EMCoS Studio在車載天線布局與線纜設(shè)備上的仿真應用*

馮彬彬，李亞靖

（1. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2. 上?；羧R沃電子系統(tǒng)技術(shù)股份有限公司，上海201203）

引 言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，基于各種大平臺的實物系統(tǒng)越來越復雜，例如車載、機載、艦載、星載等電大尺寸平臺上設(shè)備復雜度越來越高[1]。多種類型的線纜與多副天線設(shè)備在同一區(qū)域內(nèi)工作時可能會產(chǎn)生相互影響。為了避免它們之間的相互干擾[2-4]，讓各系統(tǒng)能夠正常工作，就需要解決各系統(tǒng)設(shè)備間的電磁兼容問題。

在實際工程應用中，電大尺寸平臺的電磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility, EMC）預測長期以來主要依靠設(shè)計人員的工作經(jīng)驗和簡單實驗驗證。這種方法的可靠性有待科學檢驗，同時還會耗費大量時間和物資[5-7]，而且，如果在平臺和其設(shè)備系統(tǒng)加工完成后又發(fā)現(xiàn)問題，將會導致設(shè)計修改難度加大。為了解決這一問題，利用軟件仿真的方式，通過虛擬測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)間可能存在的電磁兼容問題，則可以大大節(jié)省人力和物力[8-9]。與傳統(tǒng)的電磁兼容仿真方式不同，本文借助EMCoS Studio軟件，利用其雙精度的矩量法（MOM）和傳輸線矩陣（TLM）算法以及混合求解的方式，不僅可以解決系統(tǒng)平臺中某一類設(shè)備的影響效應，還可以解決系統(tǒng)平臺中不同類別設(shè)備間的相互干擾，這樣就大大提高了仿真的效率，而且雙精度MOM的可靠性還保證了結(jié)果的準確度。

1 仿真原理

車載平臺設(shè)備復雜，天線和線纜作為其關(guān)鍵的電類器件，有著舉足輕重的地位[10-11]。對于復雜類線束線纜問題，EMCoS Studio利用其快速線纜庫和屏蔽庫高效精確地構(gòu)建復雜線纜的虛擬模型，然后利用基于TLM的混合TLM（Hybrid-TLM）分析方法準確地評估線纜間的串擾、輻射和敏感性問題。除此之外，EMCoS Studio還可以借助其獨特的隨機線纜線束功能，有效避免線纜線束擾動帶來的結(jié)果敏感性問題。對于天線類問題，EMCoS Studio基于MOM三維場求解器——TriD求解器，高精度地求解天線問題。對于天線和線纜混合問題，EMCoS Studio基于混合求解技術(shù)，將TLM與TriD結(jié)合，可以有效求解復雜線纜設(shè)備與天線之間的耦合問題。

1.1 TLM算法概述

Hybrid-TLM主要目的是解決不同類型的問題，如電路計算、任意電纜束的串擾問題、電纜束與有源或無源三維結(jié)構(gòu)的交互問題。

Hybrid-TLM基于TLM算法，但經(jīng)過改進后可以同時支持時域和頻域的計算，對于包含頻率相關(guān)問題的模型利用生成等效電路的方法在時域進行計算。

傳統(tǒng)的TLM算法[12-13]以準橫電磁波為前提，結(jié)合線纜的特征（如不連續(xù)性、隨機性等）構(gòu)建線纜的精確模型，提取每一分割段線纜截面的寄生參數(shù)（電阻、電感、電導、電容）[14-15]，然后級聯(lián)求解。Hybrid-TLM在此基礎(chǔ)上融合了寄生參數(shù)等效電路法與MOM，可以將場路聯(lián)合求解，效率和精準度更高。

1.2 TriD算法概述

TriD求解器主要用于求解置于自由空間或無限大地面（理想導體或金屬介質(zhì)地面）上的復雜金屬或介質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁場問題。它不僅包含任意形狀線和面的金屬結(jié)構(gòu)（封閉體或未封閉體），而且包含金屬嵌入或涂層的介質(zhì)體。

MOM于1968年由哈靈頓（R·F·Harrington）提出，它將多個線性方程組或積分方程組轉(zhuǎn)換為矩陣方程來進行求解[16-17]。

TriD 的計算基于MOM，并使用著名的RWG（Rao-Wilton-Glisson）三角網(wǎng)格和改進的線和線到面求解功能，在金屬導線和面上引入電流的電場積分方程以及介質(zhì)材料交界面上的等效電流和等效磁流來實現(xiàn)混合場的積分方程求解。

1.3 耦合原理

以前面提到的兩種算法為基礎(chǔ)，利用MOM求出天線的增益，借用空間Friis傳輸公式[18]進行耦合計算。Friis傳輸公式可以表示為：

式中：Pr為接收源的功率；Pt為發(fā)射源的功率，這樣就可以算出線纜的輻射功率或接收功率。

2 仿真分析

EMCoS Studio是國外車類企業(yè)常用的電磁兼容分析工具。得益于其獨特的算法，EMCoS Studio以其高精度的特點在行業(yè)內(nèi)聞名。

本文仿真的對象為通信專用車，其中主要設(shè)備包含線纜和天線。線纜的線束種類包含多芯線、雙絞線和射頻同軸線3種。天線包含6副不同頻段的天線。

首先使用EMCoS Studio軟件的Hybrid-TLM算法對不同類型電纜線束的串擾情況進行仿真；其次利用其TriD求解器仿真各天線間的干擾；最后借助軟件的混合求解技術(shù)，分析天線對線纜的干擾情況。

