某道路復雜電磁波仿真方法

收稿日期：2024-05-09

【摘 要】5G時代，為了加強信息通信和智能網聯(lián)汽車的多維交互品質，在一些路段，尤其是隧道、地庫安裝了不同移動運營商的信號放大器、V-2X交互裝置等，造成電磁波異常積聚、畸變，對智能汽車的敏感電子件具有較大影響，危及行車安全。文章通過對此類道路電磁波進行采集、頻譜分析、數據模型、仿真加載和虛實對比等方式進行研究，確定一套完整的復雜電磁波仿真方法，通過此方法，可以更好地甄別產品開發(fā)缺陷，提升產品品質。

【關鍵詞】畸變電磁波；數據模型；仿真加載；虛實對比

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0076-03

Simulation Method of Complex Electromagnetic Wave on a Road

TANG Wei，YE Qing，CAO Xuefeng，YANG Tianlong，WU Kunbao

（JETOUR Auto，Wuhu 241003，China）

【Abstract】In the 5G era，in order to strengthen the multi-dimensional interaction quality of information communication and intelligent connected vehicles，signal amplifiers and V-2X interactive devices of different mobile operators are installed in some road sections，especially in tunnels and underground warehouses，resulting in abnormal accumulation and distortion of electromagnetic waves，which has a greater impact on sensitive electronic parts of intelligent vehicles and endangers driving safety. Through the acquisition，spectrum analysis，data model，simulation loading and virtual-real comparison of this kind of road electromagnetic wave，a complete set of complex electromagnetic wave simulation method is determined. Through this method，the defects of product development can be better identified and product quality can be improved.

【Key words】distorted electromagnetic wave；data model；simulation loading；virtual-real contrast

1 引言

近年來，隨著中國社會5G智能化、汽車行業(yè)電動化的高速發(fā)展，道路上電磁環(huán)境越來越復雜，已經超出了傳統(tǒng)意義上紅綠燈、廣播發(fā)射臺等傳統(tǒng)單向電磁波干擾源對汽車造成的單向電磁干擾。已有的單向電磁波抗擾方法已經不能滿足時代發(fā)展，所以需要研究道路上混合各種異常電磁信號形成的復雜電磁波抗擾方法，此方法是提升智能汽車穩(wěn)定性、可靠性的必要課題。

在軍事領域復雜電磁波驗證是一門較為健全的科學研究方向，在民用、工業(yè)領域應用研究很少，近年來在國外發(fā)達國家也是將復雜電磁波作為新興課題研究，在UVW、AM信號混合等領域取得一定積極成果。國內汽車對這塊的研究剛剛起步，在中國汽車工程學會牽頭下，各大OEM、研究所積極投入此領域的研究，目前還處于技術規(guī)劃、方法討論階段，還沒有統(tǒng)一的方法和規(guī)范的要求。

2 主要研發(fā)方法技術

本研究以復雜電磁波頻譜采集、信號分析、數據模型和仿真加載應用為主題，基于自動化數據采集分析軟件，為研究提供高效驗證工具。

2.1 復雜電磁波采集

電磁波由電場與磁場在空間中相互振蕩而產生，以波動的形式傳播，其每秒變動的次數便是頻率，復雜電磁波即不同頻率信號的融合，電磁波傳播特性的研究本質上是研究傳播介質對電磁波的極化響應特性[1]，因此采集復雜電磁波需要使用多頻段融合天線和具備頻率分析功能的頻譜分析儀。

在某隧道內，使用多頻段融合天線對所處場域的電磁波采集。

1）采集工具：一臺是德N993A頻譜分析儀、一套HZ 15近場探頭。

2）采集頻段：400Hz～5000MHz。

3）采集步驟：運行全域采集功能，抓取尖銳點并予以記錄。

4）采集過程：在隧道內，手機信號非常弱，因此需要加載不同運營商不同頻段的信號放大器來提升手機信號，不同基站信號波疊合在一起，形成強烈混合復雜電磁場，對來往車輛造成通信影響。

