REPS中射频天线布置设计的仿真和测试

张　林，李国庆，朱　剑（上海汽车乘用车技术中心 （南京）电器部，江苏 南京　210061）



REPS中射频天线布置设计的仿真和测试

张林，李国庆，朱剑
（上海汽车乘用车技术中心 （南京）电器部，江苏 南京210061）

摘要：重点介绍REPS（Remote entry&Passive start，遥控进入，无钥匙起动）的内部天线的布置设计，它是REPS能否实现的关键技术。天线的布置设计借助计算机仿真软件FEKO，并通过实车测试加以验证，极大地提高了REPS功能的稳定性和可靠性，并缩短了开发周期。

关键词：REPS；虚拟仿真；FEKO；汽车网格模型

近年来随着汽车射频技术的发展，射频产品在车辆上应用得越来越广泛，在中低端车型上出现了一种能够遥控进入和锁车、主动无钥匙起动的系统解决方案REPS（遥控进入，主动起动功能），为顾客带来极大的感知体验。同时，因其成本低廉，以自动挡车型为例，它的成本不仅没有增加，反而降低30多元。越来越多的汽车开始设计和开发这一新功能，希望能尽快将相关车型投放市场。针对REPS功能，其关键技术是如何通过一根天线感应智能钥匙，它的设计开发决定了REPS的成败。本文通过实践，在设计阶段引入了计算机虚拟仿真技术，建立汽车网格模型，使用FEKO电磁仿真技术，指导了天线的布置设计，并在实际整车测试中得以验证，避免车辆在制造完成后，再去匹配验证，盲目寻找天线的位置。不仅保证了设计的可靠性，节约了设计成本，同时也极大缩短了开发周期。

1　基本原理

REPS基本原理如图1所示。当驾驶员需要进入车辆时，首先用遥控钥匙将车辆解锁，解除整车防盗后，才能打开车门，进入车辆内部。车内的天线迅速发出激励信号，一旦遥控钥匙在车内接收到低频场的激励信号，并使遥控钥匙内部的低频场感应到的电压达到门限值后，遥控钥匙将发出高频认证信号给车身控制器，车身控制器认证合法后，将解除车辆发动机一级防盗，此时驾驶员可以按一键起动开关，起动车辆。

另外，驾驶员坐在车里没有按动遥控，而是直接按一键起动开关想要起动车辆时，车内的天线迅速发出激励信号，去感应智能钥匙，如果智能钥匙在车内，此时驾驶员按一键起动开关，也可顺利起动车辆。

图1REPS基本原理

2　关键技术指标

天线设计的成功与失败，取决于关键技术指标，这些关键指标体现的是智能钥匙只能在车内被有效感应。关键指标如下：①车内部天线辐射的磁场强度大于1.5mA／m，该区域覆盖有效，小于则失效；②车内部的天线辐射磁场强度等于1.5 mA／m区域溢出玻璃，

不能超过20mm；③车内部的天线谐振频率等于125±2 kHz；④遥控高频接收大于-105dBm。

3　虚拟仿真分析

采用FEKO计算机仿真工具，对REPS高低频天线接口电路、天线参数、车内安装位置等输入建立仿真模型，仿真REPS天线的有效工作性能。通过仿真结果，分析优化天线在车内的布置以及低频天线标定电流，降低装车后天线检测失效的风险。

3.1仿真思路

1）建立REPS内部天线布置到整车后的辐射发射模型。

2）建立REPS天线探测区域场强数据。

3）建立仿真智能钥匙LF（Low Frequency低频）信号的接收性能。

4）仿真车身控制器 RF（Radio Frequency射频）信号的接收性能。

5）调整PEPS天线布置位置仿真系统接收性能。

3.2仿真输入条件

1）整车白车身数模。

2）REPS低频天线相关参数及天线匹配电路参数，比如磁芯尺寸、等效阻抗 、绕线匝数。

3）智能钥匙LF天线接收电路。

4）智能钥匙PCBA（Print Circuit Board+Assembly）模型及RF天线接口电路。

5）车身控制器PCBA模型及RF天线接收电路。

3.3仿真过程

1）建立白车身模型将现有的白车身数模导入仿真系统中，修复模型的小孔洞，删除模型的厚度，检查模型面之间的电连续性，采用平面波激励，对汽车各个部分网格运行求解，之后再整体仿真。图2为白车身仿真模型。

图2　白车身仿真模型

2）建立REPS低频天线模型首先定义全参数化模型，将REPS低频天线相关参数及天线匹配电路参数导入系统中，天线的模型有2个特点：频率低、材料的磁导率高，因此需要选择低频稳定求解器，磁芯采用体等效方法。图3为天线仿真模型和磁场分布。

图3　天线仿真模型和磁场分布

3）REPS天线与车体联合分析因天线的磁场存在对称性，因此天线安装位置初步确定在车辆中通道处，再考虑便于安装，初步设定仪表板空调面板下部，以及中通道副手处 （处在车内中心处）。

