車載集群通信系統(tǒng)“自頂向下”電磁兼容設(shè)計

劉 瑩，謝擁軍，張 勇

(1. 西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點實驗室 西安 710071; 2. Ansoft(中國)公司 北京 海淀區(qū) 100190;3. 北京航空航天大學(xué)電磁兼容實驗室 北京 海淀區(qū) 100083)

在現(xiàn)代飛機、汽車、艦艇等各種平臺上，狹小的空間集中了大量的電子設(shè)備，這些電子設(shè)備在工作時會產(chǎn)生電磁輻射干擾或傳導(dǎo)干擾等，影響其他設(shè)備的正常工作。另一方面，電子設(shè)備中發(fā)射機的發(fā)射功率越來越大、接收機的靈敏度越來越高、設(shè)備的尺寸越來越小型化等苛刻的因素，使得平臺上系統(tǒng)級電磁兼容(EMC)的設(shè)計具有很大的復(fù)雜度和難度。因此，對各種平臺上的電磁兼容研究越來越成為關(guān)注的熱點，如電子設(shè)備中電路板級的信號完整性(SI)分析[1-2]、大型電子系統(tǒng)中設(shè)備級電磁兼容和系統(tǒng)級電磁兼容的關(guān)系[3]、車載或機載平臺的系統(tǒng)級電磁兼容問題[4-7]等。以上文獻(xiàn)的研究方法或偏重于電路分析方法，或只采用場分析。實際上，隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)(EDA)的發(fā)展，進(jìn)行電磁兼容所需的系統(tǒng)級、設(shè)備級、電路板級的仿真技術(shù)發(fā)展非常迅速。

目前，針對開關(guān)電源[8]、單個電路板或小型電子設(shè)備[9]的電磁兼容設(shè)計需求，已經(jīng)形成了一些成熟的基于EDA仿真的設(shè)計流程。而對于系統(tǒng)級電磁兼容性的評估和設(shè)計，長期以來主要依靠系統(tǒng)實測和調(diào)試為主，還沒有成熟的仿真設(shè)計流程。這是因為系統(tǒng)級電磁兼容的仿真設(shè)計需要全面的設(shè)備級、電路板級甚至半導(dǎo)體管級的電磁兼容模型，進(jìn)行自下而上的逐級仿真，每一級電磁干擾的仿真結(jié)果是上一級仿真設(shè)計的干擾源。但是在實際設(shè)計中，板級或部件級的仿真模型很難得到，自下而上的設(shè)計流程在機載、車載等復(fù)雜平臺的系統(tǒng)級電磁兼容性設(shè)計中缺乏可操作性。

為了克服上述傳統(tǒng)電磁兼容分析和設(shè)計方法的不足，在飛機全機電磁兼容預(yù)設(shè)計中運用了“自頂向下”的EMC預(yù)設(shè)計流程[10]。本文介紹了一種基于EDA仿真與實測相結(jié)合的“自頂向下”的EMC設(shè)計方法，主要依賴于EDA仿真技術(shù)，在系統(tǒng)級提出指標(biāo)要求，與下一層無縫的交互仿真信息，是專門面向系統(tǒng)總體設(shè)計人員、在實際工程中摸索而生的逐步求精的設(shè)計方法。

1 基于仿真的“自頂向下”EMC設(shè)計流程

基于EDA仿真的“自頂向下”EMC設(shè)計流程是在頂層制定并分解設(shè)計指標(biāo)，利用EDA仿真工具量化評估、預(yù)測分系統(tǒng)EMC特性對于系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計系統(tǒng)集成方案，并提出改進(jìn)措施。

本文通過一個具有實際背景的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計給出“自頂向下”的設(shè)計流程[11]。由A、B、C、D共4輛車構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計如圖1所示。每輛車倉內(nèi)裝載多種電子設(shè)備，車外布置多種頻段的天線。對該系統(tǒng)完整的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計包括4車系統(tǒng)電子設(shè)備工作造成的系統(tǒng)電磁環(huán)境的評估，以及系統(tǒng)內(nèi)各個電子設(shè)備的電磁兼容性分析和設(shè)計。因此，本文將仿真其中B、C、D車的短波電臺工作造成的電磁環(huán)境，及其電磁干擾對于A車內(nèi)電子設(shè)備電磁兼容性的影響，“自頂向下”地進(jìn)行由系統(tǒng)級到設(shè)備級、最終到器件級的電磁兼容性分析和設(shè)計。

