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5G时代到来,整车电磁兼容仿真必要性

发布者:admin   发布时间: 2019-02-25 浏览次数:

 在2018年12月5日,四川成都二环BRT双林北支路站台缓缓开出一辆公交车,公交车的显示屏上写着“5G第一车”,这也就标意味着全国首条5G环线正式开通,在全国率先实现5G外场试用。据悉,在成都的首辆公交车现场测试结果,在时速40公里的公交车上,5G的峰值竟然达到了2.375Gbps。

  


 

为了满足当下以及未来急剧膨胀的传输容量和传输功率的需求,车内电线电缆的用量也成倍的增长,随之而来的问题是传输信号的愈加复杂和多样性、信号频率的大幅提高以及电源设备的功率增加,使得车内线缆线束的电磁兼容问题变得更加突出。其特殊性更在于:

1、一辆高档汽车内的用线量可达3km以上,尽管可以使用双绞线使绞环中感应的电磁场相互抵消,降低外界电磁场对双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串扰,或采用屏蔽电缆防止电磁能量的泄露,但是车内大量线缆线束密集捆扎,由此产生的分布电容非线性地增大,使得各路线上的信号仍然可以通过容性耦合或感性耦合进入其他控制线和信号线,从而导致系统的电磁兼容问题更为复杂;

2、由于汽车内部电控部件对CAN总线产生的干扰,使其处于从低频到高频变化的外部电磁环境中,因此对CAN总线的抗干扰能力提出了更高的要求;

3、干扰源产生的电磁干扰会通过走线或电缆直接入侵敏感设备,而车辆16位/32位微控器的使用,由于其高敏感度,故对EMI的要求也大大提高。

 

因此,在汽车整套电子系统的研发以及线缆线束布局设计阶段,通过电磁兼容仿真手段对线缆线束的电磁耦合以及辐射进行定性和定量的分析,确定各种因素的影响程度,实现优化设计及最佳控制,对于汽车系统的电磁兼容设计将有极为重要的意义。

 

时域信号完整性分析

在下图1中已经完成整个电缆网络系统的建模,其中包括两束电缆的布线,以及整车模型的导入等设计及前处理工作。其中左下路径中只含一条双绞线,偏右上路径的其中一部分捆扎着多条不同类型的电缆,电缆的类型和数量可在图中观察到。其中两条双绞线均传输200kHz峰值为12V的差分电压信号,其占比为20%、上升沿0.2ms,下降沿0.5ms;三根单线均传输100kHz幅值为12V的正弦信号;而屏蔽线缆传输5MHz140V的三角波信号。

 

图1:整个电缆网络系统3D模型

下图2则反应了在相同输入方波信号的条件下,两条路径上的双绞线负载端上的电压波形,其中较为光滑的曲线为仅含有双绞线的路径,而带有较多毛刺以及波纹的为在含有大量捆扎线缆线束的路径上双绞线负载端电压波形。初步观察,后者由于线缆之间的紧密捆扎以及耦合而直接导致了SI性能的下降,而从导致了电缆间时域较为严重的时域串扰,观察可知,时域串扰电平值大约为1.22V。

 

图2:两路径双绞线负载端电压对比

如果将带有较多波纹的电压波形所在的双绞线作为被串扰对象,则与其紧密捆扎的单线或屏蔽线必定是或都是串扰源之一。为确认串扰源,仿真中可以方便地按照原来的路径单仿真双绞线与屏蔽线捆扎以及单仿真双绞线与三根单线的捆扎,并分别传输各自原有的信号。图3显示了当双绞线与三条单线捆扎时,其负载端信号完整性相对当其与屏蔽线捆扎时良好。查找原因发现:尽管屏蔽层能抑制一定的电磁能量泄露,但是相对单线传输的100kHz信号,屏蔽线5MHz的传输信号属高频信号。通过紧密捆扎,屏蔽线传输的高频信号中部分能量耦合至双绞线上,从而导致双绞线终端负载电压波形产生畸变,影响系统的SI性能。

 

图3:单仿真双绞线捆扎屏蔽线与但放在双绞线捆扎单线的信号完整性分析

 

频域信号完整性分析

软件中的频域仿真默认为简谐激励,因此在频域仿真激励的幅值使用对应的时域信号的电平幅值。当双绞线上的正向差分激励为5.83V,200kHz时,干扰电平值为1.27V,与时域基本一致。

 

图4:双绞线负载端频域串扰电平分析

 

整车线缆线束电磁辐射干扰仿真

在完成了整车线缆线束的信号完整性分析后,工程上往往还需要对系统进行对外电磁辐射干扰分析,如在暗室中通过测试天线,对设备进行3米外或10米外的场强测试,以判断产品是否通过国家或国际EMC认证标准。

 

在辐射干扰仿真中,激励源为CST电缆工作室的计算结果,即整车电缆在上述提到的各种不同类型、不同频率的信号的激励情况下得到的整车电缆电流分布文件。将此结果导入CST微波工作室进行协同仿真,用三维全波的方法求解得到整车电缆辐射情况。

 

图5:整车电缆3米外辐射场强

为了更逼真地模拟实际情况,在分析辐射问题时充分考虑到地面的影响,因此在全波仿真中需要将车底部所在的面设为电壁,以此模拟大地对辐射的影响。

 

图6:100MHz频点下整车辐射方向图

随着科学技术的迅速发展,相信5G时代一定会带着我们进入一个全新的科技时代,智能家居、物联网等等,以前在电影中看到的无人驾驶都不在只是梦,与此同时,设备所处的电磁环境也将愈加复杂,设备内互相干扰的更加严重,EMC各种新的挑战和问题也将会逐渐体现。元王可采用专业电磁兼容仿真软件,并提供丰富经验的仿真工程师,帮助进行现代复杂电子系统的电磁仿真工作。

 

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