Simulationsmodelle für Kfz-Antennen zur Bewertung der Stör-aussendungDipl.-Ing. (FH) Birgit Huneke, AUDI AG, IngolstadtDr.-Ing. Stephan Frei, AUDI AG, Ingolstadt

Kurzfassung

In der Fahrzeugentwicklung sind sowohl in der EMV als auch in der Antennenentwicklung Berechnungsver-fahren für Fahrzeugantennen notwendig, um Systemoptimierungen in Bezug auf Empfang und Entstörung un-abhängig von Fahrzeugprototypen durchführen zu können.

In diesem Beitrag liegt der Schwerpunkt auf der Berechnung von Scheibenantennen, die in der heutigen Fahr-zeugantennentechnologie eine entscheidende Rolle spielen. Die Modellanalyse konzentriert sich auf den UKW-Bereich und umfasst Nah- wie Fernfelduntersuchungen. Es werden unterschiedliche Ersatzmodelle zur Schei-benantennennachbildung in der Momentenmethode vorgestellt und Simulationsergebnisse in der Gegenüber-stellung mit Messergebnissen diskutiert. Grenzen der Methoden und weitere Entwicklungsfelder werden aufge-zeigt.

1 Einführung

Während die Berechnung von Kurz-, Mittel- undLangwellenantennen im Fahrzeug bereits mit großerGenauigkeit möglich ist [1], sind zuverlässige Simu-lationen im UKW-Bereich problematisch.

UKW-Antennen sind in heutigen Kraftfahrzeugenzumeist als Scheibenantennen in Heck-, Front- oderSeitenscheiben ausgeführt. Häufig kommen Kombi-nationen dieser Varianten zum Einsatz.Ziel ist es, für UKW-Scheibenantennen Modelle zufinden, die das Nah- und auch das Fernfeldverhaltender Antenne mit so hoher Genauigkeit nachbilden,dass sie sowohl für Störaussendungsuntersuchungenals auch für die Bewertung der Richtcharakteristikeiner Antenne Verwendung finden können.

Der UKW-Bereich stellt aufgrund der angestrebtenSimulationsanwendungen und der gegenüber anderenFrequenzbereichen wellenlängenbedingten besondersstarken Wechselwirkungen zwischen Antenne, Fahr-zeug und Umfeld hohe Ansprüche an Simulation wieMessung.

In diesem Beitrag werden der Eingangsreflexions-faktor (S11) sowie das Richtdiagramm einer Antennein Form des Betrags der elektrischen Feldstärke alsBewertungsparameter für Messung wie Simulationherangezogen.

Die Gegenüberstellung von Mess- und Simulations-ergebnissen ermöglicht den direkten Vergleich und

eine Bewertung der zu erreichenden Genauigkeitenmit den zur Verfügung stehenden Modellen. Mögli-che Fehlerquellen in Messung und Simulation wer-den diskutiert und Optimierungen sowie weitereHandlungsfelder vorgestellt.

2 Methode

Als Simulationsumgebung kommt das auf der Mo-mentenmethode basierende Feldberechnungs-programm EMC Studio von EMCoS zum Einsatz.Sämtliche Messungen werden mit einem vektoriellenNetzwerkanalysator durchgeführt.

In diesen Untersuchungen wird ausschließlich mitder in EMC Studio implementierten Momenten-methode, die auf der EFIE (Electrical Field IntegralEquation) basiert, gearbeitet. Metallische Strukturenwurden für die Berechnung als ideal elektrisch leitfä-hig betrachtet. Wesentliches Ziel ist es, geeigneteModelle für die Nachbildung von dielektrischen Ma-terialien z.B. für die Berechnung von Scheibenanten-nen zu finden.

Die Rechnungen wurden meist auf einem Linux-PC-Cluster mit 32 CPUs (3 GHz Taktfrequenz) und 16GB Arbeitsspeicher durchgeführt.

Die Berechnung von Antennen im Kraftfahrzeug er-fordert einen Kompromiss zwischen einer detaillier-ten Diskretisierung der Geometrie und der zur Verfü-gung stehenden Rechenkapazität.