天線仿真包括單元天線仿真和天線加載平臺仿真；線纜仿真包括電源線仿真、基帶線仿真和射頻線仿真；天線對線纜的仿真包括加載平臺的6對天線依次對其他電纜的仿真。

EMCoS Studio分析的前期過程包含模型導入、模型修復、端口及激勵添加和求解設(shè)置。無論是線纜還是天線，仿真流程類似。

2.1 線纜分析

車輛平臺上的設(shè)備通過線纜進行連接，一些發(fā)射設(shè)備通過線纜的傳導和輻射會對敏感設(shè)備產(chǎn)生一定的干擾，而干擾信號可能會造成敏感設(shè)備的運行出現(xiàn)問題。

線纜串擾的仿真主要涉及線纜兩端連接的終端設(shè)備和線纜本身。線纜主要有電源線纜、基帶線纜和射頻線纜3類，射頻線纜上的信號頻段為2～3.8 GHz。仿真模型如圖1所示。

圖1 不同類型線纜的模型

仿真內(nèi)容主要是觀察任意兩種線纜被同時激勵時，第3種線纜上耦合信號電平的大小。例如：將電源線纜和射頻線纜作為干擾源，觀察基帶線纜的受擾情況，如圖2所示。

圖2 不同類型線纜的干擾模型

2.2 天線布局分析

天線放置在車輛上后，由于車身結(jié)構(gòu)等因素，會對天線方向圖產(chǎn)生干擾，進而可能影響天線的預設(shè)性能。同時，多副車載天線處于同一環(huán)境時，相互之間也會產(chǎn)生干擾，進而對天線的性能造成影響。

天線布局仿真主要針對車輛上搭載的6副天線：天通天線、短波電臺天線、高速電臺天線、無線寬帶天線、0.9 m衛(wèi)通天線和超短波天線，其布局圖如圖3所示，天線主要信息見表1。

圖3 天線布局俯視圖

仿真內(nèi)容主要是觀察這6副天線各自搭載到車輛平臺上之后的方向圖變化，并對天線之間的干擾進行分析。

2.3 天線對線纜的干擾分析

天線是輻射源，當車輛上的天線工作時，天線輻射的信號存在耦合到線纜的可能性，因此天線對線纜的干擾也需要仿真分析。仿真內(nèi)容主要為將任意1副天線對應的線纜作為被干擾線纜，其他天線（天線布局仿真的天線）同時作為輻射源，觀察耦合到線纜的信號的電平大小，其線纜布局如圖4所示。

圖4 線纜布局俯視圖

3 仿真結(jié)果

3.1 線纜串擾結(jié)果

依次將電源線、基帶線和射頻線作為敏感源，觀察它們在其他線纜作為激勵時內(nèi)芯電流的變化，如圖5所示。電源線含內(nèi)芯4根，傳輸信號的頻率為50 Hz；基帶線含內(nèi)芯10根，傳輸信號的頻段為12.5～100 MHz；射頻線含內(nèi)芯1根，所需求解的頻段為4 MHz～21.2 GHz，但實際傳輸信號頻段為2～3.8 GHz。各類線纜的受擾電流如圖5所示。從結(jié)果可以看出，將電源線、基帶線或射頻線作為敏感線纜時，終端耦合到的干擾電流都非常小，最大也不超過-40 dBA，說明這3種線纜在走線過程中基本不會產(chǎn)生不可接受的相互干擾。

圖5 各類線纜的受擾電流

3.2 天線布局仿真結(jié)果

依次對6副不同天線加載車體，觀察天線方向圖的變化，如圖6所示。從結(jié)果可以看出，對于天通天線和0.9 m衛(wèi)通天線，天線凈空環(huán)境較好，車體對方向圖的影響較??；對于短波電臺天線，由于車輛平臺金屬面是其天線的部分結(jié)構(gòu)，參與輻射方向圖的形成，所以平臺對其方向圖的畸變影響也較??；但是，對于其他3副鞭狀天線，加載車輛平臺相當于擴大了其反射面，會使得能量更多地聚集到車輛上方，從而增大天線的增益。

圖6 各類天線的方向圖變化

3.3 天線對線纜的干擾結(jié)果

依次將6副天線中的1副天線對應的線纜作為被干擾路徑，其他天線作為輻射源，觀察線纜上的電流變化，如圖7所示。從結(jié)果可以看出，天線對線纜干擾的6種工況下，線纜上的耦合電流均非常小。原因在于，一方面除短波電臺天線的線纜之外，其余天線的線纜均具有較好的屏蔽效果；另一方面，天線之間的工作頻段差距較大，尤其對于高頻段的天通天線和0.9 m衛(wèi)通天線，基本沒有干擾信號，因為其他天線均不工作在受影響的天線線纜的工作頻段內(nèi)。

圖7 線纜受天線干擾的受擾電流

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)電大尺寸電磁兼容設(shè)計主要依賴工程經(jīng)驗，缺少較為完整的仿真設(shè)計流程。本文利用EMCoS Studio仿真軟件的3個不同模塊依次對車載平臺上的天線、線纜以及天線對線纜的干擾進行了仿真。從仿真結(jié)果可以看出，該車載平臺的天線布局和線纜設(shè)計不存在相互之間的電磁干擾。同時，國外的多項試驗數(shù)據(jù)表明，該軟件的仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致性較好，因此可以判定該類車載天線布局和線纜設(shè)計符合設(shè)計要求，達到了車載電磁兼容的設(shè)計目的。這對系統(tǒng)的、流程化的電磁兼容仿真設(shè)計起到了縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和節(jié)約研發(fā)經(jīng)費的作用。