探测关注区域的磁场强度，经过软件处理可以直观观察天线的有效覆盖范围。

仪表板空调面板下部天线仿真结果，车内部天线覆盖的磁场强度阈值为：1.5mA／m。仿真结果中的红色区域的磁场强度大于阈值，表示该区域是有效覆盖，见图4。

图4　仪表板空调面板下部天线磁场分布

在将天线驱动电流降至397 mA时，红色有效区域依然溢出车辆前挡风玻璃20 mm以上，同时车辆内部后排座椅已经出现非有效区域，因此仪表板空调面板下部布置天线将无法接收。图5为仪表板空调面板下部天线磁场分布 （X=0）。

图5　优化前仪表板空调面板下部天线磁场分布 （X=0）

中通道天线仿真结果，经过对天线电流的调节，以及布置位置的精确调整，确定了REPS天线的驱动电流设置在563mA，位置确定为中通道杯托处，可使智能钥匙感应的红色有效区域能有效覆盖车内，有效溢出玻璃也小于20mm。如图6所示。

图6　优化后仪表板空调面板下部天线磁场分布 （X=0）

在REPS天线选取中控台上位置和最佳驱动电流，还要进行高频天线系统分析，通过仿真智能钥匙在几个常见位置被有效激励后，高频遥控接收的功率必须大于-105dBm。

智能钥匙天线放置在中控台上，在低频有效激励后，天线隔离度为-56dB，RKE（Remoter key，遥控钥匙）发射功率为-14 dBm时，高频遥控接收的功率是-70dBm，大于接收机灵敏度，可以有效接收 。如图7所示。

同样，在将智能钥匙天线放置副驾驶座椅以及后排座椅上，高频遥控接收的功率分别为-64.84 dBm和 -74.87dBm，也均大于接收机灵敏度，可以有效接收。根据以上虚拟仿真，REPS天线放置在中通道杯托处，驱动电流为563 mA，可满足REPS关键技术参数的设定，即REPS天线在125 kHz低频辐射的磁场强度在车内均大于1.5mA／m，磁场强度等于1.5mA／m区域溢出玻璃，不能超过20mm，遥控高频接收大于-105dBm。

图7　智能钥匙高频天线系统分析

4　实际验证

针对虚拟计算的结果，在常温下进行实际车辆的验证。在车辆上，将REPS天线置于中通道的背面，设定低频频率为125 kHz，REPS天线开始起振，天线的峰峰值电流设定为563mA。根据智能钥匙仅在低频辐射的磁场强度在车内均大于1.5mA／m才能感应，并发出高频信号，对仿真结果进行测量。图8为整车智能钥匙感应测量。

按照这一测量方式，选取最易溢出的全车玻璃上50多个典型位置进行验证性测量。图9为前挡风玻璃测量。最终结论与仿真结果基本一致，未发现有效感应区域超过20mm，证明仿真的结果与实际的偏差不大。

图9　前挡风玻璃测量点

5　结论

本文建立的汽车网格模型，通过FEKO电磁仿真技术，可以在设计阶段预测汽车上的低频发射天线受车体的影响，分析REPS系统至关重要的低频发射天线在车体内磁场分布特点，最终按照确定的技术关键参数，确定了最佳的REPS天线放置的位置和驱动电流，仿真结果与以往车型的工程经验有很好的一致性。这

些分析数据向工程师提供了保证REPS系统正常、稳定工作的有效建议。另，这套仿真技术也可以用于目前新的汽车电磁技术的仿真，比如无钥匙进入系统、车辆迎宾技术仿真设计，目前正处在模型的建立中。

参考文献：

［1］Nxp Semiconductors［Z］.PCF7900 DATE SHEET.2012：1.0.

［2］FEKO培训教程［Z］.2013：1.0.

［3］Infineon technologies［Z］.TDA5210 DATA SHEET.2001：3.0.

［4］陈永甫.无线电遥控入门［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［5］肖文光，张宏财，李浩，等.汽车胎压监测系统发射模块设计［J］.电子产品世界，2011（4）：50-51，59.

附：名词解释

1）白车身：本文所指代车辆上未经过电泳、喷漆的车身结构，包括：四门两盖、前结构、后结构、底板，以及顶棚。

2）体等效方法：又称VEP法，它是一种仿真中对于介质的分析方法。将介质分解成小的实体进行分析后，再进行整个介质的分析。它有别于面等效方法，收敛性好，低频稳定性好，尤其对非均匀体分析更精准。

3）天线隔离度：是指一个天线发射信号，通过另一个天线接收的信号与该天线信号的比值，单位是dB。

（编辑杨景）

中图分类号：U463.6

文献标识码：A

文章编号：1003－8639（2016）05－0044－03

收稿日期：2015-12-30；修回日期：2016-04-01

Layout Design Simulate and Test of RF Antenna in REPS

ZHANG Lin，LI Guo-qing，ZHU Jian
（SAIC Motor Technical Center（NanJing）Electrical Department，Nanjing 210061，China）

Abstract：This paper mainly introduces the REPS（Remote entry&Passive start）antenna layout design，which is the key point in the realization of REPS.The antenna layout is designed by the PC simulating software FEKO，and the result was verified through the real vehicle test.This design tremendously improves the REPS stability and reliability，and also shortens the REPS development schedule.

Key words：simulation；FEKO；vehicle gridding model