EMCoS Studio在车载天线布局与线缆设备上的仿真应用*

冯彬彬，李亚靖

（1. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081；2. 上海霍莱沃电子系统技术股份有限公司，上海201203）

引 言

随着电子技术的高速发展，基于各种大平台的实物系统越来越复杂，例如车载、机载、舰载、星载等电大尺寸平台上设备复杂度越来越高[1]。多种类型的线缆与多副天线设备在同一区域内工作时可能会产生相互影响。为了避免它们之间的相互干扰[2-4]，让各系统能够正常工作，就需要解决各系统设备间的电磁兼容问题。

在实际工程应用中，电大尺寸平台的电磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility, EMC）预测长期以来主要依靠设计人员的工作经验和简单实验验证。这种方法的可靠性有待科学检验，同时还会耗费大量时间和物资[5-7]，而且，如果在平台和其设备系统加工完成后又发现问题，将会导致设计修改难度加大。为了解决这一问题，利用软件仿真的方式，通过虚拟测试发现系统间可能存在的电磁兼容问题，则可以大大节省人力和物力[8-9]。与传统的电磁兼容仿真方式不同，本文借助EMCoS Studio软件，利用其双精度的矩量法（MOM）和传输线矩阵（TLM）算法以及混合求解的方式，不仅可以解决系统平台中某一类设备的影响效应，还可以解决系统平台中不同类别设备间的相互干扰，这样就大大提高了仿真的效率，而且双精度MOM的可靠性还保证了结果的准确度。

1 仿真原理

车载平台设备复杂，天线和线缆作为其关键的电类器件，有着举足轻重的地位[10-11]。对于复杂类线束线缆问题，EMCoS Studio利用其快速线缆库和屏蔽库高效精确地构建复杂线缆的虚拟模型，然后利用基于TLM的混合TLM（Hybrid-TLM）分析方法准确地评估线缆间的串扰、辐射和敏感性问题。除此之外，EMCoS Studio还可以借助其独特的随机线缆线束功能，有效避免线缆线束扰动带来的结果敏感性问题。对于天线类问题，EMCoS Studio基于MOM三维场求解器——TriD求解器，高精度地求解天线问题。对于天线和线缆混合问题，EMCoS Studio基于混合求解技术，将TLM与TriD结合，可以有效求解复杂线缆设备与天线之间的耦合问题。

1.1 TLM算法概述

Hybrid-TLM主要目的是解决不同类型的问题，如电路计算、任意电缆束的串扰问题、电缆束与有源或无源三维结构的交互问题。

Hybrid-TLM基于TLM算法，但经过改进后可以同时支持时域和频域的计算，对于包含频率相关问题的模型利用生成等效电路的方法在时域进行计算。

传统的TLM算法[12-13]以准横电磁波为前提，结合线缆的特征（如不连续性、随机性等）构建线缆的精确模型，提取每一分割段线缆截面的寄生参数（电阻、电感、电导、电容）[14-15]，然后级联求解。Hybrid-TLM在此基础上融合了寄生参数等效电路法与MOM，可以将场路联合求解，效率和精准度更高。

1.2 TriD算法概述

TriD求解器主要用于求解置于自由空间或无限大地面（理想导体或金属介质地面）上的复杂金属或介质结构的电磁场问题。它不仅包含任意形状线和面的金属结构（封闭体或未封闭体），而且包含金属嵌入或涂层的介质体。

MOM于1968年由哈灵顿（R·F·Harrington）提出，它将多个线性方程组或积分方程组转换为矩阵方程来进行求解[16-17]。

TriD 的计算基于MOM，并使用著名的RWG（Rao-Wilton-Glisson）三角网格和改进的线和线到面求解功能，在金属导线和面上引入电流的电场积分方程以及介质材料交界面上的等效电流和等效磁流来实现混合场的积分方程求解。

1.3 耦合原理

以前面提到的两种算法为基础，利用MOM求出天线的增益，借用空间Friis传输公式[18]进行耦合计算。Friis传输公式可以表示为：

式中：Pr为接收源的功率；Pt为发射源的功率，这样就可以算出线缆的辐射功率或接收功率。

2 仿真分析

EMCoS Studio是国外车类企业常用的电磁兼容分析工具。得益于其独特的算法，EMCoS Studio以其高精度的特点在行业内闻名。

本文仿真的对象为通信专用车，其中主要设备包含线缆和天线。线缆的线束种类包含多芯线、双绞线和射频同轴线3种。天线包含6副不同频段的天线。

首先使用EMCoS Studio软件的Hybrid-TLM算法对不同类型电缆线束的串扰情况进行仿真；其次利用其TriD求解器仿真各天线间的干扰；最后借助软件的混合求解技术，分析天线对线缆的干扰情况。