2.1 Modelle für die Antennensimulation

Bei Simulationen komplexer Systeme ist es notwen-dig, das Berechnungsmodell auf die wesentlichen Ei-genschaften zu beschränken. Ansonsten ist eineRechnung trotz sehr leistungsfähiger Cluster-Computer nicht möglich. Für Antennenberechnungenist die äußere Karosserie besonders wichtig und mussmöglichst genau modelliert werden, während Detailsim Fahrzeuginneren einen geringeren Einfluss ha-ben. Für den Vergleich zur Messung wurde zur einfa-cheren Durchführung eine Rohkarosse verwendet, diemit einer Scheibe mit Antennenstruktur ausgestattetwurde.

Die Modellumsetzung beschränkt sich also auf dieNachbildung der leitenden Flächen der Karosseriemit ihren Türen und Scharnieren, die Nachbildungvon Streifenleiterstrukturen auf einer Glasscheibeund der Nachbildung des Dielektrikums der Fahr-zeugscheiben.

2.1.1 Karosseriemodelle

Bild 1 Modell der Karosserie

Die Karosserie wird als ideal elektrisch leitfähigeStruktur im Simulationsmodell nachgebildet undweitestgehend auf ihre Außenhaut reduziert. DasModell besteht aus 12167 Dreiecken, was einer rela-tiv groben Diskretisierung entspricht. Mehr Elementewürden die Rechenzeit in unakzeptable Bereiche an-steigen lassen. Die Bereiche um die Front- und Heck-scheibe sind besonders genau diskretisiert.

2.1.2 Äquivalenzmodelle für Scheibenanten-nen

ε0,µ0

σ = ∞

R

ε,µ

r Pσ = ∞

ε0,µ0

εe,µe

a br P

x

y

(a) (b)

ε0,µ0

σ = ∞

R

ε,µ

r Pσ = ∞

R

ε,µ

r Pσ = ∞

ε0,µ0

εe,µe

a br P

σ = ∞

ε0,µ0

εe,µe

a br P

x

y

x

y

(a) (b)

Bild 2 Antenne mit beliebigem Querschnitt (a) undeine äquivalente Antenne zirkularen Querschnitts (b)

Nach Popovic [2] ist es möglich, eine dünn be-schichtete Antennenstruktur im freien Raum mit be-liebigem konstanten Querschnitt in eine Antenne zir-kularen Querschnitts zu überführen. Notwendige Be-dingung ist, dass die äquivalente Struktur in Bezugauf einen entfernten Referenzleiter die Äquivalenz-bedingung gleicher Kapazität C und gleicher Induk-tivität L erfüllt. Die Antenneneingangsimpedanz so-wie das Fernfeldverhalten beider Antennen ist dannals gleichwertig anzusehen.

Auch wenn die Randbedingungen (dünne Beschich-tung und Struktur im freien Raum) bei Fahrzeugan-tennen nur näherungsweise erfüllt sind, wird dieserAnsatz für Fahrzeugantennen in der Literatur be-schrieben [3].

w w

d

ε=εrε0h

ww ww

d

ε=εrε0h

Bild 3 Koplanare Streifenleitung als Ersatzmodellzur Berechnung von Scheibenantennen

Ein einfacher, näherungsweiser Lösungsansatz zurBerechnung der Kapazität C besteht darin, einekoplanare Streifenleitung auf einem homogenenDielektrikum im freien Raum heranzuziehen.

Die Kapazität dieser koplanaren Streifenleitung aufeinem homogenen Dielektrikum lässt sich berechnendurch:

[ ]∫=

ββ

πε

dGßF

C a2)()(

'

Wobei gilt:

)cosh(2)sinh()1(

))sinh()cosh(()( 2 hh

hhF

rr

rr

βεβεββεεβ

+++=

=2

sin2

sin4

)(dw

wG

βββ

β

Der innere Radius des zirkularen Ersatzleiters wirdbestimmt zu:

4

wa =

Für den äußeren Radius des Dielektrikums gilt:

−

−= arr

Ca

d

ab 'ln

10πε

εε

Der neu berechnete zirkulare Antennenleiter mitdielektrischer Beschichtung lässt sich als zusätzlicheImpedanz in die Segmente der Momentenmethodeintegrieren.

