)車輛外部的近場(chǎng)驗(yàn)證將為內(nèi)場(chǎng)分布預(yù)測(cè)提供可靠的依據(jù)。

　　車輛仿真與測(cè)量

　　這里所述的仿真由MIRA電氣公司實(shí)施，而測(cè)量則由另一個(gè)機(jī)構(gòu)(英國(guó)，QinetiQ)通過使用與仿真中相同型號(hào)的車輛來完成。盡管測(cè)量和仿真最初是各自獨(dú)立進(jìn)行的，但隨后由MIRA公司對(duì)兩套數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析以達(dá)到驗(yàn)證的目的。

　　車輛仿真采用全波TLM(傳輸線矩陣)和三維場(chǎng)建模技術(shù)，該技術(shù)是建立在來源于車輛CAD數(shù)據(jù)的模型基礎(chǔ)上的。一般說來，TLM被認(rèn)為是一種時(shí)域技術(shù)，它適用于獲得電磁兼容應(yīng)用所需的寬頻結(jié)果（一般大于或等于1GHz）。但是在此應(yīng)用中，我們關(guān)心的頻段受到發(fā)射機(jī)頻率（大約400MHz）的限制。盡管如此，TLM對(duì)于模擬像車輛這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍不失為一種很好的選擇，因?yàn)樗ǔＪ且环N基于矩形單元的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與非結(jié)構(gòu)、基于表面的結(jié)構(gòu)如邊界元法（矩量法和有限元法）相比，直角網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)在于它相對(duì)來說節(jié)省存儲(chǔ)所需空間。因此，使用TLM模型，包括需要描述外部散射和內(nèi)部諧振的車輛的內(nèi)外表面都不會(huì)受到內(nèi)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(yùn)用于電磁兼容模型中。TLM模型和FDTD模型的主要缺點(diǎn)是因?yàn)橹苯蔷W(wǎng)格結(jié)構(gòu)需要用梯形來描述曲面，這樣會(huì)影響精度；但在許多實(shí)際應(yīng)用中，這種近似值方法是可以接受的。

　　車輛的幾何結(jié)構(gòu)用分級(jí)網(wǎng)格來進(jìn)行離散，以減小計(jì)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)令人滿意的可代表車輛幾何特點(diǎn)和預(yù)期場(chǎng)梯度的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，車輛的幾何結(jié)構(gòu)分成每邊2.5cm的立方單元網(wǎng)格，而外部區(qū)域的網(wǎng)格尺度增大到5cm。后者提供了這項(xiàng)研究中對(duì)于所研究的頻點(diǎn)而言為足夠的離散化。模型構(gòu)造僅限于主要的金屬部件，因?yàn)椋郧暗膶?shí)驗(yàn)研究表明，其它材料的部件對(duì)1GHz以下內(nèi)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(xì)線天線安裝在后車頂或后擋泥板）用天線的描述既豐富了基本的車輛幾何結(jié)構(gòu)，也增加了車輛的電磁有效特征，如車窗加熱器。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)車輛模型可以評(píng)估乘車者的場(chǎng)輻射問題，盡管本文描述的是一種空車狀態(tài)。

圖1.安裝了車頂天線和后窗加熱器、集成了乘客模型的TLM車輛模型例子

　　我們計(jì)算了環(huán)繞車輛和周圍空間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度（遠(yuǎn)達(dá)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(jì)算結(jié)果。計(jì)算數(shù)據(jù)被規(guī)格化成與測(cè)量相同的功率水平，以便與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。

　　這個(gè)測(cè)量中使用了一個(gè)機(jī)器手臂在車輛周圍的規(guī)則網(wǎng)格放置等方向的場(chǎng)探針，來采樣車載天線在不同水平面上產(chǎn)生的電場(chǎng)分布。測(cè)量是在室內(nèi)進(jìn)行的，對(duì)于場(chǎng)測(cè)量來說，估計(jì)的不確定度為±3dB。在一個(gè)9m長(zhǎng)、6m寬的區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

　　應(yīng)該注意的是，雖然在測(cè)量中天線的位置與仿真的情況相類似，但他們不完全一樣。仿真的車頂和擋泥板的天線比測(cè)量的靠前6.25cm，而且安裝在擋泥板的天線在橫向上也有15.25cm的不一致。這些不同是因?yàn)闇y(cè)量和仿真任務(wù)是各自獨(dú)立進(jìn)行而引起的，并且在任務(wù)完成后，只是僅僅將數(shù)據(jù)匯總在一起。

　　二維場(chǎng)分布的定性比較

　　對(duì)于諸如某一點(diǎn)的頻率響應(yīng)或沿著一維路徑的場(chǎng)分布這樣的一維參數(shù)來說，在圖中同時(shí)畫出兩個(gè)（或多個(gè)）結(jié)果進(jìn)行比較是很容易的事情。在將模型數(shù)據(jù)與測(cè)量值相比較時(shí)，通過畫出基于不確定度的測(cè)量值上下限來顯示不確定度的幅值是可能的。這個(gè)方法給出了測(cè)量和計(jì)算結(jié)果關(guān)聯(lián)程度的直觀印象，其中包括測(cè)量結(jié)果中不確定度的影響（在仿真中估計(jì)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(cè)量中不確定度的顯著性，這個(gè)圖是一個(gè)安裝了車頂天線、水平面1m高度情況下二維數(shù)據(jù)的縱切面圖。

