張晨光 范慧波 楊 歡

(北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司 南京 211153)

射頻仿真/電磁兼容技術(shù)

車(chē)載通信系統(tǒng)電磁兼容仿真研究

張晨光 范慧波 楊 歡

(北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司 南京 211153)

隨著通信電子的發(fā)展，電磁兼容性已成為車(chē)載通信系統(tǒng)集成的重要指標(biāo)，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文結(jié)合電磁兼容對(duì)車(chē)載通信系統(tǒng)的性能影響，分析了車(chē)載通信系統(tǒng)的電磁兼容影響因素，建立了系統(tǒng)集成電磁兼容指標(biāo)分配模型，并針對(duì)車(chē)頂天線布局、車(chē)內(nèi)系統(tǒng)互連進(jìn)行了仿真分析，為車(chē)載通信系統(tǒng)集成指標(biāo)量化提供了一種方法和思路。

車(chē)載通信系統(tǒng)；電磁兼容；仿真；天線布局；系統(tǒng)互連

Abstract: With development of communication electronics, EMC becomes an important index of vehicular communication system integration already, which effects performance index of whole system directly. Factor of effecting EMC of vehicular communication system is analyzed combining effect of EMC on performance of vehicular communication system. Index distribution model of system integrated EMC is established, and simulation and analysis aiming at roof antenna layout and system interconnection in vehicle is carried out, and this provides a method and idea for quantifying the integrated index of vehicular communication system.

Keywords：vehicular communication system; EMC; simulation; antenna layout; system interconnection

0 概述

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，在海、陸、空、天等各種作戰(zhàn)、通信、指揮、控制、遙感等系統(tǒng)中，由于任務(wù)系統(tǒng)的多樣性和功能的高度集成化，越來(lái)越多的電子設(shè)備被集成在一個(gè)工作平臺(tái)上，如通信系統(tǒng)、定位裝置、可視化系統(tǒng)、信息終端、控制系統(tǒng)等車(chē)載電子設(shè)備的逐漸增加，不僅使軍用車(chē)輛的設(shè)備布局變得十分密集，而且其內(nèi)部有限頻帶內(nèi)工作頻率密集，單位體積內(nèi)電磁功率密度非常大，高低電平器件或裝置的混合使用很容易導(dǎo)致系統(tǒng)電磁兼容性能惡化。同時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)常存在各種有意無(wú)意的電磁干擾、核輻射干擾、電臺(tái)干擾等，這都使得軍用車(chē)輛的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，因此，解決車(chē)載通信系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題就顯得尤為重要。

目前，整車(chē)的電磁兼容[1][2]問(wèn)題已成為車(chē)載通信系統(tǒng)全壽命周期中必須面對(duì)的客觀問(wèn)題，是車(chē)載通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到系統(tǒng)集成的優(yōu)劣，甚至決定了系統(tǒng)集成的成敗。如果解決不當(dāng)，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，尤其是會(huì)造成電臺(tái)有效通信距離縮短、話音質(zhì)量變差、噪聲增大、誤碼率增大等后果，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致各個(gè)通信信道完全阻塞，從而致使車(chē)輛甚至整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓，并且浪費(fèi)大量研制經(jīng)費(fèi)。

本文針對(duì)影響車(chē)載通信系統(tǒng)的主要因素，結(jié)合實(shí)例，通過(guò)電磁兼容對(duì)車(chē)載通信系統(tǒng)的干擾分析，開(kāi)展車(chē)載通信系統(tǒng)電磁兼容仿真研究，并對(duì)影響通信性能的電磁兼容指標(biāo)進(jìn)行分解。