Zur Berechnung der Scheibenparameter, wird analogzu [3] für z.B. VSG-Scheiben ein homogenes Er-satzmedium bestimmt (Bild 4).

εL, dL

ε2, d2

ε1, d1

εe, de

(a) (b)

εL, dL

ε2, d2

ε1, d1

εL, dL

ε2, d2

ε1, d1

εL, dL

ε2, d2

ε1, d1

εe, deεe, de

(a) (b)

Bild 4 Geschichtete Scheibenstruktur (a) und ho-mogenes Ersatzmedium (b)

Die Dicke des homogenen Ersatzmediums ergibt sichzu:

∑=

=L

lle dd

1

Die Dielektrizitätszahl εe des homogenen Ersatzme-diums berechnet sich zu:

∑=

= L

l l

l

ee d

d

1 ε

ε

2.1.3 Nachbildung des Glases durch Kapazi-täten

Frontscheibenbereich

Karosserie

Antenne Kondensator

Frontscheibenbereich

Karosserie

Antenne Kondensator

Bild 5 Nachbildung von Antennenstrukturen in Ka-rosserienähe durch Kapazitäten

Insbesondere in der Nachbildung von Strukturen inKarosserienähe, deren Umfeld sich stark von dem imErsatzmodell in Kapitel 2.1.2 vorausgesetzten unter-scheidet, liegt der Ansatz nahe, auf die Nachbildungdes Dielektrikums als zirkulare dielektrische Be-schichtung zu verzichten und die Leiterstrukturen inreiner Segmentform auszuführen.

Um die Einflüsse von Dielektrikum und Karosseriedennoch nachzubilden, werden in einem im Bereichvon einem Zehntel der Wellenlänge liegenden Ab-stand zusätzliche Kapazitäten in radiusminimierteVerbindungssegmente zwischen Antennenstrukturund Karosserie eingebracht.

Die Bestimmung der Kapazitäten erfolgte im erstenSchritt experimentell in der Simulation mit einerLeiterschleife, deren Eingangsimpedanzverlauf demdes Ersatzmodells aus 2.1.2 angenähert wurde.

2.1.4 Dielektrische Dreiecksegmente

Neben der Modellierung des Glases durch eine äqui-valente Beschichtung und äquivalente Kapazitätenwurden auch dielektrische Flächenelemente unter-sucht. Die äquivalente Impedanz einer Struktur mitder Dicke d berechnet sich hierbei zu:

)2/sin()1(2 0 dkj

kZ

rs −

=εωε

2.2 Messverfahren

Sämtliche für die Simulationsergebnisse als Referenzdienende Messungen sind mit einem vektoriellenNetzwerkanalysator von Hewlett Packard, Modell ET8753, erfolgt. Zur Beurteilung des Antennenein-gangsimpedanzverhaltens wurde der Antennenein-gangsreflexionsfaktor S11 bestimmt.

Empfangsantenne

10m

1Sendeantenne

Drehplatte

φ=0°

φ=0°…360°

B6-Karosserie

{ }3610*

0 ≤ΙΝ∈°=

n

nϕ Empfangsantenne

10m

1Sendeantenne

Drehplatte

φ=0°

φ=0°…360°

B6-Karosserie

{ }3610*

0 ≤ΙΝ∈°=

n

nϕ

Bild 6 Meßaufbau zur Fernfeldbestimmung

Zur Bestimmung der Fernfeldeigenschaften der Fahr-zeugantenne wurde das Richtdiagramm in Form derelektrischen Feldstärke |E| bestimmt (Bild 6).

