劉 瑩，謝擁軍，張 勇

(1. 西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071; 2. Ansoft(中國)公司 北京 海淀區(qū) 100190;3. 北京航空航天大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 北京 海淀區(qū) 100083)

在現(xiàn)代飛機(jī)、汽車、艦艇等各種平臺(tái)上，狹小的空間集中了大量的電子設(shè)備，這些電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射干擾或傳導(dǎo)干擾等，影響其他設(shè)備的正常工作。另一方面，電子設(shè)備中發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率越來越大、接收機(jī)的靈敏度越來越高、設(shè)備的尺寸越來越小型化等苛刻的因素，使得平臺(tái)上系統(tǒng)級(jí)電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)具有很大的復(fù)雜度和難度。因此，對(duì)各種平臺(tái)上的電磁兼容研究越來越成為關(guān)注的熱點(diǎn)，如電子設(shè)備中電路板級(jí)的信號(hào)完整性(SI)分析[1-2]、大型電子系統(tǒng)中設(shè)備級(jí)電磁兼容和系統(tǒng)級(jí)電磁兼容的關(guān)系[3]、車載或機(jī)載平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容問題[4-7]等。以上文獻(xiàn)的研究方法或偏重于電路分析方法，或只采用場分析。實(shí)際上，隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)(EDA)的發(fā)展，進(jìn)行電磁兼容所需的系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、電路板級(jí)的仿真技術(shù)發(fā)展非常迅速。

目前，針對(duì)開關(guān)電源[8]、單個(gè)電路板或小型電子設(shè)備[9]的電磁兼容設(shè)計(jì)需求，已經(jīng)形成了一些成熟的基于EDA仿真的設(shè)計(jì)流程。而對(duì)于系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性的評(píng)估和設(shè)計(jì)，長期以來主要依靠系統(tǒng)實(shí)測(cè)和調(diào)試為主，還沒有成熟的仿真設(shè)計(jì)流程。這是因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)電磁兼容的仿真設(shè)計(jì)需要全面的設(shè)備級(jí)、電路板級(jí)甚至半導(dǎo)體管級(jí)的電磁兼容模型，進(jìn)行自下而上的逐級(jí)仿真，每一級(jí)電磁干擾的仿真結(jié)果是上一級(jí)仿真設(shè)計(jì)的干擾源。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，板級(jí)或部件級(jí)的仿真模型很難得到，自下而上的設(shè)計(jì)流程在機(jī)載、車載等復(fù)雜平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性設(shè)計(jì)中缺乏可操作性。

為了克服上述傳統(tǒng)電磁兼容分析和設(shè)計(jì)方法的不足，在飛機(jī)全機(jī)電磁兼容預(yù)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了“自頂向下”的EMC預(yù)設(shè)計(jì)流程[10]。本文介紹了一種基于EDA仿真與實(shí)測(cè)相結(jié)合的“自頂向下”的EMC設(shè)計(jì)方法，主要依賴于EDA仿真技術(shù)，在系統(tǒng)級(jí)提出指標(biāo)要求，與下一層無縫的交互仿真信息，是專門面向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)人員、在實(shí)際工程中摸索而生的逐步求精的設(shè)計(jì)方法。

1 基于仿真的“自頂向下”EMC設(shè)計(jì)流程

基于EDA仿真的“自頂向下”EMC設(shè)計(jì)流程是在頂層制定并分解設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用EDA仿真工具量化評(píng)估、預(yù)測(cè)分系統(tǒng)EMC特性對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成方案，并提出改進(jìn)措施。

本文通過一個(gè)具有實(shí)際背景的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)給出“自頂向下”的設(shè)計(jì)流程[11]。由A、B、C、D共4輛車構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)如圖1所示。每輛車倉內(nèi)裝載多種電子設(shè)備，車外布置多種頻段的天線。對(duì)該系統(tǒng)完整的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)包括4車系統(tǒng)電子設(shè)備工作造成的系統(tǒng)電磁環(huán)境的評(píng)估，以及系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電子設(shè)備的電磁兼容性分析和設(shè)計(jì)。因此，本文將仿真其中B、C、D車的短波電臺(tái)工作造成的電磁環(huán)境，及其電磁干擾對(duì)于A車內(nèi)電子設(shè)備電磁兼容性的影響，“自頂向下”地進(jìn)行由系統(tǒng)級(jí)到設(shè)備級(jí)、最終到器件級(jí)的電磁兼容性分析和設(shè)計(jì)。

