车载通信系统电磁兼容仿真研究

张晨光 范慧波 杨 欢

(北方信息控制研究院集团有限公司 南京 211153)

射频仿真/电磁兼容技术

车载通信系统电磁兼容仿真研究

张晨光 范慧波 杨 欢

(北方信息控制研究院集团有限公司 南京 211153)

随着通信电子的发展，电磁兼容性已成为车载通信系统集成的重要指标，直接影响着整个系统的性能指标。本文结合电磁兼容对车载通信系统的性能影响，分析了车载通信系统的电磁兼容影响因素，建立了系统集成电磁兼容指标分配模型，并针对车顶天线布局、车内系统互连进行了仿真分析，为车载通信系统集成指标量化提供了一种方法和思路。

车载通信系统；电磁兼容；仿真；天线布局；系统互连

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

随着现代电子技术和无线技术的飞速发展，在海、陆、空、天等各种作战、通信、指挥、控制、遥感等系统中，由于任务系统的多样性和功能的高度集成化，越来越多的电子设备被集成在一个工作平台上，如通信系统、定位装置、可视化系统、信息终端、控制系统等车载电子设备的逐渐增加，不仅使军用车辆的设备布局变得十分密集，而且其内部有限频带内工作频率密集，单位体积内电磁功率密度非常大，高低电平器件或装置的混合使用很容易导致系统电磁兼容性能恶化。同时，战场环境时常存在各种有意无意的电磁干扰、核辐射干扰、电台干扰等，这都使得军用车辆的电磁环境变得更加复杂，因此，解决车载通信系统的电磁兼容性问题就显得尤为重要。

目前，整车的电磁兼容[1][2]问题已成为车载通信系统全寿命周期中必须面对的客观问题，是车载通信系统的重要指标之一，关系到系统集成的优劣，甚至决定了系统集成的成败。如果解决不当，很容易导致系统性能下降，尤其是会造成电台有效通信距离缩短、话音质量变差、噪声增大、误码率增大等后果，严重时将导致各个通信信道完全阻塞，从而致使车辆甚至整个通信系统瘫痪，并且浪费大量研制经费。

本文针对影响车载通信系统的主要因素，结合实例，通过电磁兼容对车载通信系统的干扰分析，开展车载通信系统电磁兼容仿真研究，并对影响通信性能的电磁兼容指标进行分解。

1 电磁兼容对车载通信系统的影响

1.1 主要影响因素

对于车载通信系统，电磁干扰的耦合因素非常繁多，不同的耦合途径对其通信性能指标都有或多或少的影响。如图1所示，电磁干扰的耦合途径一般可分为两种情况：传导耦合和辐射耦合。传导耦合分为直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合；辐射耦合分为天线与天线间耦合、电磁场与电缆耦合和导线与导线耦合。电磁干扰源可通过其中一种方式或同时通过两种方式，对敏感设备进行干扰。车载通信系统由于受车辆结构、尺寸限制，舱内空间比较狭小，设备密集度高，各种设备同时工作致使舱内电磁环境恶劣，内部及外部各种干扰源很容易耦合至车内通信系统上。

图1 电磁干扰耦合途径分类

1.2 车载通信系统指标体系

根据影响车载通信系统的主要影响因素，将影响车载通信系统电磁兼容性能的指标分为天线布局性能的指标、互连系统性能的指标、接地系统性能的指标，如图2所示。天线布局性能的主要指标包括驻波比、天线方向图、天线耦合度。驻波比反映的是天线发射的能量与反射的能量的比值，如果驻波比越大，表示其反射损耗越大，其辐射出的能量越小；天线方向图反映的是天线在各方向的辐射特性；天线耦合度反映的是天线与天线间的隔离程度，如果隔离度指标过低，天线发射时很容易将能量耦合到其他天线上，影响接收灵敏度，使通信覆盖范围下降。互连系统性能的主要指标包括线缆屏蔽效能、馈线插损、线间距。屏蔽效能主要反映线缆抑制辐射干扰和线间干扰耦合的能力，屏蔽效能越大其抗干扰能力越强；馈线插损主要反映射频电缆上产生的信号损耗，插损越小，说明信号在传输过程中损耗越小；线间距的大小主要影响线缆之间的分布参数，进而可能产生不同程度的串扰耦合，在线上耦合出过大的干扰电压/电流，影响设备的电磁兼容性能，因此，线间距是衡量系统互连性能的一个重要参数。接地系统性能的主要指标包括接地阻抗和接地方式。接地方式直接影响各接地点之间的电位差，良好的系统接地设计可以有效防止电磁干扰，消除公共阻抗的耦合，也可保障人身和设备安全；接地阻抗主要取决于接大地点的阻抗大小和各设备与汇流排搭接的阻抗大小，直接影响接地系统电磁兼容性能的优劣。[3]