　　圖2中顯示的片段表明，所有的計(jì)算數(shù)據(jù)都在估計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)，只有虛線在測(cè)試范圍的中間區(qū)域超過測(cè)量值的上限。對(duì)于測(cè)量和仿真數(shù)據(jù)的匹配來說，這個(gè)結(jié)果看上去是非常令人滿意的。可惜，這種簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)不足以完成我們這里全部二維數(shù)據(jù)的研究。

　　圖2.包含不確定度的一維計(jì)算和測(cè)量數(shù)據(jù)

　　通過從計(jì)算結(jié)果和測(cè)量不確定度，估算出的最接近可能的測(cè)量值，可以得出一個(gè)類似于圖2的比較結(jié)果，能夠反映測(cè)量不確定度。對(duì)于二維情況，每次測(cè)量的上限(Ujk)和下限(Ljk)與計(jì)算結(jié)果(Cjk)的比較推導(dǎo)出調(diào)整過的測(cè)量數(shù)據(jù)(Ajk)，由下面的式子決定：

　　圖3畫出了這個(gè)過程的簡(jiǎn)單的一維數(shù)據(jù)，它顯示出調(diào)整后的測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

圖3.一維計(jì)算和測(cè)量數(shù)據(jù)，以及反映測(cè)量不確定度的已調(diào)整數(shù)據(jù)

　　這個(gè)方法的目的是不強(qiáng)調(diào)那些落在測(cè)量的不確定度期望范圍內(nèi)的差異，而是對(duì)一些超過期望的不確定度的差異做更切合實(shí)際的評(píng)估。這樣，雖然這個(gè)分析是由模擬結(jié)果主導(dǎo)的，但目的是建立測(cè)量的不確定度的描述方法，當(dāng)定性地評(píng)價(jià)二維模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)，它應(yīng)該與一維圖中展現(xiàn)不確定度的效果相類似，并且仍應(yīng)該是視覺表達(dá)方式。

圖4.安裝了車頂天線情況下，在0.5m高處計(jì)算數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)的比較

　　圖4比較了從測(cè)量和仿真中獲取的二維場(chǎng)圖，它使用的是最差的車頂天線的數(shù)據(jù)（離地0.5m高的水平面獲得的）。在這些圖中，通過減少仿真的采樣數(shù)量和在粗糙的測(cè)量結(jié)果間內(nèi)插數(shù)據(jù)，使仿真和測(cè)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(yīng)該注意的是，除了在2m高處（如車頂以上的平面）以外，中間一塊2m長(zhǎng)和5m寬的區(qū)域（被汽車占用）是沒有可用測(cè)量數(shù)據(jù)的。因此，盡管我們可以獲得整個(gè)車輛的內(nèi)部和外部區(qū)域的仿真數(shù)據(jù)，但在高度低于2m的這個(gè)區(qū)域是沒有數(shù)據(jù)顯示的。

　　從圖4(a)給出的原始測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出鏡面反射的跡象，這可能源于測(cè)試環(huán)境的限制或探針的位置調(diào)節(jié)器的散射。然而，這些影響沒有體現(xiàn)在圖4(b)畫出的計(jì)算結(jié)果上，這是因?yàn)槟Ｐ筒捎玫氖且粋€(gè)理想的半消音環(huán)境的邊界條件，而且沒有機(jī)械探針位置調(diào)節(jié)器存在。

圖5.安裝了車頂天線情況下，在0.5m高處計(jì)算數(shù)據(jù)和調(diào)整后測(cè)量數(shù)據(jù)的比較

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

圖6.安裝了擋泥板天線情況下，在2m高處計(jì)算數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)的比較

圖7.安裝了擋泥板天線情況下，在2m高處計(jì)算數(shù)據(jù)和調(diào)整后測(cè)量數(shù)據(jù)的比較

　　圖6和7顯示了擋泥板天線的相應(yīng)結(jié)果，這是在水平高度為2m情況下的數(shù)據(jù)。由于這個(gè)高度高于車頂，測(cè)量數(shù)據(jù)在整個(gè)平面都是有效的。在模型和測(cè)量里，裝于擋泥板的天線在位置上有較大的不一致。盡管如此，它的結(jié)果從定性上來說仍然與車頂天線的情況類似。

　　二維場(chǎng)分布的定量比較

　　二維場(chǎng)分布的視覺比較給出了測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)相關(guān)程度的定性結(jié)果。然而，簡(jiǎn)單的定量測(cè)量仍然是需要的，當(dāng)評(píng)估大量的這種數(shù)據(jù)時(shí)，可以減輕“信息過載”問題。最顯而易見完成這個(gè)任務(wù)的方法是考慮各組數(shù)據(jù)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(yīng)用受到了限制是因?yàn)樗茈y擴(kuò)展用于刻畫三維空間場(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)比例來概括這些差異可能更有用。這種分析可以實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)分布的定量比較，甚至可以擴(kuò)展用于包含頻率范圍的數(shù)據(jù)。