1 電磁兼容對(duì)車(chē)載通信系統(tǒng)的影響

1.1 主要影響因素

對(duì)于車(chē)載通信系統(tǒng)，電磁干擾的耦合因素非常繁多，不同的耦合途徑對(duì)其通信性能指標(biāo)都有或多或少的影響。如圖1所示，電磁干擾的耦合途徑一般可分為兩種情況：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合分為直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和轉(zhuǎn)移阻抗耦合；輻射耦合分為天線與天線間耦合、電磁場(chǎng)與電纜耦合和導(dǎo)線與導(dǎo)線耦合。電磁干擾源可通過(guò)其中一種方式或同時(shí)通過(guò)兩種方式，對(duì)敏感設(shè)備進(jìn)行干擾。車(chē)載通信系統(tǒng)由于受車(chē)輛結(jié)構(gòu)、尺寸限制，艙內(nèi)空間比較狹小，設(shè)備密集度高，各種設(shè)備同時(shí)工作致使艙內(nèi)電磁環(huán)境惡劣，內(nèi)部及外部各種干擾源很容易耦合至車(chē)內(nèi)通信系統(tǒng)上。

圖1 電磁干擾耦合途徑分類(lèi)

1.2 車(chē)載通信系統(tǒng)指標(biāo)體系

根據(jù)影響車(chē)載通信系統(tǒng)的主要影響因素，將影響車(chē)載通信系統(tǒng)電磁兼容性能的指標(biāo)分為天線布局性能的指標(biāo)、互連系統(tǒng)性能的指標(biāo)、接地系統(tǒng)性能的指標(biāo)，如圖2所示。天線布局性能的主要指標(biāo)包括駐波比、天線方向圖、天線耦合度。駐波比反映的是天線發(fā)射的能量與反射的能量的比值，如果駐波比越大，表示其反射損耗越大，其輻射出的能量越小；天線方向圖反映的是天線在各方向的輻射特性；天線耦合度反映的是天線與天線間的隔離程度，如果隔離度指標(biāo)過(guò)低，天線發(fā)射時(shí)很容易將能量耦合到其他天線上，影響接收靈敏度，使通信覆蓋范圍下降。互連系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)包括線纜屏蔽效能、饋線插損、線間距。屏蔽效能主要反映線纜抑制輻射干擾和線間干擾耦合的能力，屏蔽效能越大其抗干擾能力越強(qiáng)；饋線插損主要反映射頻電纜上產(chǎn)生的信號(hào)損耗，插損越小，說(shuō)明信號(hào)在傳輸過(guò)程中損耗越??；線間距的大小主要影響線纜之間的分布參數(shù)，進(jìn)而可能產(chǎn)生不同程度的串?dāng)_耦合，在線上耦合出過(guò)大的干擾電壓/電流，影響設(shè)備的電磁兼容性能，因此，線間距是衡量系統(tǒng)互連性能的一個(gè)重要參數(shù)。接地系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)包括接地阻抗和接地方式。接地方式直接影響各接地點(diǎn)之間的電位差，良好的系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)可以有效防止電磁干擾，消除公共阻抗的耦合，也可保障人身和設(shè)備安全；接地阻抗主要取決于接大地點(diǎn)的阻抗大小和各設(shè)備與匯流排搭接的阻抗大小，直接影響接地系統(tǒng)電磁兼容性能的優(yōu)劣。[3]

圖2 車(chē)載通信系統(tǒng)集成性能指標(biāo)分配圖

1.3 電磁兼容仿真模型

由于車(chē)輛的外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部空間限制，無(wú)法完全屏蔽車(chē)載信息系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾的耦合，只能通過(guò)優(yōu)選布局，盡量減少電磁干擾的耦合度。所以車(chē)載通信系統(tǒng)在集成前，應(yīng)該確定其各方面的性能指標(biāo)，如圖2所示。但由于各個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性，所以根據(jù)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源將車(chē)載通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)分為定量指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)兩大類(lèi)。經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)包括接地阻抗、接地方式；定量指標(biāo)包括耦合度、方向圖、駐波比、接地阻抗、線纜屏蔽效能、饋線插損和線間距等。[3]經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)大多來(lái)自于國(guó)軍標(biāo)的相關(guān)規(guī)定和相關(guān)設(shè)備指標(biāo)等，定量指標(biāo)則需要在集成設(shè)計(jì)前，根據(jù)車(chē)體結(jié)構(gòu)，車(chē)體內(nèi)部空間、布局，以及相關(guān)環(huán)境干擾等因素影響，有針對(duì)性地建立車(chē)載通信系統(tǒng)集成前仿真需求模型，如圖3所示，對(duì)集成前車(chē)載通信系統(tǒng)部分性能指標(biāo)進(jìn)行仿真。車(chē)載通信系統(tǒng)集成前仿真包括系統(tǒng)天線布局仿真和互連系統(tǒng)仿真兩方面。