Um mit der Simulation vergleichbare und witterung-sunabhängige Ergebnisse zu erhalten, erfolgte dieBestimmung des Richtdiagramms in der Audi EMV-Halle, die einen elektrisch leitfähigen Boden hat, derin der Simulation einfach nachzubilden ist. Die Fahr-zeugantenne fungierte als Sendeantenne, die elektri-sche Feldstärke im Fernfeld wurde mit einer breit-bandigen Bilogantenne bestimmt.

3 Ergebnisse

Zur Überprüfung der Eignung der vorgestellten Er-satzmodelle zur Berechnung von Scheibenantennen-strukturen mit der Momentenmethode erfolgten Un-tersuchungen unterschiedlicher Antennenstrukturenim Fahrzeug und im isolierten Laboraufbau, um einegenaue Analyse der verwendeten Methoden durch-zuführen.

3.1 Untersuchungen an Laboraufbauten

Um die einzelnen direkt im Umfeld der Scheibenan-tenne liegenden Einflussfaktoren isoliert überprüfenzu können, fand im Labor ein Modellaufbau mit einereinlagigen Glasscheibe auf einer leitfähigen PlatteVerwendung, auf dem unterschiedlich komplexeLeiterstrukturen untersucht wurden (Bild 7).

(a) (b) (c)(a) (b) (c)

Bild 7 Eine einfache Scheibenantennenstruktur

0 1 2 3 4 5

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Re(

S11

)

Realteil

0 1 2 3 4 5

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Im(S

11)

ImaginärteilMessSim MoMSim FDTD

Sim FDTD

MessSim MoM

0 1 2 3 4 5

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Re(

S11

)

Realteil

0 1 2 3 4 5

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Im(S

11)

ImaginärteilMessSim MoMSim FDTD

Sim FDTD

MessSim MoM

Bild 8 Reflexionsfaktor einer Stabantenne auf ei-nem Dielektrikum im Scheibenmodell

0 1 2 3 4 5

x 108

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Re

(S11

)

Realteil

0 1 2 3 4 5

x 108

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Frequenz

Im(S

11)

ImaginärteilMess

Sim MoM

Sim FDTD

Mess

Sim MoM

Sim FDTD

0 1 2 3 4 5

x 108

-0.5

0

0.5

1

Frequenz

Re

(S11

)

Realteil

0 1 2 3 4 5

x 108

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Frequenz

Im(S

11)

ImaginärteilMess

Sim MoM

Sim FDTD

Mess

Sim MoM

Sim FDTD

Bild 9 Reflexionsfaktor einer Antennenstruktur aufeinem Dielektrikum im Scheibenmodell (Bild 7)

Für Strukturen im Rahmen der Definition von 2.1.2zeigte sich im Vergleich zwischen Messung und Si-

mulation eine sehr gute Eignung des Ansatzes deräquivalenten Antennen (Bild 8).

Bei steigender Komplexität und Größe der Leiter-struktur, mit mehreren parallelen Streben und stei-gender Anzahl an Verwinkelungen (Bild 7), zeigtensich vor allem in höherresonanten Bereichen teilsstarke Abweichungen (Bild 9) zwischen Messungund Simulationen mit der Momentenmethode sowiedem zum Vergleich verwendeten FDTD-Verfahren(CST-Microwave Studio).

FM1/TV1FM1/TV1

Bild 10 Modell einer isolierten Fahrzeug-Scheibenantennenstuktur im Laboraufbau

Um die Methode der äquivalenten Antennen auf ihreEignung zur Berechnung von Scheibenantennen-strukturen der Komplexität des Zielsystems zu über-prüfen, wurde eine senkrecht zu einer leitenden Ebe-ne aufgestellte ESG-Heckscheibenantenne einesMehrantennensystems untersucht (Bild 10).

0 5 10 15x 107

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

RealteilMess

Sim

0 5 10 15x 107

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

ImaginärteilMess

Sim

Re(

S11

)

Im(S

11)

0 5 10 15x 107

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

RealteilMess

Sim

0 5 10 15x 107

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

ImaginärteilMess

Sim

Re(

S11

)

Im(S

11)

Bild 11 Reflexionsfaktor einer isolierten Heckschei-benantenne

Wie aus Bild 11 ersichtlich besteht im unteren Fre-quenzbereich eine tendenzielle Übereinstimmung desReflexionsfaktors zwischen Messung und Simulation,die im UKW-Bereich bereits mit großen Abweichun-gen belegt ist.

