5G時(shí)代到來(lái)，整車(chē)電磁兼容仿真必要性

在2018年12月5日，四川成都二環(huán)BRT雙林北支路站臺(tái)緩緩開(kāi)出一輛公交車(chē)，公交車(chē)的顯示屏上寫(xiě)著“5G第一車(chē)”，這也就標(biāo)意味著全國(guó)首條5G環(huán)線正式開(kāi)通，在全國(guó)率先實(shí)現(xiàn)5G外場(chǎng)試用。據(jù)悉，在成都的首輛公交車(chē)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，在時(shí)速40公里的公交車(chē)上，5G的峰值竟然達(dá)到了2.375Gbps。

為了滿足當(dāng)下以及未來(lái)急劇膨脹的傳輸容量和傳輸功率的需求，車(chē)內(nèi)電線電纜的用量也成倍的增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的問(wèn)題是傳輸信號(hào)的愈加復(fù)雜和多樣性、信號(hào)頻率的大幅提高以及電源設(shè)備的功率增加，使得車(chē)內(nèi)線纜線束的電磁兼容問(wèn)題變得更加突出。其特殊性更在于：

1、一輛高檔汽車(chē)內(nèi)的用線量可達(dá)3km以上，盡管可以使用雙絞線使絞環(huán)中感應(yīng)的電磁場(chǎng)相互抵消，降低外界電磁場(chǎng)對(duì)雙絞線的干擾以及雙絞線線對(duì)之間的串?dāng)_，或采用屏蔽電纜防止電磁能量的泄露，但是車(chē)內(nèi)大量線纜線束密集捆扎，由此產(chǎn)生的分布電容非線性地增大，使得各路線上的信號(hào)仍然可以通過(guò)容性耦合或感性耦合進(jìn)入其他控制線和信號(hào)線，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題更為復(fù)雜；

2、由于汽車(chē)內(nèi)部電控部件對(duì)CAN總線產(chǎn)生的干擾，使其處于從低頻到高頻變化的外部電磁環(huán)境中，因此對(duì)CAN總線的抗干擾能力提出了更高的要求；

3、干擾源產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)通過(guò)走線或電纜直接入侵敏感設(shè)備，而車(chē)輛16位/32位微控器的使用，由于其高敏感度，故對(duì)EMI的要求也大大提高。

因此，在汽車(chē)整套電子系統(tǒng)的研發(fā)以及線纜線束布局設(shè)計(jì)階段，通過(guò)電磁兼容仿真手段對(duì)線纜線束的電磁耦合以及輻射進(jìn)行定性和定量的分析，確定各種因素的影響程度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及最佳控制，對(duì)于汽車(chē)系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)將有極為重要的意義。

時(shí)域信號(hào)完整性分析

在下圖1中已經(jīng)完成整個(gè)電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模，其中包括兩束電纜的布線，以及整車(chē)模型的導(dǎo)入等設(shè)計(jì)及前處理工作。其中左下路徑中只含一條雙絞線，偏右上路徑的其中一部分捆扎著多條不同類(lèi)型的電纜，電纜的類(lèi)型和數(shù)量可在圖中觀察到。其中兩條雙絞線均傳輸200kHz峰值為12V的差分電壓信號(hào)，其占比為20%、上升沿0.2ms，下降沿0.5ms；三根單線均傳輸100kHz幅值為12V的正弦信號(hào)；而屏蔽線纜傳輸5MHz140V的三角波信號(hào)。

圖1：整個(gè)電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3D模型

下圖2則反應(yīng)了在相同輸入方波信號(hào)的條件下，兩條路徑上的雙絞線負(fù)載端上的電壓波形，其中較為光滑的曲線為僅含有雙絞線的路徑，而帶有較多毛刺以及波紋的為在含有大量捆扎線纜線束的路徑上雙絞線負(fù)載端電壓波形。初步觀察，后者由于線纜之間的緊密捆扎以及耦合而直接導(dǎo)致了SI性能的下降，而從導(dǎo)致了電纜間時(shí)域較為嚴(yán)重的時(shí)域串?dāng)_，觀察可知，時(shí)域串?dāng)_電平值大約為1.22V。