圖3 車(chē)載通信系統(tǒng)集成前仿真需求模型

a)系統(tǒng)天線布局仿真

系統(tǒng)天線布局仿真包括耦合度仿真和方向仿真。車(chē)載通信系統(tǒng)根據(jù)使用需求的不同，配置了不同類(lèi)型和數(shù)量的天線，導(dǎo)致在車(chē)頂狹小的空間內(nèi)集中了多種天線，天線之間的耦合度強(qiáng)烈；加之各種車(chē)輛載體的復(fù)雜表面，天線的方向圖難以把握，尤其是大功率HF收、發(fā)天線以及 VHF 天線的共存，各電臺(tái)間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾(如諧波干擾、鄰信道干擾等)；又由于天線是主動(dòng)收發(fā)耦合部件，空間隔離、屏蔽等許多在其他環(huán)境中解決電磁干擾的有效方法無(wú)法采用，因此必須對(duì)天線布局進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，以確定最佳的布局位置。

b)互連系統(tǒng)仿真

互連系統(tǒng)仿真包括線纜屏蔽效能仿真、線纜布設(shè)仿真、設(shè)備布設(shè)仿真和線間距仿真等。線纜線束是車(chē)輛內(nèi)電器設(shè)備的電路傳導(dǎo)系統(tǒng)，由于現(xiàn)代車(chē)輛內(nèi)的電器設(shè)備較多，使得線束上的電線接頭及接插件的數(shù)量也較多。同時(shí)，車(chē)輛內(nèi)系統(tǒng)還是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，空間區(qū)域狹小，無(wú)線設(shè)備間的電磁干擾耦合、天線輻射場(chǎng)對(duì)互聯(lián)傳輸線的場(chǎng)-線電磁干擾耦合、天線輻射場(chǎng)對(duì)車(chē)輛內(nèi)部電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；加之有限頻帶內(nèi)工作頻率高度密集，單位體積內(nèi)的電磁功率密度急劇增大，高低電平器件或裝置混合使用，使得車(chē)載通信系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境變得極為惡劣。因此，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)車(chē)輛內(nèi)設(shè)備及電纜的布設(shè)進(jìn)行仿真，確定較為合理的布設(shè)方式，確定連接電纜的屏蔽效能指標(biāo)。

2 仿真分析

2.1 車(chē)頂天線布局仿真分析

車(chē)頂天線布局仿真的主要依據(jù)包括天線輻射方向圖、天線耦合度等。天線輻射方向圖、天線耦合度由天線在車(chē)輛上的結(jié)構(gòu)布局決定。天線間的耦合度越大，相互耦合就越強(qiáng)，產(chǎn)生的相互干擾也就越強(qiáng)；實(shí)際車(chē)輛集成條件下的方向圖反映了相應(yīng)上裝天線在不同方位上的增益變化，直接影響通信距離與覆蓋范圍，需要避免方向圖在某一方向出現(xiàn)畸變的情況。因此，天線應(yīng)以減小耦合度為目標(biāo)，并綜合天線方向圖進(jìn)行仿真分析。