In einer Modellerweiterung wurden Strukturen inunmittelbarer Nähe und Gegenüberstellung zu einemMetallrahmen untersucht (Bild 12), wie sie bei Fahr-zeugheckscheibenantennen auftreten können. Ergeb-nis ist, dass sich diese in ihrem Reflexionsverhaltenfür einzelne Frequenzbänder durch Variation derDielektrikums-Parameter nachbilden lassen.

Bild 12 Das verwendete Rahmenmodell

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5x 10

80

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Frequenz

BetragMessSim

|S11

|

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5x 10

80

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Frequenz

BetragMessSim

|S11

|

Bild 13 Reflexionsfaktor einer Antennenstruktur inRahmennähe

3.2 Untersuchungen an im Heizfeld in-tegrierten Antennenstrukturen

In Bild 14 ist eine ins Heizfeld der Heckscheibe in-tegrierte FM-Antennenstrukur zu sehen, die in ihrerWechselwirkung mit der Fahrzeugkarosserie be-trachtet wird.

FMFM

Bild 14 Heckscheibenantenne mit integrierter UKW-Antenne in der Rohkarosserie

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.81

Frequenz

Realteil

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

Imaginärteil

S11 Mess

S11 SimS11 MessS11 Sim

Re(

S11

)

Im(S

11)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.81

Frequenz

Realteil

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

Imaginärteil

S11 Mess

S11 SimS11 MessS11 Sim

Re(

S11

)

Im(S

11)

Bild 15 Reflexionsfaktor einer Heckscheibenanten-nenstruktur in einer Rohkarosserie

Bild 15 zeigt den Reflexionsfaktor einer integriertenHeckscheibenantenne in Messung und Simulationmit dem Modell aus 2.1.2. Wie sich bereits an denLaboruntersuchungen in Abschnitt 3.1 an Rahmen-und komplexen Scheibenstrukturuntersuchungenzeigte, ist nur eine tendenzielle Nachbildung des Re-flexionsfaktors im unteren Frequenzbereich möglich.Im UKW-Bereich sind die für den Verwendungs-zweck erforderlichen Übereinstimmungen zwischenMessung und Simulation mit dem Ersatzmodell nachAbschnitt 2.1.2 für ein komplexes System dieser Artnicht zu erreichen, was sich aus der starken Abwei-chung der berechneten Struktur vom ursprünglichenModell erklärt.

Es stellt sich jedoch die Frage, in wieweit das Modellfür einfachere Kfz-Antennenstrukturen dennoch aus-sagekräftige Ergebnisse über Nah- und Fernfeldver-halten der Antenne liefern kann.

3.3 Untersuchungen an einer Front-scheibenantenne

Zur Analyse der Nah- und Fernfeldeigenschaften ei-ner Antenne in Messung und Simulation ist eineFrontscheibenantennenstruktur wie in Bild 16 darge-stellt zum Einsatz gekommen.

Bild 16 Frontscheibenantenne in der Rohkarosserie

3.3.1 Anwendung des Äquivalentzmodellsfür dielektrische Beschichtungen aufeine Frontscheibenantennenstruktur

Die Nachbildung der Frontscheibenantenne in ihremReflexionsfaktor zeigt mit Modell 2.1.2 eine imUKW-Bereich zufriedenstellende Übereinstimmungzwischen Messung und Simulation (Bild 17).