圖1 4車構(gòu)成的復(fù)雜電磁兼容系統(tǒng)

各級的EMC仿真問題均可以利用EDA軟件解決，如圖2所示。

圖2 EMC分析中的EDA仿真方法

2 設(shè)計實例

2.1 系統(tǒng)級EMC分析和設(shè)計

在復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容分析中，干擾源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如系統(tǒng)中車載電臺與裝甲車構(gòu)成了一個復(fù)雜的干擾源。仿真中可以采用“場到場鏈接”(data link)方法，將電磁兼容系統(tǒng)中的干擾源與傳播空間分解，有效地降低數(shù)值求解對于計算機內(nèi)存的需求。如圖3所示，對右側(cè)的裝甲車D的電臺天線和車體進(jìn)行一體化數(shù)值仿真，然后將仿真結(jié)果作為場源以鏈接的方式加入多車系統(tǒng)構(gòu)成的空間中。以該方法可以得到4車系統(tǒng)中的電磁環(huán)境分布的仿真結(jié)果。進(jìn)一步地，利用場鏈接得到車廂子系統(tǒng)的電磁環(huán)境分布，如圖4所示。

圖3 4車系統(tǒng)電磁場環(huán)境仿真

圖4 4車系統(tǒng)的子系統(tǒng)電磁場環(huán)境仿真結(jié)果

車載天線布局是系統(tǒng)級EMC關(guān)心的另外一個重要問題，主要包括天線間隔離度、平臺造成的天線方向圖畸變以及發(fā)射天線對車內(nèi)電子設(shè)備的輻射干擾。在車頂上有限的空間對天線實施單純的距離隔離有很大的局限性，必須合理地優(yōu)化天線及線纜線束布局最大限度地提高EMC整體性能。

車頂裝載有4副天線的裝甲車如圖5所示。首先對車體和地面造成的天線方向圖畸變進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖5 裝甲車上的天線布局

圖6 考慮車體影響的天線1和天線2的方向圖

其次進(jìn)行天線布局優(yōu)化研究。如對天線3的位置坐標(biāo)變化情況，觀察天線3與天線4之間隔離度的變化，確定可以實現(xiàn)與天線4最佳隔離的天線3的最優(yōu)位置。

同時，當(dāng)電子設(shè)備工作時，大功率射頻電纜上的微波能量可以耦合到臨近的設(shè)備電纜上，從而造成對車內(nèi)多個電子設(shè)備的干擾，如圖7所示。本文對受擾設(shè)備較大的連接電纜在Q3D和HFSS軟件中進(jìn)行仿真分析，得到受擾最小的電纜布局方案。

圖7 大功率射頻電纜對裝甲車內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備電纜的干擾

2.2 設(shè)備級EMC設(shè)計

設(shè)備級電磁兼容問題首先解決的是設(shè)備機柜的屏蔽效能問題。從電磁分析方法的角度，機柜的屏蔽效能分析可分為兩類：

(1) 機柜的本振分析；

(2) 外部干擾照射下機柜內(nèi)的屏蔽效能和場分布計算。

對應(yīng)這兩類分析，可以分別采用HFSS軟件對應(yīng)的本征模式和驅(qū)動模式兩種求解方法求解。

2.2.1 機柜的本征模式分析

設(shè)備機柜的外殼形成一個電磁諧振腔。空的矩形諧振腔的諧振頻率為[12]：

式中l(wèi)、w和h分別為矩形諧振腔的長、寬、高；k、m和n均為正整數(shù)。

諧振腔具有選頻特點，即只有諧振頻率的電磁場可以在機柜內(nèi)形成駐波。因此，在對干擾源照射下的機柜屏蔽性能進(jìn)行分析之前，應(yīng)首先進(jìn)行機柜的本征模式研究。