以某車(chē)型通信系統(tǒng)為例，該車(chē)型主要以UHF電臺(tái)作為通信系統(tǒng)的傳輸信道，系統(tǒng)內(nèi)除了UHF電臺(tái)外還存在VHF電臺(tái)，其配置的VHF天線和UHF天線均為全向天線，VHF電臺(tái)天線的工作頻段在20MHz -100MHz范圍內(nèi)，UHF電臺(tái)天線的工作頻段在200MHz -600MHz范圍內(nèi)。UHF電臺(tái)與VHF電臺(tái)的工作頻段雖然相差100MHz，雖然兩者之間的干擾相對(duì)較為輕微，但VHF電臺(tái)帶來(lái)的高次諧波仍然可能對(duì)UHF電臺(tái)有一定的影響。由于車(chē)載平臺(tái)的車(chē)頂空間相對(duì)有限，UHF電臺(tái)天線和VHF電臺(tái)天線在車(chē)頂不同安裝位置之間的相對(duì)位置沒(méi)有太大變化，無(wú)法以經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別。如圖4，通過(guò)仿真，分析UHF電臺(tái)天線與VHF電臺(tái)天線在車(chē)頂不同位置間的耦合度，對(duì)比選擇耦合度相對(duì)較好的布置方式，并可以根據(jù)仿真結(jié)果預(yù)估集成前的UHF電臺(tái)與VHF電臺(tái)之間的耦合度閾值。

圖4 某型車(chē)輛VHF電臺(tái)與UHF電臺(tái)不同位置耦合度仿真圖

UHF電臺(tái)所使用的為全向天線，天線的各個(gè)方向輻射功率與天線方向圖的特性一致，但由于天線輻射可能會(huì)受到車(chē)體斜面及表面凹凸的影響，天線的輻射場(chǎng)可能會(huì)產(chǎn)生較大的變化。選取UHF電臺(tái)天線的高中低頻段中各一個(gè)頻點(diǎn)，對(duì)各方向的增益方向進(jìn)行仿真，如圖5所示，UHF電臺(tái)的方向圖在不同頻點(diǎn)都有畸變，尤其在中頻段畸變嚴(yán)重，可能直接影響集成后系統(tǒng)的通信性能。對(duì)UHF電臺(tái)天線進(jìn)行輻射性能優(yōu)化處理，加高天線底座，再對(duì)其天線高中低頻段進(jìn)行仿真，如圖6、7、8所示。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，UHF電臺(tái)天線在經(jīng)過(guò)加高優(yōu)化處理后，天線方向圖有了明顯改善，不同頻點(diǎn)的畸變明顯較之前減少。因此，車(chē)載通信系統(tǒng)在集成前應(yīng)對(duì)天線進(jìn)行不同頻點(diǎn)的輻射特性仿真，根據(jù)方向圖，可以提出車(chē)載通信系統(tǒng)內(nèi)天線在方向的輻射能量的量化值。

圖5 某型車(chē)輛內(nèi)UHF電臺(tái)高中低頻點(diǎn)方向圖

圖6 UHF電臺(tái)優(yōu)化前后天線方向圖(低頻點(diǎn))

圖7 UHF電臺(tái)優(yōu)化前后天線方向圖(中頻點(diǎn))

圖8 UHF電臺(tái)優(yōu)化前后天線方向圖(高頻點(diǎn))

2.2 互連系統(tǒng)仿真分析

連接電纜易受到屏蔽效能，布設(shè)方式不理想等多種因素的影響，成為外部干擾源的傳輸媒介，對(duì)車(chē)載通信系統(tǒng)造成影響。

采用不同屏蔽層的線纜其屏蔽效能和價(jià)格都有很大的區(qū)別，通過(guò)仿真對(duì)電纜傳輸信號(hào)設(shè)定為幅度0.5V的方波，通過(guò)外部射頻電磁環(huán)境下時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，如圖8。當(dāng)外部射頻入射后，無(wú)屏蔽電纜、單層屏蔽電纜和雙層屏蔽電纜的時(shí)域信號(hào)，如圖10、11、12?？梢钥闯?，無(wú)屏蔽的線纜在外部射頻電磁環(huán)境下所傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形；采用單層屏蔽的線纜傳輸?shù)男盘?hào)變形較為輕微；采用雙層屏蔽的線纜傳輸?shù)男盘?hào)幾乎沒(méi)有受到任何影響。因此，車(chē)載通信系統(tǒng)在集成前應(yīng)根據(jù)車(chē)內(nèi)電磁環(huán)境對(duì)所選電纜進(jìn)行仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果，提出車(chē)載通信系統(tǒng)集成電纜所需的屏蔽效能量化值。