Wie hier in Bild 18 und Bild 19 exemplarisch für ei-ne Frequenz von 90 MHz in vertikaler und horizon-taler Polarisation gezeigt, ist für eine Frontscheiben-antennenstruktur zwischen Messung und Simulationeine Übereinstimmung im Bereich der zu erwarten-den Mess- und Modelltoleranzen zu erreichen, diegute Tendenzaussagen über das Antennenempfangs-

verhalten in der betrachteten Ebene zur Verfügungstellt.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 108

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Frequenz

Betrag

Mess

Sim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 10

8-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Frequenz

Phase

MessSim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

RealteilMess

Sim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

ImaginärteilMessSim

|S1

1| B

etra

g

S11

Pha

se in

°

Re(

S11

)

Im(S

11)

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 108

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Frequenz

Betrag

Mess

Sim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 10

8-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Frequenz

Phase

MessSim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

RealteilMess

Sim

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 108

-1-0.8-0.6-0.4-0.20

0.20.40.60.81

Frequenz

ImaginärteilMessSim

|S1

1| B

etra

g

S11

Pha

se in

°

Re(

S11

)

Im(S

11)

Bild 17 Reflexionsfaktor der Frontscheiben-antennenstruktur in Messung und Simulation nachKapitel 2.1.2

0.01

0.03

0.04

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

MesSim

0.02

0.01

0.03

0.04

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

MesSim

0.02

Bild 18 Richtdiagramm der elektrischen Feldstärkein V/m, 90 MHz vertikaler Polarisation in Messungund Simulation nach Kapitel 2.1.2

0.015

0.02

30

210

60

240

90

120

300

150

330

180 0

MesSim

0.005

0.01

0.015

0.02

30

210

60

240

90

120

300

150

330

180 0

MesSimMesSim

0.005

0.01

Bild 19 Richtdiagramm der elektrischen Feldstärkein V/m, 90 MHz horizontaler Polarisation in Mes-sung und Simulation nach Kapitel 2.1.2

3.3.2 Anwendung der Dielektrikumsnachbil-dung durch Koppelkapazitäten auf eineFrontscheibenantennenstruktur

Mit dem Ersatzmodell nach Kapitel 2.1.3 für Rah-mennahe Strukturen ist mit geringem Aufwand zurBestimmung der Koppelkapazitätsgrößen eine ge-genüber den Ergebnissen aus Kapitel 3.3.1 noch ver-besserte Übereinstimmung zwischen Messung undSimulation zu erreichen (Bild 20).

0.5 1 1.5 2

x 108

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequenz in Hz

|S11

|

Betrag

0.5 1 1.5 2

x 108

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Frequenz in Hz

Pha

se(S

11)

in °

Phase

0.5 1 1.5 2

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz in Hz

Re(

S11

)

Realteil

0.5 1 1.5 2

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz in Hz

Im(S

11)

Imaginärteil

Mess

SimMess

Sim

Mess

SimMess

Sim

0.5 1 1.5 2

x 108

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequenz in Hz

|S11

|

Betrag

0.5 1 1.5 2

x 108

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Frequenz in Hz

Pha

se(S

11)

in °

Phase

0.5 1 1.5 2

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz in Hz

Re(

S11

)

Realteil

0.5 1 1.5 2

x 108

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequenz in Hz

Im(S

11)

Imaginärteil

Mess

SimMess

Sim

Mess

SimMess

Sim

Bild 20 Reflexionsfaktor der Frontscheiben-antennenstruktur in Messung und Simulation nachKapitel 2.2.2

0.01

0.02

0.03

0.04

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Sim

Mes

0.01

0.02

0.03

0.04

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Sim

Mes

Bild 21 Richtdiagramm der elektrischen Feldstärkein V/m, 85 MHz vertikaler Polarisation in Messungund Simulation nach Kapitel 2.2.2

Wie Bild 21 exemplarisch bei einer Frequenz von85 MHz vertikaler Polarisation zeigt, ist auch in die-sem Modell eine gute Übereinstimmung zwischenMessung und Simulation in der Fernfeldberechnungzu erreichen.

In annähernd dem gesamten UKW-Bereich zeigtendie Fernfeldergebnisse der Simulationen nach Modell2.1.2 und 2.1.3 nur minimale Abweichungen in Aus-richtung und Größenordnung des Richtdiagramms.

