FEKO引领智能网联汽车天线的创新设计

背景信息

智能网联汽车——又被称为“互联网汽车”，代表着汽车行业的未来发展方向，其设计思想是利用智能感知和控制，让乘车旅行更加安全，路线规划更加合理，同时引进新一代的互联网娱乐系统，让旅行更加充满乐趣。根据中国汽车工程学会（SAE-China）的研究表明，智能网联汽车技术（V2X）的广泛应用可使普通道路的交通效率提高30%以上。根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的官方数据显示，车辆与车辆通信技术（V2V）能预知即将发生的交通事故并对潜在危险发出实时预警，它的广泛应用能帮助避免高达81％轻微碰撞事故。

未来车联网将存在多种通信需求，涉及多种协议或标准，包括：车辆间通讯的DSRC（一种Wifi升级技术）或LTE-V标准、定位用的GPS协议、与互联网通信的WiMax或WLAN标准。这些标准或协议所采用的频段、抗干扰方式和传输距离等各不相同。这就对车联网的接收设备——尤其是车载天线——提出了非常高的要求。然而，现有的车载天线系统已经沿用多年，普遍存在频带单一、传输距离短、抗干扰能力弱和布局复杂等问题，将无法满足未来智能网联汽车在主动安全、智能规划和娱乐方面的需求。因此，开发新型的车载天线已经成为汽车行业的共识。

技术挑战

对于工作于不同频段的车联网通信系统，采用多个传统的硬质天线既不利于系统的兼容也不利于车体的空间布局。在华东交通大学刘海文教授的指导下，刘凡所在团队结合未来车联网通信发展需求，在国内外天线小型化技术、共形天线和多频带天线的研究基础上设计了一款极具创新价值的新型车载天线——五角星形状的柔性四频带天线。该天线如下图所示：

天线实物机械柔性展示

该款天线具备以下重要特点：小型化、抗干扰能力强、支持多频带，同时其形状极为轻薄，被称为与车辆外观可以无缝匹配的“共形天线”。该发明具备良好的应用前景。

然而，这一创新仍然需要克服电磁兼容的问题。天线安装在车体上后，其辐射性能会受到汽车车身影响发生改变，由于天线的工作频段不同、安装位置不同，受车体的影响也不同。所以，刘凡团队还必须通过仿真技术解决天线在汽车整车布置位置的优化问题，这本身也是非常巨大的技术挑战。

解决方案

为了得到天线的最佳布局位置，刘凡所在团队在Altair公司技术团队的帮助下，使用Altair公司的三维电磁场仿真软件FEKO进行1:1车体模型与天线的联合仿真。利用FEKO 软件在电磁仿真分析领域尤其是在大尺寸问题仿真方面的优势，通过建立天线与汽车的耦合仿真模型（如图2），并通过布局优化分析，最终找到最佳的天线安装位置，实现了天线的性能最优，为其满足车联网通信的需求打下了良好的基础。

利用FEKO建立的天线与整车仿真模型

具体过程包括，选取了四个最常见部位进行天线布局，分别是：（a） 后风窗处，（b） 内后视镜，（c） 鲨鱼鳍，（d） 车顶位置。在频率2.4GHz处的辐射方向图，如图3所示。由于车体的复杂结构对天线产生的影响，可以观察到天线共形后辐射方向图变得十分不均匀，出现了很多毛刺状的旁瓣。最后该设计通过平均增益这一指标对车载天线在车体不同位置的电磁辐射性能进行评估和比较。

天线共形于不同位置时2.4GHz的辐射方向图

最终通过仔细分析，确定安装于后风窗位置，天线的性能更加适合车联网通信系统的应用。

成就

刘凡及其团队的创新车载天线设计方案，其本身具备卓越的性能——小尺寸、支持多频带、抗干扰能力强且可与车身共形等，同时又在很大程度上解决了布局这一工程实际问题，因此获得了工程界的一致重视。该项发明在由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联共同主办的全国性的大学生课外学术实践竞赛——“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛中，通过三轮激烈的角逐最终获得江西赛区一等奖殊荣，并获得全国总决赛的参赛资格。未来，刘凡先生及其团队也在考虑将此款创新设计天线推向实际应用。

团队介绍

华东交通大学射频通信与传感器网络江西省重点实验室以射频电子学与传感器网络研究为背景，致力于射频、微波电路的基础理论与设计技术研究。在实验室主任刘海文教授的指导下，该团队提出具有小型化、多频带、强抗干扰能力、可共形、易于批量生产的柔性天线，旨在解决现今车载天线设计中频带单一，信号覆盖范围小，抗干扰能力弱等问题。该天线在保障车联网智能调度，车载娱乐等方面具有重要意义。

“FEKO软件是一款功能强大的三维全波电磁仿真软件，其灵活的求解设置，可提供任意结构的电磁场分析。在Altair公司专业、充满热情的技术团队支持下，我们的团队成功完成了对车载天线的设计创新，并为该设计的工程应用创造了条件。这一非常实用的创新设计是我们团队赢得“挑战杯”一等奖的关键。整个设计过程完全由仿真驱动，印证了Altair公司 ’仿真驱动设计 ’的理念！”华东交通大学刘凡诉说到。