線纜在不同的布設(shè)方式下對(duì)外部電磁環(huán)境的感應(yīng)有所區(qū)別，通過(guò)調(diào)整線纜與車(chē)體間的距離，仿真不同離地高度情況下對(duì)外部電磁環(huán)境的感應(yīng)電流，仿真結(jié)果如圖13。

從該結(jié)果可以看出，相比緊貼車(chē)體，線纜距車(chē)體10mm時(shí)感應(yīng)電流明顯增大。但由于在車(chē)載通信系統(tǒng)集成過(guò)程中，車(chē)內(nèi)空間有限，可以布設(shè)電纜的地方相對(duì)有限，所以不可能按照最優(yōu)的方式進(jìn)行布設(shè)。因此，在車(chē)載通信系統(tǒng)集成前，可以根據(jù)仿真結(jié)果，提出車(chē)載通信系統(tǒng)集成前電纜布設(shè)的量化值。

圖9 線纜傳輸?shù)臅r(shí)域信號(hào)

圖10 外部電磁環(huán)境下無(wú)屏蔽線纜傳輸?shù)臅r(shí)域信號(hào)

圖11 外部電磁環(huán)境下單層屏蔽線纜傳輸?shù)臅r(shí)域信號(hào)

圖12 外部電磁環(huán)境下雙層屏蔽線纜傳輸?shù)臅r(shí)域信號(hào)

圖13 外部電磁環(huán)境下單層屏蔽線纜在不同高度的感應(yīng)電流

3 總結(jié)

電磁兼容技術(shù)是車(chē)載通信系統(tǒng)集成的最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。要提高車(chē)載通信系統(tǒng)集成的性能指標(biāo)，就必須在車(chē)載通信系統(tǒng)集成前對(duì)電磁兼容技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)影響車(chē)載通信系統(tǒng)性能的主要因素，在整車(chē)集成前，對(duì)車(chē)頂天線布局、車(chē)內(nèi)線纜布設(shè)等進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果和系統(tǒng)通信指標(biāo)，對(duì)整車(chē)的性能指標(biāo)進(jìn)行量化預(yù)估，再結(jié)合各設(shè)備單體、系統(tǒng)集成各環(huán)節(jié)進(jìn)行指標(biāo)分配，提出具體指標(biāo)要求，為系統(tǒng)集成提供參考依據(jù)。在集成過(guò)程中和集成后利用功率計(jì)、頻譜儀、綜測(cè)儀、信號(hào)源、矢量網(wǎng)路分析儀等儀器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果與集成前的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，不斷優(yōu)化，提高車(chē)載通信系統(tǒng)的電磁兼容性能。

[1] 劉鵬程，邱揚(yáng).電磁兼容原理及技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1993：8-10.

[2] 邱揚(yáng)，田錦．電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社．2005．7-8.

[3] 田錦，通信系統(tǒng)電磁兼容指標(biāo)構(gòu)建與綜合評(píng)估技術(shù)研究[D]，西安：西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文，2012.

[4] 何越，車(chē)載電磁兼容建模技術(shù)研究[D]，西安：西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文，2014.

StudyonElectromagneticCompatibilitySimulationofVehicularCommunicationSystem

Zhang Chenguang， Fan Huibo， Yang Huan

(North Information Control Research Institute Co.Ltd, Nanjing 211153)

TN95

A

1008-8652(2017)02-089-06

2017-03-12

張晨光(1954-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)集成。