如對發(fā)控單元機柜進(jìn)行400 MHz以下的本征模式計算，可以得到如圖8所示的20個諧振頻率。圖9給出了141 MHz、280 MHz兩個諧振頻率點對應(yīng)的諧振模式場圖。由圖可知，141 MHz諧振頻率對應(yīng)的場圖中減震器及機柜邊緣部分電磁場較強，因此其電路板等重要部件基本不分布于場強最強處。而在280 MHz諧振頻率本征諧振場圖中，集線盒和電路板處場強較強，這些敏感位置的電路需要對280 MHz諧振頻率做抗干擾設(shè)計。

圖8 機柜本征諧振點

圖9 兩個諧振頻率點的機柜內(nèi)本征場分布

2.2.2 驅(qū)動模式分析

對有干擾源照射情況下的機柜屏蔽效能的計算采用驅(qū)動模式求解[13-14]。屏蔽效能定義為：未加屏蔽前某一位置的場強E0與同一位置加屏蔽時的場強Es之比。當(dāng)取dB為單位時，屏蔽效能為20lg(E0/Es)。

對控制機柜進(jìn)行建模，其電磁波主要通道為散熱孔。本文設(shè)置平面波激勵，通過仿真得到機柜內(nèi)部的電磁場強，如圖10所示。由圖可知，280 MHz的電磁波在機柜內(nèi)形成駐波，導(dǎo)致機柜內(nèi)駐波波腹點的場強大于入射波場強。

圖10 無屏蔽網(wǎng)孔情況下的電場分布

仿真對散熱孔施加金屬絲屏蔽的情況，加入沿z軸正方向、大小為1 V/m的平面波，對圖11中給出的4種散熱網(wǎng)孔情況分別進(jìn)行仿真[15]。

圖11 各種網(wǎng)孔的屏蔽效能

屏蔽效能的計算結(jié)果如圖11所示，可以根據(jù)其結(jié)果選擇最優(yōu)的網(wǎng)孔形狀。由圖可知，網(wǎng)孔邊長為6 mm的網(wǎng)格比邊長為7 mm的網(wǎng)格屏蔽效能提高了6 dB，因此，對于同樣形狀的網(wǎng)孔，孔徑越小，屏蔽性能越佳。對于不同形狀的網(wǎng)格，圓孔的屏蔽特性比方孔的屏蔽特性好。通過分析，優(yōu)化選擇直徑為7 mm的圓孔作為網(wǎng)孔圖形。

2.2.3 真實PCB場源的機柜輻射

本文分析設(shè)備中真實PCB場源對系統(tǒng)電磁兼容特性的影響。利用三維電磁場仿真方法將PCB的輻射場等效為一個電磁環(huán)境中的激勵源，分析其電磁輻射特性[16]。在分析對象里作為激勵源的PCB有12塊板子。首先定義PCB上的各種干擾源(或稱噪聲源)，主要分為：

(1) 集成電路(IC)芯片工作時產(chǎn)生的噪聲；

(2) 互連信號產(chǎn)生的輻射噪聲；

(3) 供電系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。

分析電路板的結(jié)構(gòu)，采用SIwave軟件仿真PCB的輻射特性，得到PCB電場場強分布的仿真，結(jié)果如圖12所示，將該結(jié)果導(dǎo)入HFSS軟件，就可以仿真PCB產(chǎn)生的電磁干擾。圖13給出了對應(yīng)上述干擾的三米法實驗的數(shù)值仿真結(jié)果。

圖12 PCB上方1 mm處的電場分布

圖13 PCB的三米法仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過工程實例，介紹了“自頂向下”的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計在車載集群通信系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計中的應(yīng)用。運用該設(shè)計流程，結(jié)合EDA仿真工具進(jìn)行電磁兼容設(shè)計，能有效地分析各種電磁干擾影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性水平，確保車載集群通信系統(tǒng)的正常工作。

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