圖1 4車構(gòu)成的復(fù)雜電磁兼容系統(tǒng)

各級(jí)的EMC仿真問題均可以利用EDA軟件解決，如圖2所示。

圖2 EMC分析中的EDA仿真方法

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 系統(tǒng)級(jí)EMC分析和設(shè)計(jì)

在復(fù)雜系統(tǒng)的電磁兼容分析中，干擾源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如系統(tǒng)中車載電臺(tái)與裝甲車構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的干擾源。仿真中可以采用“場到場鏈接”(data link)方法，將電磁兼容系統(tǒng)中的干擾源與傳播空間分解，有效地降低數(shù)值求解對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求。如圖3所示，對(duì)右側(cè)的裝甲車D的電臺(tái)天線和車體進(jìn)行一體化數(shù)值仿真，然后將仿真結(jié)果作為場源以鏈接的方式加入多車系統(tǒng)構(gòu)成的空間中。以該方法可以得到4車系統(tǒng)中的電磁環(huán)境分布的仿真結(jié)果。進(jìn)一步地，利用場鏈接得到車廂子系統(tǒng)的電磁環(huán)境分布，如圖4所示。

圖3 4車系統(tǒng)電磁場環(huán)境仿真

圖4 4車系統(tǒng)的子系統(tǒng)電磁場環(huán)境仿真結(jié)果

車載天線布局是系統(tǒng)級(jí)EMC關(guān)心的另外一個(gè)重要問題，主要包括天線間隔離度、平臺(tái)造成的天線方向圖畸變以及發(fā)射天線對(duì)車內(nèi)電子設(shè)備的輻射干擾。在車頂上有限的空間對(duì)天線實(shí)施單純的距離隔離有很大的局限性，必須合理地優(yōu)化天線及線纜線束布局最大限度地提高EMC整體性能。

車頂裝載有4副天線的裝甲車如圖5所示。首先對(duì)車體和地面造成的天線方向圖畸變進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖5 裝甲車上的天線布局

圖6 考慮車體影響的天線1和天線2的方向圖

其次進(jìn)行天線布局優(yōu)化研究。如對(duì)天線3的位置坐標(biāo)變化情況，觀察天線3與天線4之間隔離度的變化，確定可以實(shí)現(xiàn)與天線4最佳隔離的天線3的最優(yōu)位置。

同時(shí)，當(dāng)電子設(shè)備工作時(shí)，大功率射頻電纜上的微波能量可以耦合到臨近的設(shè)備電纜上，從而造成對(duì)車內(nèi)多個(gè)電子設(shè)備的干擾，如圖7所示。本文對(duì)受擾設(shè)備較大的連接電纜在Q3D和HFSS軟件中進(jìn)行仿真分析，得到受擾最小的電纜布局方案。

圖7 大功率射頻電纜對(duì)裝甲車內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備電纜的干擾

2.2 設(shè)備級(jí)EMC設(shè)計(jì)

設(shè)備級(jí)電磁兼容問題首先解決的是設(shè)備機(jī)柜的屏蔽效能問題。從電磁分析方法的角度，機(jī)柜的屏蔽效能分析可分為兩類：

(1) 機(jī)柜的本振分析；

(2) 外部干擾照射下機(jī)柜內(nèi)的屏蔽效能和場分布計(jì)算。

對(duì)應(yīng)這兩類分析，可以分別采用HFSS軟件對(duì)應(yīng)的本征模式和驅(qū)動(dòng)模式兩種求解方法求解。

2.2.1 機(jī)柜的本征模式分析

設(shè)備機(jī)柜的外殼形成一個(gè)電磁諧振腔?？盏木匦沃C振腔的諧振頻率為[12]：

式中l(wèi)、w和h分別為矩形諧振腔的長、寬、高；k、m和n均為正整數(shù)。

諧振腔具有選頻特點(diǎn)，即只有諧振頻率的電磁場可以在機(jī)柜內(nèi)形成駐波。因此，在對(duì)干擾源照射下的機(jī)柜屏蔽性能進(jìn)行分析之前，應(yīng)首先進(jìn)行機(jī)柜的本征模式研究。