图2 车载通信系统集成性能指标分配图

1.3 电磁兼容仿真模型

由于车辆的外形结构及内部空间限制，无法完全屏蔽车载信息系统内电磁干扰的耦合，只能通过优选布局，尽量减少电磁干扰的耦合度。所以车载通信系统在集成前，应该确定其各方面的性能指标，如图2所示。但由于各个指标的原始数据呈现复杂多样性，所以根据性能指标的数据来源将车载通信系统的性能指标分为定量指标和经验指标两大类。经验指标包括接地阻抗、接地方式；定量指标包括耦合度、方向图、驻波比、接地阻抗、线缆屏蔽效能、馈线插损和线间距等。[3]经验指标大多来自于国军标的相关规定和相关设备指标等，定量指标则需要在集成设计前，根据车体结构，车体内部空间、布局，以及相关环境干扰等因素影响，有针对性地建立车载通信系统集成前仿真需求模型，如图3所示，对集成前车载通信系统部分性能指标进行仿真。车载通信系统集成前仿真包括系统天线布局仿真和互连系统仿真两方面。

图3 车载通信系统集成前仿真需求模型

a)系统天线布局仿真

系统天线布局仿真包括耦合度仿真和方向仿真。车载通信系统根据使用需求的不同，配置了不同类型和数量的天线，导致在车顶狭小的空间内集中了多种天线，天线之间的耦合度强烈；加之各种车辆载体的复杂表面，天线的方向图难以把握，尤其是大功率HF收、发天线以及 VHF 天线的共存，各电台间会产生强烈的电磁干扰(如谐波干扰、邻信道干扰等)；又由于天线是主动收发耦合部件，空间隔离、屏蔽等许多在其他环境中解决电磁干扰的有效方法无法采用，因此必须对天线布局进行计算机仿真，以确定最佳的布局位置。

b)互连系统仿真

互连系统仿真包括线缆屏蔽效能仿真、线缆布设仿真、设备布设仿真和线间距仿真等。线缆线束是车辆内电器设备的电路传导系统，由于现代车辆内的电器设备较多，使得线束上的电线接头及接插件的数量也较多。同时，车辆内系统还是一个复杂的电子系统，空间区域狭小，无线设备间的电磁干扰耦合、天线辐射场对互联传输线的场-线电磁干扰耦合、天线辐射场对车辆内部电子设备产生电磁干扰；加之有限频带内工作频率高度密集，单位体积内的电磁功率密度急剧增大，高低电平器件或装置混合使用，使得车载通信系统的应用环境变得极为恶劣。因此，需要通过计算机仿真对车辆内设备及电缆的布设进行仿真，确定较为合理的布设方式，确定连接电缆的屏蔽效能指标。

2 仿真分析

2.1 车顶天线布局仿真分析

车顶天线布局仿真的主要依据包括天线辐射方向图、天线耦合度等。天线辐射方向图、天线耦合度由天线在车辆上的结构布局决定。天线间的耦合度越大，相互耦合就越强，产生的相互干扰也就越强；实际车辆集成条件下的方向图反映了相应上装天线在不同方位上的增益变化，直接影响通信距离与覆盖范围，需要避免方向图在某一方向出现畸变的情况。因此，天线应以减小耦合度为目标，并综合天线方向图进行仿真分析。

以某车型通信系统为例，该车型主要以UHF电台作为通信系统的传输信道，系统内除了UHF电台外还存在VHF电台，其配置的VHF天线和UHF天线均为全向天线，VHF电台天线的工作频段在20MHz -100MHz范围内，UHF电台天线的工作频段在200MHz -600MHz范围内。UHF电台与VHF电台的工作频段虽然相差100MHz，虽然两者之间的干扰相对较为轻微，但VHF电台带来的高次谐波仍然可能对UHF电台有一定的影响。由于车载平台的车顶空间相对有限，UHF电台天线和VHF电台天线在车顶不同安装位置之间的相对位置没有太大变化，无法以经验进行判别。如图4，通过仿真，分析UHF电台天线与VHF电台天线在车顶不同位置间的耦合度，对比选择耦合度相对较好的布置方式，并可以根据仿真结果预估集成前的UHF电台与VHF电台之间的耦合度阈值。

