毫米波雷达整车辐射抗干扰仿真研究

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随着大量先进电子技术运用于车辆，如何从电磁兼容（EMC）角度提升车辆电子产品的可靠性和安全性，是当前面临的重要问题 。 在汽车电磁兼容性开发过程中，主要分为零部件开发和整车开发两大部分 ：零部件开发通常由零部件供应商完成并提交合格报告 ；

而整车的测试由主机厂主导及测试。 在整车辐射抗干扰测试中，主机厂常碰到某些电子产品零部件抗干扰测试合格，而整车在同等级强度的测试中失效的现象。从 EMC 角度分析，整车车身是个带孔洞的腔体，这种结构在其固有谐振频点的电磁谐振对电磁场有加强效应，这是导致整车级抗干扰失效的主要原因。图 1 是某车型在实验室环境下采集到的车身场强分布，在 20~ 220 MHz 频段存在较多谐振区域。

针对汽车电磁谐振问题，S. Frei 等利用仿真软件进行电磁兼容性仿真，提出将不同预处理和数值计算方法集成起来解决大型系统 EMC 计算问题。同样，毫米波雷达电磁抗干扰开发过程中也会遇到电磁谐振问题，腔体谐振是一种固有物理现象，整车抗干扰设计只能减弱谐振区场强或者避开谐振高场强区域。

本文以毫米波雷达为研究对象，采用有限积分法，选取 20~220 MHz频段内的一个谐振点进行仿真数值分析，通过分析车辆复杂结构中的共振频率，避免将毫米波雷达安装在易发生电磁谐振的位置，同时进行实车测试来验证仿真的准确性。

1  整车辐射抗干扰仿真

1.1  仿真分析流程

首先建立整车抗干扰测试环境模型和整车模型，并在施加干扰情况下，通过仿真计算得到车内的场强分布。考虑到金属车体对电磁波的影响，对复杂的电磁问题进行抽象化，再经过三维数据处理和简化车体模型，建立仿真模型。具体仿真流程如图 2 所示。

在仿真软件环境下建立的测试天线模型、实验室测试环境，需要进行标定。整车模型要根据整车的车身三维数据，取出大尺寸金属件。最后把天线模型和整车模型在仿真软件中进行集成。通过仿真获得毫米波雷达安装位置的不同频段的场强分布数据，利用场强探头观测法找出该安装位置的谐振频率点，再利用平面分析法在场强分布平面上观测某频率点下的场强分布情况，对毫米波雷达安装位置进行风险评估。通过详细分析整车仿真数据，判断毫米波雷达安装位置是否存在谐振区域。

1.2  整车仿真模型建立

整车模型建立需要经过三维数据处理、网格划分、模型搭建环节。三维处理选取大尺寸金属件，网格处理时采用“缝合”办法完成过渡。 网格划分采用软件对每个子部件的网格进行处理，再逐一合成总体模型。组合后会产生组件和组件之间的连接过渡问题，采用合并节点和 RCL 等效电路来完成连接。最终得到图 3 的整车网格模型。

1.3  对数周期天线模型建立及校准

1.3.1 天线模型

20~220 MHz 的发射天线使用对数周期天线。对数周期天线建模主要关注每对偶极子的长度 和偶极子之间的间距 ， 和 均为等比数列，即

建模时首先对标实际测试天线，通过测量获得最长偶极子的长度 和任意偶极子的长度 ，并根据等比数列公式计算获得比例系数 η，从而可以计算算获得每一个偶极子的长度 ，测量获得第 1、第 2 对偶极子之间的间距 ，利用比例系数 η，可计算获得各对偶极子的间距 。最终获得图 4 对数周期天线模型。

1.3.2 天线标定

正式仿真之前，对数周期天线模型需要进行仿真环境下的标定，标定出每个测试频率的场强及功率值。不同频点所需的功率不同，通常采用四点标定法校准所有测试点功率。在 CST 软件中，校准模型和实际测试模型保持一致，四个标定探头的离地高度分别是 1.2 m、 1.0 m、0.8 m、0.5 m，对数周期天线和探头的水平距离与实车测试距离一致，同为 2.5 m，标定的场强为 100 V/m。

1.3.3 仿真参数设置

软件仿真时的关键参数有车身模型材质、求解频率、边界、时域求解器设定等。求解器的设置本质就是仿真精度和求解时间的平衡，过低的设置精度可能导致结果不准甚至不收敛 ；反之，会导致计算时间过长、耗费较大且对计算机的配置要求很高。根据行业经验， -30 dB 的仿真精度既能满足精度要求，也能较快得到最优解。相关参数设置见表 1。