3.3.3 Einfluss des Karosseriemodells

Das Richtdiagramm einer Fahrzeugscheibenantennewird entscheidend durch die Wechselwirkung mit derKarosserie bestimmt. Einen besonders starken Ein-fluss auf die Ausrichtung des Richtdiagramms habenje nach betrachteter Frequenz die Seitentüren, dieMotorhaube und die Kofferraumklappe und ihre An-bindungen.

Bild 22 Kofferraumklappenanbindung in Messungund Simulation

In den untersuchten Konfigurationen zeigte im obe-ren UKW-Bereich vor allem die Anbindung der Kof-ferraumklappe (Bild 22) entscheidenden Einfluss aufdas Richtdiagramm sowohl einer Dachstab- als auchder Frontscheibenantenne.

0.03

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Sim Klappe normal

Messung

Sim Klappe lose

0.01

0.02

0.03

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Sim Klappe normal

Messung

Sim Klappe lose

0.01

0.02

Bild 23 Richtdiagramm der elektrischen Feldstärkein V/m, 100 MHz vertikaler Polarisation in Messungund Simulation nach Kapitel 2.1.2 mit variierenderKofferraumklappenanbindung einer Frontscheiben-antenne

Wie Bild 23 hier beispielhaft für eine Frequenz von100 MHz zeigt, ist durch Änderungen in der Nach-bildung von Türenanbindungen eine deutliche Ver-besserung in der Übereinstimmung zwischen Mes-sung und Simulation zu erreichen.

4 Untersuchungen an einer Seiten-scheibenantenne

Neben Front- und Heckscheibenantennen wurde eineSeitenscheibenantenne in einem Avant-Fahrzeug un-tersucht (Bild 24).

Bild 24 Seitenscheibenantenne

MessSim

50 60 70 80 90 100 110 120-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Frequenz [MHz]

S11

[dB

]

MessSim

MessSim

50 60 70 80 90 100 110 120-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Frequenz [MHz]

S11

[dB

]

Bild 24 Reflexionsfaktor der Seitenscheiben-antennenstruktur in Messung und Simulation nachKapitel 2.1.2

-40

-30

-20

-10

0

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

MessSim

-40

-30

-20

-10

0

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

MessSimMessSim

Bild 25 Richtdiagramm der elektrischen Feldstärkein dBµV/m, 88 MHz horizontaler Polarisation inMessung und Simulation nach Kapitel 2.1.2

Wie Bild 20 und Bild 23 zeigen, ist für eine Seiten-scheibenstruktur mit dem Ersatzmodell aus Kapitel2.1.2 zur Scheibennachbildung eine tendenzielleNachbildung der Antenneneigenschaften möglich.

5 Diskussion

Wie die vorangegangenen Untersuchungen zeigen, istes mit den bestehenden Simulationsmethoden undErsatzmodellen und den verwendeten Fahrzeug- undAntennenmodellen im Rahmen der Momenten-methode möglich, tendenzielle Aussagen über dasVerhalten einfacher Antennenstrukturen wie z.B.Frontscheibenantennen in Nah- und Fernfeld imUKW-Bereich auch in absoluten Größen zu machen.

Zur Berechnung komplexerer Systeme wie z.B.Heckscheibenantennen, die im Heizfeld integriertsind, ist eine Verbesserung und Verfeinerung der

FM

Nachbildung des Scheibendielektrikums wie auch derKarosseriemodelle notwendig, um eine höhere Ge-nauigkeit zu erreichen.

In der Scheibensimulation sind mit dem verwendetenErsatzmodell aus Kapitel 2.1.2 Antennenstrukturenim Rahmen der Definition einer parallelen Streifen-leitung im freien Raum sicher zu berechnen. Bei stei-gender Komplexität mit z.B. dichten parallelen An-tennenleiterstrukturen, variablen Leiterdicken, Lei-tungen in unmittelbarer Nähe zur Karosserie undsenkrechten Verbindungsstellen zwischen den Leiternwie sie in Fahrzeugkonfigurationen vorkommen, istdie für Scheibenantennenberechnungen verlangteGenauigkeit nicht zu erreichen und implementie-rungsabhängig kann es zudem zu Einschränkungenin der Rechenfähigkeit der Modelle durch Segment-überschneidungen aufgrund der berechneten Ersatz-radien kommen.