打開是德N993A頻譜分析儀，根據基站信號特點設置對應的采集頻段，將HZ15近場探頭對著基站放大器群，設置MaxHold記錄所采集到的數據。

由于整體頻段大，在長基數波段中進行有效電磁濾波，隔絕無用的電磁信號底噪，摘取有用電磁尖銳波峰段。

同時記錄所有波峰段的頻率值及最大值，見表1和表2。

2.2 信號分析

電磁波信號分析指將信號做傅里葉函數變換，從而進行下一步的處理。上文采集的信號都是在同一個頻段，存在多個波峰信號，信號相互獨立存在，因此這種漫步式的物理特性無法應用在標準的信號仿真中。

為了將采集到的信號能量應用在仿真測試中，需要將單個頻段所有波峰數據進行函數轉換，基于融合算法模型構建新的數據[2]，新生成的數據信號具備所有采集到的信號能量特性，它能代表這個波段所有信號特性，用這個新的信號數據來進行下一步的研究，因此需要用到頻譜儀配套的上位軟件PathWave BenchVue FieldFox（是德公司軟件，可以快速配置各種儀器控制和測量功能快速創(chuàng)建自動化測試序列），使用軟件錄播功能對記錄的信號能量進行加載，基于傅里葉原理分析，進行有效的函數變化，生成需要的虛擬信號數據。PathWave BenchVue FieldFox信號分析如圖1所示。

2.3 數據模型建立

數據模型是現(xiàn)實世界數據特征的抽象，數據模型是數據庫中數據的存儲方式。將二進制數據轉換為帶有物理指標的物理數據模型，是信號仿真的必要步驟，也是整個試驗方法的核心部分。將轉換成二進制的數據命名為emi.csv。使用MATELAB進行數據模型建立。

1）打開MATELAB，建立運行模板，輸入以下程序。

% Generate a sine wave signal

fs = 200; % Sampling frequency

t = 0：1/fs：1; % Time vector

f = 10; % Frequency of signal

% % % Sine wave signal

% x = sin（2*pi*f*t）;

% % Square wave signal

dutyCycle = 50; % Duty cycle of square wave

% % Input filename

filename = 'C：＼Users＼Username＼Desktop＼emi.csv';

x = csvread（filename）zRxl+6diyu8lao1ti4gKAQBv+MDvzbqIGPNKUIHoc0I=;

% x = square（2*pi*f*t， dutyCycle）;

voltage_range = 5; % Voltage range

x_analog = voltage_range/2*x; % Convert to analog signal

% Convert analog signal to digital signal

2）運行，進行數據編譯，最后生成數據模型。

3）數據模式使用COE格式保存。

2.4 仿真加載

仿真指利用模型復現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質過程，通過對模型數據的試驗來研究設計中的系統(tǒng)模擬結果，EMC仿真集高速電路建模、仿真和優(yōu)化為一體，通過建立仿真模型，對車載平臺中不同天線的遠傳輻射方向圖、天線間耦合度以及近場輻射分布進行仿真[3]，用仿真代替試驗，可以快速地幫助工程師完成高速電路EMC設計，實現(xiàn)信號完整性，極大減少研發(fā)費用，縮短研發(fā)周期。

1）使用EMC仿真專用軟件FOKO進行測試。

2）在已有的某個車型基礎仿真運行結果上，由于仿真模型參數由全局參數和局部參數組成[4]，基于FOKO軟件具備修改某個模塊的能力，加載前面COE格式數據模型，將模型的數據做變量，植入某個模塊電磁特性圖中。

3）運行仿真，分析選定的車輛整體/模塊電磁特性的表面電流分布變化。

4）這些變化就是車輛整體/模塊不穩(wěn)定性的表現(xiàn)，需要專業(yè)人員對變化數據進行數據分析，分析這些變化是穩(wěn)定變化量還是遇到復雜電磁波會出現(xiàn)的異常。如果是異常，需要進一步調整產品PCB設計，來改變電磁波段，因此可以為電子電器產品開發(fā)提供有力的前期數據，可以很好地降低試驗費用和后期修改硬件成本，同時縮短開發(fā)周期，對汽車開發(fā)具有極致好處。

選取某個車型原有的基礎EMC仿真結果，整車EMC表面電流分布穩(wěn)定，沒有明顯電磁波動。為了便于驗證，選取中控雙屏為主面場強進行變化測試量驗證，然后把前面處理好的物理數據模型挨個植入到中控雙屏的電磁特性圖中，運行FOKO仿真，此時因為中控雙屏的原有電磁特性已經發(fā)生變化，仿真數據上會形成一個電波特性圖。