天线仿真包括单元天线仿真和天线加载平台仿真；线缆仿真包括电源线仿真、基带线仿真和射频线仿真；天线对线缆的仿真包括加载平台的6对天线依次对其他电缆的仿真。

EMCoS Studio分析的前期过程包含模型导入、模型修复、端口及激励添加和求解设置。无论是线缆还是天线，仿真流程类似。

2.1 线缆分析

车辆平台上的设备通过线缆进行连接，一些发射设备通过线缆的传导和辐射会对敏感设备产生一定的干扰，而干扰信号可能会造成敏感设备的运行出现问题。

线缆串扰的仿真主要涉及线缆两端连接的终端设备和线缆本身。线缆主要有电源线缆、基带线缆和射频线缆3类，射频线缆上的信号频段为2～3.8 GHz。仿真模型如图1所示。

图1 不同类型线缆的模型

仿真内容主要是观察任意两种线缆被同时激励时，第3种线缆上耦合信号电平的大小。例如：将电源线缆和射频线缆作为干扰源，观察基带线缆的受扰情况，如图2所示。

图2 不同类型线缆的干扰模型

2.2 天线布局分析

天线放置在车辆上后，由于车身结构等因素，会对天线方向图产生干扰，进而可能影响天线的预设性能。同时，多副车载天线处于同一环境时，相互之间也会产生干扰，进而对天线的性能造成影响。

天线布局仿真主要针对车辆上搭载的6副天线：天通天线、短波电台天线、高速电台天线、无线宽带天线、0.9 m卫通天线和超短波天线，其布局图如图3所示，天线主要信息见表1。

图3 天线布局俯视图

仿真内容主要是观察这6副天线各自搭载到车辆平台上之后的方向图变化，并对天线之间的干扰进行分析。

2.3 天线对线缆的干扰分析

天线是辐射源，当车辆上的天线工作时，天线辐射的信号存在耦合到线缆的可能性，因此天线对线缆的干扰也需要仿真分析。仿真内容主要为将任意1副天线对应的线缆作为被干扰线缆，其他天线（天线布局仿真的天线）同时作为辐射源，观察耦合到线缆的信号的电平大小，其线缆布局如图4所示。

图4 线缆布局俯视图

3 仿真结果

3.1 线缆串扰结果

依次将电源线、基带线和射频线作为敏感源，观察它们在其他线缆作为激励时内芯电流的变化，如图5所示。电源线含内芯4根，传输信号的频率为50 Hz；基带线含内芯10根，传输信号的频段为12.5～100 MHz；射频线含内芯1根，所需求解的频段为4 MHz～21.2 GHz，但实际传输信号频段为2～3.8 GHz。各类线缆的受扰电流如图5所示。从结果可以看出，将电源线、基带线或射频线作为敏感线缆时，终端耦合到的干扰电流都非常小，最大也不超过-40 dBA，说明这3种线缆在走线过程中基本不会产生不可接受的相互干扰。

图5 各类线缆的受扰电流

3.2 天线布局仿真结果

依次对6副不同天线加载车体，观察天线方向图的变化，如图6所示。从结果可以看出，对于天通天线和0.9 m卫通天线，天线净空环境较好，车体对方向图的影响较小；对于短波电台天线，由于车辆平台金属面是其天线的部分结构，参与辐射方向图的形成，所以平台对其方向图的畸变影响也较小；但是，对于其他3副鞭状天线，加载车辆平台相当于扩大了其反射面，会使得能量更多地聚集到车辆上方，从而增大天线的增益。

图6 各类天线的方向图变化

3.3 天线对线缆的干扰结果

依次将6副天线中的1副天线对应的线缆作为被干扰路径，其他天线作为辐射源，观察线缆上的电流变化，如图7所示。从结果可以看出，天线对线缆干扰的6种工况下，线缆上的耦合电流均非常小。原因在于，一方面除短波电台天线的线缆之外，其余天线的线缆均具有较好的屏蔽效果；另一方面，天线之间的工作频段差距较大，尤其对于高频段的天通天线和0.9 m卫通天线，基本没有干扰信号，因为其他天线均不工作在受影响的天线线缆的工作频段内。

图7 线缆受天线干扰的受扰电流

4 结束语

目前国内电大尺寸电磁兼容设计主要依赖工程经验，缺少较为完整的仿真设计流程。本文利用EMCoS Studio仿真软件的3个不同模块依次对车载平台上的天线、线缆以及天线对线缆的干扰进行了仿真。从仿真结果可以看出，该车载平台的天线布局和线缆设计不存在相互之间的电磁干扰。同时，国外的多项试验数据表明，该软件的仿真结果与测试结果一致性较好，因此可以判定该类车载天线布局和线缆设计符合设计要求，达到了车载电磁兼容的设计目的。这对系统的、流程化的电磁兼容仿真设计起到了缩短产品研发周期和节约研发经费的作用。