表1計(jì)算數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)的之間的差異

　　表1概括了計(jì)算結(jié)果和原始測(cè)量值之間的差異，它詳細(xì)地給出了在±XdB限內(nèi)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，車頂天線有超過83%、擋泥板天線有超過69%的計(jì)算結(jié)果和原始測(cè)量值之間的差異小于±3dB測(cè)量不確定度。表2概括了運(yùn)用式(1)調(diào)整后測(cè)量值的相應(yīng)結(jié)果，這個(gè)公式闡述了超過±3dB測(cè)量不確定度的不同處理。

表2計(jì)算數(shù)據(jù)和調(diào)整后測(cè)量數(shù)據(jù)間的差異

　　在不同的平面上，車頂天線的原始測(cè)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(dá)83.6–86.2%。相應(yīng)地，擋泥板天線有25.1–29.4%的點(diǎn)小與±1dB，69.5–74.9%的小于±3dB。從線性的角度來看，車頂天線的計(jì)算場(chǎng)平均有不到11.5%比例的點(diǎn)超過估值范圍，擋泥板天線則不到22.2%。

　　考慮±3dB測(cè)量不確定度之后，車頂天線的全部四種情況的平均相對(duì)差小于0.14dB，擋泥板天線則小于0.3dB。從線性的角度來看，車頂天線的計(jì)算場(chǎng)平均有不到2%的比例超過估值范圍，擋泥板天線則不到4.6%。

因此，僅僅建立在幅差上的簡(jiǎn)單測(cè)量一致表明車頂天線具有更好的結(jié)果。這個(gè)位置的天線仿真值和測(cè)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(cè)量和仿真不一致的情況下，擋泥板天線的結(jié)果仍被認(rèn)為很好，因?yàn)樵诳紤]測(cè)量不確定度后，其差值小于±3dB的點(diǎn)超過95%。

　　結(jié)論

　　出于驗(yàn)證目的而實(shí)施的數(shù)據(jù)比較會(huì)十分困難，是因?yàn)槲覀儠?huì)更多地遇到像某一點(diǎn)的頻率響應(yīng)這樣的一維數(shù)據(jù)，特別是在響應(yīng)特性密集的情況下。然而，當(dāng)運(yùn)用不確定度已被估定的數(shù)據(jù)時(shí)，在更高維度上的驗(yàn)證更具挑戰(zhàn)。定量分析方法實(shí)質(zhì)上是為了避免當(dāng)分析大量數(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)方法可以用于概括代表衡量不同樣點(diǎn)和不同構(gòu)形的結(jié)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(shù)據(jù)，但它們也可以用于描述多頻點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)的比較。

　　這種定量對(duì)比是非常有價(jià)值的，但在數(shù)據(jù)分離的能力可能不夠。基于視覺觀察的定性比較在識(shí)別可能污染測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲和其它寄生信號(hào)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(jì)算結(jié)果和測(cè)量的不確定度的處理，它不強(qiáng)調(diào)那些落在測(cè)量的不確定度范圍內(nèi)的差異，只是更注重對(duì)那些超過不確定度的差異的合理估計(jì)。雖然這個(gè)分析是由模擬結(jié)果主導(dǎo)的，但目的是建立測(cè)量的不確定度的描述方法，當(dāng)定性地評(píng)價(jià)二維模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)，它應(yīng)該與一維圖中展現(xiàn)不確定度的效果相類似，并且仍應(yīng)該是視覺表達(dá)方式。

　　在考慮場(chǎng)測(cè)量的不確定度后，車頂天線的差異小于±1dB的點(diǎn)超過93.2–95.3%（根據(jù)不同的測(cè)量平面），小于±3dB的點(diǎn)超過98.5–99.8%。相應(yīng)地，安裝于擋泥板的天線修正測(cè)量數(shù)據(jù)82.4–88.6%的點(diǎn)在±1dB以內(nèi)，94.8–98.3%在±3dB以內(nèi)。

　　另外一種對(duì)比方法是適用于二維數(shù)據(jù)的基于廣義“特征選擇驗(yàn)證”的方法(FSV)，它也可以應(yīng)用在這里的數(shù)據(jù)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?yàn)樵谀承?yīng)用中這些要素中的一個(gè)可能不是我們關(guān)注的對(duì)象。其更進(jìn)一步的目的是將比較結(jié)果按自然語言的描述分類，這種描述與代表FSV差異測(cè)量的數(shù)字尺度相關(guān)，它基于人類分析家對(duì)于大量樣值比較的反應(yīng)。該數(shù)據(jù)的分析采用了二維的FSV方法，表明測(cè)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(jié)果與已指出的仿真和測(cè)量系統(tǒng)的不一致符合得很好。