图4 某型车辆VHF电台与UHF电台不同位置耦合度仿真图

UHF电台所使用的为全向天线，天线的各个方向辐射功率与天线方向图的特性一致，但由于天线辐射可能会受到车体斜面及表面凹凸的影响，天线的辐射场可能会产生较大的变化。选取UHF电台天线的高中低频段中各一个频点，对各方向的增益方向进行仿真，如图5所示，UHF电台的方向图在不同频点都有畸变，尤其在中频段畸变严重，可能直接影响集成后系统的通信性能。对UHF电台天线进行辐射性能优化处理，加高天线底座，再对其天线高中低频段进行仿真，如图6、7、8所示。通过仿真发现，UHF电台天线在经过加高优化处理后，天线方向图有了明显改善，不同频点的畸变明显较之前减少。因此，车载通信系统在集成前应对天线进行不同频点的辐射特性仿真，根据方向图，可以提出车载通信系统内天线在方向的辐射能量的量化值。

图5 某型车辆内UHF电台高中低频点方向图

图6 UHF电台优化前后天线方向图(低频点)

图7 UHF电台优化前后天线方向图(中频点)

图8 UHF电台优化前后天线方向图(高频点)

2.2 互连系统仿真分析

连接电缆易受到屏蔽效能，布设方式不理想等多种因素的影响，成为外部干扰源的传输媒介，对车载通信系统造成影响。

采用不同屏蔽层的线缆其屏蔽效能和价格都有很大的区别，通过仿真对电缆传输信号设定为幅度0.5V的方波，通过外部射频电磁环境下时域信号进行分析，如图8。当外部射频入射后，无屏蔽电缆、单层屏蔽电缆和双层屏蔽电缆的时域信号，如图10、11、12。可以看出，无屏蔽的线缆在外部射频电磁环境下所传输的信号出现了严重的变形；采用单层屏蔽的线缆传输的信号变形较为轻微；采用双层屏蔽的线缆传输的信号几乎没有受到任何影响。因此，车载通信系统在集成前应根据车内电磁环境对所选电缆进行仿真，可以根据仿真结果，提出车载通信系统集成电缆所需的屏蔽效能量化值。

线缆在不同的布设方式下对外部电磁环境的感应有所区别，通过调整线缆与车体间的距离，仿真不同离地高度情况下对外部电磁环境的感应电流，仿真结果如图13。

从该结果可以看出，相比紧贴车体，线缆距车体10mm时感应电流明显增大。但由于在车载通信系统集成过程中，车内空间有限，可以布设电缆的地方相对有限，所以不可能按照最优的方式进行布设。因此，在车载通信系统集成前，可以根据仿真结果，提出车载通信系统集成前电缆布设的量化值。

图9 线缆传输的时域信号

图10 外部电磁环境下无屏蔽线缆传输的时域信号

图11 外部电磁环境下单层屏蔽线缆传输的时域信号

图12 外部电磁环境下双层屏蔽线缆传输的时域信号

图13 外部电磁环境下单层屏蔽线缆在不同高度的感应电流

3 总结

电磁兼容技术是车载通信系统集成的最为重要的关键技术之一。要提高车载通信系统集成的性能指标，就必须在车载通信系统集成前对电磁兼容技术进行设计。针对影响车载通信系统性能的主要因素，在整车集成前，对车顶天线布局、车内线缆布设等进行仿真，根据仿真结果和系统通信指标，对整车的性能指标进行量化预估，再结合各设备单体、系统集成各环节进行指标分配，提出具体指标要求，为系统集成提供参考依据。在集成过程中和集成后利用功率计、频谱仪、综测仪、信号源、矢量网路分析仪等仪器进行测试，通过实际的测试结果与集成前的仿真数据进行比对，不断优化，提高车载通信系统的电磁兼容性能。

[1] 刘鹏程，邱扬.电磁兼容原理及技术[M].北京：高等教育出版社，1993：8-10.

[2] 邱扬，田锦．电磁兼容设计技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社．2005．7-8.

[3] 田锦，通信系统电磁兼容指标构建与综合评估技术研究[D]，西安：西安电子科技大学学位论文，2012.

[4] 何越，车载电磁兼容建模技术研究[D]，西安：西安电子科技大学学位论文，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

张晨光(1954-)，男，高级工程师。主要研究方向为通信网络与系统集成。