1.4  仿真结果

整车辐射抗干扰仿真分析方法有两种，一是场强探头观测法，可以通过在关注点位置设置监测探头，输出该点的场强曲线 ；二是平面观测法，可以设置在模型的某个位置高度上进行平面仿真，输出平面内的场强 分布。

首先在毫米波雷达实车安装位置点设置探头，观测这个点的场强频域曲线，找出频率范围内的谐振点。仿真设置以单个探测点方式进行。图 5 为毫米波雷达拟安装位置仿真的场强分布。

基于场强为 100 V/m 的整车抗干扰测试水平的场强风险评估，按照经验，整车抗干扰仿真的场强风险等级评估为： 场强＜ 40 dB（V/m），视为无风险；40 dB（V/m）＜场强＜ 50 dB（V/m），视为低风险；场强＞ 50 dB（V/m），视为较大风险。从图 5 仿真结果可以看出毫米波雷达安装位置在 180 MHz 存在一个突峰。

通过平面观测法，获得该安装位置上整个平面内 180 MHz 的场强分布情况。毫米波雷达安装在车辆前保险杠中间位置，为了更好的评估毫米波雷达安装位置的场强分布风险，需要分析毫米波雷达安装位置垂直和水平切面上的场强分布情况。通过对仿真软件的参数设置，毫米波雷达安装高度位置水平和垂直切面 180 MHz 时的场强平面分布如图 6 所示。

从图 6 可以看出，该区域的电场强度大部分在 40 dB（V/m）（即 100 V/m）左右，满足零部件测试的场强等级，因此可以初步认为雷达安装在这个位置受电磁谐振干扰的风险较低。

为验证仿真精度及可靠性，需要 对仿真结果和实际整车测试值进行对比分析，进而验证仿真结论的正 确性。

2.1  整车辐射抗干扰测试系统

整车测试执行 ISO 11451-2-2015《道路车辆 来自窄带辐射电磁能的电气骚扰的车辆试验方法 第 2 部分 :车外辐射源》，测试布置如图 7 所示。 车辆放置于暗室内转台上，天线布置在车辆正前方，天线中心与车辆中心距离在测试计划中规定。天线距离周边墙壁大于 1.5 m，距离吸波材料大于 0.5 m，天线最小离地高度大于 0.25 m。天线具备一定的辐射范围，应保证车辆在辐射范围之内。车辆前方不应有遮挡天线发射的金属物体。

整车辐射抗干扰测试设备还包含信号发生器、功率计模块、功率检测探头、开关控制器主机、控制电脑和功放控制软件。

2.2  整车辐射抗干扰场强标定

为达到 ISO 11451-2-2015 设定的场强，需要在测试前对不包含车辆场景下的场强进行标定并达到要求值。 标定时，使用场强探头在规定的测试点检测该点场强，同时标定功放所需的功率。辐射抗干扰测试和标定涉及到车辆中心参考点的定义，参考点位于车辆中轴线上，水平方向上距离前轴线（0.2±0.2） m，离地高度（1±0.05） m。天线中心距离车辆中心参考点位置设定为 2.5 m，天线下倾角调为 15°。

2.3  整车辐射抗干扰测试

按照 ISO 11451-2-2015 整车辐射抗干扰测试布置要求，车辆放置于 10 m 法暗室内转毂上。 场强探头在实车上的布置位置和仿真的位置尽量接近，经过三轮整车辐射抗干扰测试，得到毫米波雷达所在位置不同频点的场强值，仿真和实际测试结果的对比如图 8 所示。

通过实际车辆测试与仿真数据的对比分析，可以发现，虽然毫米波雷达安装位置处的仿真与实际测试结果存在一定差异，但两者的总体趋势较接近，并且大部分频段的场强分布和实际测试值较吻合，验证了所述仿真方法的可靠性。

从电磁理论原理分析，整车车身的结构必然导致电磁腔体谐振问题，因此需要相应手段和分析方法来指导设计开发。 毫米波雷达电磁辐射抗干扰开发过程中，运用仿真软件对整车辐射抗干扰进行仿真的研究方法，可以预测电子控制器安装位置的电磁兼容性风险，大大提高毫米波雷达的开发效率，避免整车测试时才发现谐振引起的失效，造成整改时间和成本的上升。由于整车上的控制器安装在实车不同位置，故该方法同样适用于其它控制器的开发，有助于提前找出谐振区、规避开发风险。