Insbesondere um Aussagen über die Eingangsimpe-danz der Scheibenantennenstrukturen tätigen zukönnen, was für die angestrebten Optimierungen undStöraussendungsbestimmungen auf Basis von Be-rechnungen notwendig ist, ist eine Verfeinerung derGlasnachbildung mit alternativen Ersatzmodellenanzustreben, um höhere Genauigkeiten erreichen zukönnen.

Bei der Berechnung der Richtcharakteristik zeigtesich, dass für den UKW-Bereich eine feinere Diskre-tisierung der Karosseriemodelle und eine Überarbei-tung und Optimierung insbesondere der Türen- undKlappenanbindungen und –nachbildungen im Simu-lationsmodell notwendig ist, was sich aufgrund derangestrebten allgemeingültigen Verwendbarkeit derKarosseriemodelle als aufwändig herausstellt. Insbe-sondere der bei globaler Modellverfeinerung steigen-de Rechenaufwand macht eine genaue Analyse undIdentifizierung relevanter Karosseriebereiche not-wendig.

In den Berechnungen einer Frontscheibenantennenach Kapitel 2.1.2 und 2.1.3 und der Seitenscheiben-antenne in Kapitel 2.1.2 zeigte sich eine gute Über-einstimmung der Simulationsergebnisse eine gute Ü-bereinstimmung mit den Messergebnissen im Refle-xionsfaktorverlauf sowie im Fernfeldverhalten derAntenne. Dabei ist die Übereinstimmung in vertika-ler Polarisation im allgemeinen besser ausfielen alsin horizontaler Polarisation.

Insbesondere in den Vergleichen der absoluten elekt-rischen Feldstärke ist die Schwierigkeit der Bestim-mung der elektrischen Feldstärke und die frequenz-abhängige Sensibilität des Messaufbaus nicht zu ver-nachlässigen und bei der Verwendung als Referenzzur Optimierung der Simulationen zu berücksichti-gen. Im nächsten Schritt ist die Übertragbarkeit der

berechneten Ergebnisse für einfache Antennenkonfi-gurationen auf vollausgestattete Fahrzeuge zu über-prüfen und parallel an der Optimierung und Erweite-rung der Modelle für komplexere Systeme zu arbei-ten.

6 Zusammenfassung

Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Berechnungvon Kfz-Scheibenantennen im UKW-Bereich mit derZielsetzung, Modelle auf ihre Eignung zur EMV-Bewertung und Antennenentwicklung zu überprüfenund neue Modelle zu entwickeln. Es werden unter-schiedliche Scheibenersatzmodelle für die Momen-tenmethode vorgestellt und Ergebnisse für verschie-dene Scheibenantennenstrukuren im Fahrzeug und inLaboraufbauten in Messung und Simulation präsen-tiert und diskutiert. Für einfache Antennenstrukturenlassen sich bereits gute tendenzielle Aussagen überNah- und Fernfeldeigenschaften der Antennen in ei-ner Rohkarosserie tätigen. Um komplexere Systememit der angestrebten Genauigkeit berechnen zu kön-nen, ist im UKW-Bereich eine Verfeinerung derScheibennachbildung und eine verbesserte Karosse-rienachbildung notwendig.

7 Literatur

[1] Frei, S. Jobava, R. G..: Calculation of Low Fre-quency EMV Problems in Large Systems with aQuasi-Static Approach. Santa Clara: IEEE-Symposium 2004

[2] Popović, B. D.: CAD of Wire Antennas andRelated Radiating Structures, Research StudiesPress LTD, 1991

[3] Jakobus, U., Berger, N, Landstorfer, F. M.: Effi-cient techniques for modelling integrated wind-screen antennas within the method of moments,Millenium Conference on Antennas & Propa-gation, Davos, 2000