然后對照PCB電路板設計圖，可以知道這個位置的芯片組設計不合理，需要對這個區(qū)域的PCB進行修改，通過芯片區(qū)域調整、線路優(yōu)化、濾波等手段改變這個區(qū)域的電波特性，使整個中控雙屏的電磁波恢復平穩(wěn)。

2.5 虛實對比

仿真是虛擬量的運行，由于電磁兼容總體不確定性，仿真結果可能由于某些變量原因，不能和現(xiàn)實環(huán)境一致，因此需要在完成仿真驗證的基礎上，導入真實試驗室測試，通過虛擬仿真試驗和傳統(tǒng)試驗虛實結合的方式[5]來確定整個驗證流程可靠；因此要把第一步采集的物理信號重新分析，解析多組純物理信號，基于物理信號，直接干擾車輛整體/模塊，觀測現(xiàn)象變化。下文以中控雙屏為例進行展開。

1）真實測試基于R&S測試臺架進行，臺架由信號源、信號放大器、功放、天線、電波暗室和測試軟件組成。

2）其核心是R&S R ELEKTRA測試軟件，該軟件可以控制完整的EMC測試系統(tǒng)，自動進行被測設備EUT的騷擾EMI和抗擾度EMS認證測試。

3）按照CISPR 16—2019的規(guī)定進行基礎的試驗布置，在電波暗室內將信號源、信號解調放大器、功放、天線進行布置。

4）按照CISPR 25—2016規(guī)定的試驗布置，將中控雙屏進行樣品布置，激活產品正常工作。如圖2所示。

5）在R&S R ELEKTRA建立EMS抗擾測試模板（圖3），在source中導入處理好的物理信號數據，補償各類衰減補償數據。

6）運行測試模板，復雜電磁波將會直接導入到中控雙屏周身，實時監(jiān)控電磁場強（圖4），通過攝像頭觀測樣品變化。

7）基于真實觀測到的現(xiàn)象，對比仿真的結果，確認兩者有無差異，如果一致說明仿真模板設計理想，數據模型準確。如果存在差異，返回到仿真信號分析、數據模型建立之中，尋找其中可能存在的不足點，通過重新解調數據，優(yōu)化數據模型，再次導入到仿真軟件中，進行重復驗證，直至整個仿真流程得到充分的優(yōu)化，積累經驗，規(guī)避以后同類錯誤。

3 結論

本方法核心就是將現(xiàn)實環(huán)境中的純粹空間信號能量通過真實信號采集、解調分析，引入到軟件測試領域中，通過傅里葉變化進行數據轉換，應用數據模型制定原則，直觀地體現(xiàn)在仿真模塊植入電磁改變帶來二次反應，最后對比真實測試結果，發(fā)掘仿真應用的缺陷點，并積極優(yōu)化糾正。

本次研究的成功可以為汽車開發(fā)的周期性、成本降低帶來大維度的降低，在積累一定成功案例后，積累關鍵經驗，形成穩(wěn)定的驗證方案后就可以不再進行真實測試，可以進一步簡化方法，形成“0”開發(fā)成本。

參考文獻：

[1] 白波. 近地空間復雜環(huán)境下的電磁波傳播特性研究[D]. 南昌：南昌大學，2022.

[2] 陳坤定. 微分分類數學模型在大數據分類系統(tǒng)優(yōu)化算法的應用研究[J]. 山西師范大學學報（自然科學版），2023，37（1）：59-65.

[3] 陳誠，梁琰，張晨光. 多天線車載平臺的電磁兼容仿真[J]. 移動電源與車輛，2022，53（4）：44-50.

[4] 陳開群，王靜，高亞聰. 微觀交通仿真模型參數多目標優(yōu)化標定研究[J]. 交通工程，2023，23（1）：31-37.

[5] 唐希雯，宋博瑞，劉方正. 隨機信號分析課程的虛擬仿真實驗教學設計[J]. 高師理科學刊，2023，43（4）：81-86.

（編輯 楊凱麟）