圖2：兩路徑雙絞線負(fù)載端電壓對(duì)比

如果將帶有較多波紋的電壓波形所在的雙絞線作為被串?dāng)_對(duì)象，則與其緊密捆扎的單線或屏蔽線必定是或都是串?dāng)_源之一。為確認(rèn)串?dāng)_源，仿真中可以方便地按照原來(lái)的路徑單仿真雙絞線與屏蔽線捆扎以及單仿真雙絞線與三根單線的捆扎，并分別傳輸各自原有的信號(hào)。圖3顯示了當(dāng)雙絞線與三條單線捆扎時(shí)，其負(fù)載端信號(hào)完整性相對(duì)當(dāng)其與屏蔽線捆扎時(shí)良好。查找原因發(fā)現(xiàn)：盡管屏蔽層能抑制一定的電磁能量泄露，但是相對(duì)單線傳輸?shù)?00kHz信號(hào)，屏蔽線5MHz的傳輸信號(hào)屬高頻信號(hào)。通過(guò)緊密捆扎，屏蔽線傳輸?shù)母哳l信號(hào)中部分能量耦合至雙絞線上，從而導(dǎo)致雙絞線終端負(fù)載電壓波形產(chǎn)生畸變，影響系統(tǒng)的SI性能。

圖3：?jiǎn)畏抡骐p絞線捆扎屏蔽線與但放在雙絞線捆扎單線的信號(hào)完整性分析

頻域信號(hào)完整性分析

軟件中的頻域仿真默認(rèn)為簡(jiǎn)諧激勵(lì)，因此在頻域仿真激勵(lì)的幅值使用對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)的電平幅值。當(dāng)雙絞線上的正向差分激勵(lì)為5.83V，200kHz時(shí)，干擾電平值為1.27V，與時(shí)域基本一致。

圖4：雙絞線負(fù)載端頻域串?dāng)_電平分析

整車(chē)線纜線束電磁輻射干擾仿真

在完成了整車(chē)線纜線束的信號(hào)完整性分析后，工程上往往還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)外電磁輻射干擾分析，如在暗室中通過(guò)測(cè)試天線，對(duì)設(shè)備進(jìn)行3米外或10米外的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，以判斷產(chǎn)品是否通過(guò)國(guó)家或國(guó)際EMC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

在輻射干擾仿真中，激勵(lì)源為CST電纜工作室的計(jì)算結(jié)果，即整車(chē)電纜在上述提到的各種不同類(lèi)型、不同頻率的信號(hào)的激勵(lì)情況下得到的整車(chē)電纜電流分布文件。將此結(jié)果導(dǎo)入CST微波工作室進(jìn)行協(xié)同仿真，用三維全波的方法求解得到整車(chē)電纜輻射情況。

圖5：整車(chē)電纜3米外輻射場(chǎng)強(qiáng)

為了更逼真地模擬實(shí)際情況，在分析輻射問(wèn)題時(shí)充分考慮到地面的影響，因此在全波仿真中需要將車(chē)底部所在的面設(shè)為電壁，以此模擬大地對(duì)輻射的影響。

圖6:100MHz頻點(diǎn)下整車(chē)輻射方向圖

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，相信5G時(shí)代一定會(huì)帶著我們進(jìn)入一個(gè)全新的科技時(shí)代，智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等等，以前在電影中看到的無(wú)人駕駛都不在只是夢(mèng)，與此同時(shí)，設(shè)備所處的電磁環(huán)境也將愈加復(fù)雜，設(shè)備內(nèi)互相干擾的更加嚴(yán)重，EMC各種新的挑戰(zhàn)和問(wèn)題也將會(huì)逐漸體現(xiàn)。元王可采用專(zhuān)業(yè)電磁兼容仿真軟件，并提供豐富經(jīng)驗(yàn)的仿真工程師，幫助進(jìn)行現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)的電磁仿真工作。