如對(duì)發(fā)控單元機(jī)柜進(jìn)行400 MHz以下的本征模式計(jì)算，可以得到如圖8所示的20個(gè)諧振頻率。圖9給出了141 MHz、280 MHz兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的諧振模式場圖。由圖可知，141 MHz諧振頻率對(duì)應(yīng)的場圖中減震器及機(jī)柜邊緣部分電磁場較強(qiáng)，因此其電路板等重要部件基本不分布于場強(qiáng)最強(qiáng)處。而在280 MHz諧振頻率本征諧振場圖中，集線盒和電路板處場強(qiáng)較強(qiáng)，這些敏感位置的電路需要對(duì)280 MHz諧振頻率做抗干擾設(shè)計(jì)。

圖8 機(jī)柜本征諧振點(diǎn)

圖9 兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)的機(jī)柜內(nèi)本征場分布

2.2.2 驅(qū)動(dòng)模式分析

對(duì)有干擾源照射情況下的機(jī)柜屏蔽效能的計(jì)算采用驅(qū)動(dòng)模式求解[13-14]。屏蔽效能定義為：未加屏蔽前某一位置的場強(qiáng)E0與同一位置加屏蔽時(shí)的場強(qiáng)Es之比。當(dāng)取dB為單位時(shí)，屏蔽效能為20lg(E0/Es)。

對(duì)控制機(jī)柜進(jìn)行建模，其電磁波主要通道為散熱孔。本文設(shè)置平面波激勵(lì)，通過仿真得到機(jī)柜內(nèi)部的電磁場強(qiáng)，如圖10所示。由圖可知，280 MHz的電磁波在機(jī)柜內(nèi)形成駐波，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)駐波波腹點(diǎn)的場強(qiáng)大于入射波場強(qiáng)。

圖10 無屏蔽網(wǎng)孔情況下的電場分布

仿真對(duì)散熱孔施加金屬絲屏蔽的情況，加入沿z軸正方向、大小為1 V/m的平面波，對(duì)圖11中給出的4種散熱網(wǎng)孔情況分別進(jìn)行仿真[15]。

圖11 各種網(wǎng)孔的屏蔽效能

屏蔽效能的計(jì)算結(jié)果如圖11所示，可以根據(jù)其結(jié)果選擇最優(yōu)的網(wǎng)孔形狀。由圖可知，網(wǎng)孔邊長為6 mm的網(wǎng)格比邊長為7 mm的網(wǎng)格屏蔽效能提高了6 dB，因此，對(duì)于同樣形狀的網(wǎng)孔，孔徑越小，屏蔽性能越佳。對(duì)于不同形狀的網(wǎng)格，圓孔的屏蔽特性比方孔的屏蔽特性好。通過分析，優(yōu)化選擇直徑為7 mm的圓孔作為網(wǎng)孔圖形。

2.2.3 真實(shí)PCB場源的機(jī)柜輻射

本文分析設(shè)備中真實(shí)PCB場源對(duì)系統(tǒng)電磁兼容特性的影響。利用三維電磁場仿真方法將PCB的輻射場等效為一個(gè)電磁環(huán)境中的激勵(lì)源，分析其電磁輻射特性[16]。在分析對(duì)象里作為激勵(lì)源的PCB有12塊板子。首先定義PCB上的各種干擾源(或稱噪聲源)，主要分為：

(1) 集成電路(IC)芯片工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲；

(2) 互連信號(hào)產(chǎn)生的輻射噪聲；

(3) 供電系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。

分析電路板的結(jié)構(gòu)，采用SIwave軟件仿真PCB的輻射特性，得到PCB電場場強(qiáng)分布的仿真，結(jié)果如圖12所示，將該結(jié)果導(dǎo)入HFSS軟件，就可以仿真PCB產(chǎn)生的電磁干擾。圖13給出了對(duì)應(yīng)上述干擾的三米法實(shí)驗(yàn)的數(shù)值仿真結(jié)果。

圖12 PCB上方1 mm處的電場分布

圖13 PCB的三米法仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過工程實(shí)例，介紹了“自頂向下”的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)在車載集群通信系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。運(yùn)用該設(shè)計(jì)流程，結(jié)合EDA仿真工具進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，能有效地分析各種電磁干擾影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性水平，確保車載集群通信系統(tǒng)的正常工作。

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