Antennenoptimierung an Kraftfahrzeugen mit Hilfe einer 3D-Feldsimulation

F a c h h o c h s c h u l e We s t k ü s t e

Hochschule für Wirtschaft & Technik

Masterarbeit
Hendrik Lippek

Antennenoptimierung an Kraftfahrzeugen mit
Hilfe einer 3D-Feldsimulation

Fachhochschule Westküste
Fachbereich Technik

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik

Fachhochschule Westküste - University of Applied Sciences
Faculty of Engineering

Hamburg University of Applied Sciences
Faculty of Engineering and Computer Science
Department of Information and Electrical Engineering

Hendrik Lippek

Antennenoptimierung an Kraftfahrzeugen mit Hilfe

einer 3D-Feldsimulation

Masterarbeit eingereicht im Rahmen der Masterpüfung
im gemeinsamen Studiengang Mikroelektronische Systeme
am Fachbereich Technik
der Fachhochschule Westküste
und
am Department Informations- und Elektrotechnik
der Fakultät Technik und Informatik
der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Abgegeben am 7. März 2008

Hendrik Lippek

Thema der Masterarbeit

Antennenoptimierung an Kraftfahrzeugen mit Hilfe einer 3D-Feldsimulation

Stichworte
Antennen, Kfz, 3D-Feldsimulation, CST Microwave Studio, Optimierung

Kurzzusammenfassung
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie in der 3D-Feldsimulationssoftware CST Microwave-Studio ein Simulationsmodell auf Basis bestehender Kfz-Geometriedaten aufgebaut und zur EM-Feldsimulation der AM/FM/TV-Antennen genutzt werden kann. Des Weiteren wird gezeigt, wie die Leistung von Antennen mit Hilfe der Feldsimulation optimiert werden kann.

Hendrik Lippek
Title of the master thesis
Optimization of car antennas using field simulation software

Keywords
car antennas, field simulation software, CST Microwave Studio, optimization

Abstract
This master thesis presents, a way for constructing a simulation model on basis of existing car geometry in 3D field simulation software CST Microwave Studio which is then used for EM-field simulation of AM/FM/TV-antennas. Furthermore, it is shown how the efficiency of antennas can be optimized by using the field simulation.

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis 6
Abbildungsverzeichnis 7
Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen 10
1 Einführung 12
2 Grundlegende Betrachtungen der Aufgabenstellung 14
2.1 Das elektromagnetische Feld 14
2.1.1 Die Maxwellschen Gleichungen 14
2.1.2 Einfluss von Materialeigenschaften auf des EM-Feld 15
2.1.3 Feldregionen 16
2.2 Antennen 17
2.2.1 Antennentypen 17
2.2.2 Antennenparameter 18
2.2.3 Antennendiagramm 20
2.2.4 Antennen im Kfz 23
2.2.5 Spezialfall Cabrio 25
2.2.6 Impedanzanpassung und Antennenverstärker 26
2.2.7 Antenna Diversity 26
2.3 Feldsimulation 27
2.3.1 Überblick Feldsimulatore 27
2.3.2 Das CST Microwave Studio 30
3 Aufbau des Simulationsmodells 32
3.1 Import der Fahrzeuggeometrie 32
3.2 Erstellung eines Simulationsmodells vom Heckdeckel des Audi A4 Cabrios mit integrierten Antennen 34
3.2.1 Erstellung eines Volumenmodells vom Heckdecke 34
3.2.2 Entwurf der AM/FM/TV-Antennen 35
3.3 Simulation der Antennen 37
3.3.1 Simulation der Antennen als aktive Elemente 38

3.3.2 Simulation als Empfangsantennen mit Plane Wave Anregung 38

3.4 Aufwand der Simulation 44

4 Messung der Antennen und Antennenverstärke 46

4.1 Messung der Antennen 46

4.2 Variationen des Messaufbaus 48

4.3 Messung der Antennenverstärker 52

4.4 Messdaten vom Gesamtfahrzeug 53

5 Ergebnisse 54

5.1 Antennenanpassung 54

5.2 Variation vom Material des Heckdeckel 55

5.3 Strahlungsdiagramme 55

6 Optimierung der Antennenstandort 58

6.1 Parametrisierung des Simulationsmodells 58

6.2 Zu optimierende Antennenparameter 59

6.3 Automatisierte Optimierung der Antennenparameter 60

6.4 Optimierungsziele 61

6.5 Ergebnisse der Optimierung 62

7 Fazit und Ausblick 70

Literaturverzeichnis 73

A Anhang 74

A.1 Beispielhafte Touchstone-Datei 74

A.2 Beispielhafte Nastran-Datei 75

A.3 Verwendete Strahlungsdiagramme von FUBA 76

A.4 Vergleich der Antennenanpassung 80

A.5 Vergleich der Strahlungsdiagramme 82

A.6 Messergebnisse der Antennenverstärker 93

Tabellenverzeichnis

0.1 Symbole 10
0.2 Abkürzungen 11
2.1 Feldregionen 17
2.2 Frequenzbereiche 23
2.3 Unterscheidungskriterien für Feldsimulatoren 27

Abbildungsverzeichnis

2.1 Kugelkoordinaten 20
2.2 2D Antennendiagramm 21
2.3 Antennenkonzept Audi A4 Cabrios 24
2.4 Antennen in der Heckklappe des A4 25
2.5 Heckklappe mit integrierten Antennen 25
2.6 Antenna Diversity 26
2.7 Anregungsimpuls beim Zeitbereichslöser 28
3.1 Importierte Geometrie 33
3.2 Erweiterung einer Oberfläche zu einem Volumen im MWS 35
3.3 Vereinfachtes Modell der Heckklappe 36
3.4 Modellierung eines 3D Polygons im MWS 36
3.5 analytischer Draht 37
3.6 Antenne als massiver Körper 37
3.7 Port im Simulationsmodell 39
3.8 E-Feld des aktiven Ports 39
3.9 Simulationsmodell mit Plane Wave 40
3.10 Plane Wave auf Fahrzeugfront 40
3.11 Plane Wave auf Fahrzeugfront Seitenansicht 41
3.12 Parameter Sweep im MWS 41
3.13 Template based Postprocessing: 1D Result 42
3.14 Template based Postprocessing: 0D Result 43
3.15 Mesh ohne Subgridding 44
3.16 Mesh mit Subgridding 44
4.1 Messaufbau zur Antennenvermessung 47
4.2 SMA Anschluss auf der Heckklappe 49
4.3 Balun 50
4.4 Aufbau des trifilaren 1:1 Baluns 50
4.5 Schaltplan des trifilaren 1:1 Baluns 51
4.6 S11 des mit 50 Ohm abgeschlossenen Baluns 51
4.7 Messung des Antennenverstärkers 52

5.1 Vergleich der Anpassungskurven von Antenne 1 54

5.2 Rückflussdämpfung der Antenne 1 bei Variation des Epsilon 55

5.3 Strahlungscharakteristik im FM-Bereich für Antenne 1 56

5.4 Antenne 1: Vergleich der Strahlungscharakteristik bei 87,52 MHz 56

5.5 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 87,52 MHz 57

5.6 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 108 MHz 57

6.1 Parametrisiertes 3D Polygon 58

6.2 Variierbare Parameter der Antenne 1 59

6.3 Variierbare Parameter der Antenne 2 59

6.4 Variierbare Parameter der Antenne 3 60

6.5 Variierbare Parameter der Antenne 4 60

6.6 Optimierungsparameter 61

6.7 Optimierungsziele 61

6.8 Vom Optimierer verwendete Werte für die Optimierung der Antennenlänge .63

6.9 Vom Optimierer verwendete Werte für die Optimierung des Litzenabstandes 63

6.10 Antenne 1: Total Efficiency bei Variation der Länge 64

6.11 Antenne 1: Strahlungsdiagramm bei 100 MHz bei Variation der Länge 64

6.12 Antenne 1: Strahlungsdiagramm bei 100 MHz bei Variation des Litzenabstandes 65

6.13 Antenne 2: S11 bei Variation des Litzenabstandes 65

6.14 Antenne 2: S11 bei Variation der Antennenlänge 66

6.15 Antenne 2: S11 bei Variation der horizontalen Länge 66

6.16 Antenne 2: Total Efficiency bei Variation der horizontalen Länge 67

6.17 Antenne 3: S11 bei Variation der seitlichen Länge 67

6.18 Antenne 4: S11 bei Variation des Litzenabstandes 68

6.19 Antenne 4: S11 bei Variation der Länge 68

6.20 Antenne 4: Total Efficiency bei Variation der Länge 69

A.1 Strahlungscharakteristik der Antenne 1 von FUBA 76

A.2 Strahlungscharakteristik der Antenne 2 von FUBA 77

A.3 Strahlungscharakteristik der Antenne 3 von FUBA 78

A.4 Strahlungscharakteristik der Antenne 4 von FUBA 79

A.5 Anpassung der Antenne 1 simuliert und gemessen 80

A.6 Anpassung der Antenne 2 simuliert und gemessen 80

A.7 Anpassung der Antenne 3 simuliert und gemessen 81

A.8 Anpassung der Antenne 4 simuliert und gemessen 81

A.9 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 78,56 MHz 82

A.10 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 87,52 MHz 82

A.11 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 95,2 MHz 83

A.12 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 100,32 MHz 83

A.13 Antenne 1: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 108 MHz 84

A.14 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 78,56 MHz 84

A.15 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 87,52 MHz 85

A.16 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 95,2 MHz 85

A.17 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 100,32 MHz 86

A.18 Antenne 2: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 108 MHz 86

A.19 Antenne 3: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 78,56 MHz 87

A.20 Antenne 3: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 87,52 MHz 87

A.21 Antenne 3: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 95,2 MHz 88

A.22 Antenne 3: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 100,32 MHz 88

A.23 Antenne 3: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 108 MHz 89

A.24 Antenne 4: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 78,65 MHz 90

A.25 Antenne 4: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 87,52 MHz 90

A.26 Antenne 4: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 95,2 MHz 91

A.27 Antenne 4: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 100,32 MHz 91

A.28 Antenne 4: Strahlungscharakteristik simuliert und gemessen bei 108 MHz 92

A.29 Verstärker 1 aktiv und passiv gemessen 93

A.30 Verstärker 2 aktiv und passiv gemessen 93

A.31 Verstärker 3 aktiv und passiv gemessen 94

A.32 Verstärker 4 aktiv und passiv gemessen 94