車載通信系統電磁兼容仿真研究

張晨光 范慧波 楊 歡

(北方信息控制研究院集團有限公司 南京 211153)

射頻仿真/電磁兼容技術

車載通信系統電磁兼容仿真研究

張晨光 范慧波 楊 歡

(北方信息控制研究院集團有限公司 南京 211153)

隨著通信電子的發展，電磁兼容性已成為車載通信系統集成的重要指標，直接影響著整個系統的性能指標。本文結合電磁兼容對車載通信系統的性能影響，分析了車載通信系統的電磁兼容影響因素，建立了系統集成電磁兼容指標分配模型，并針對車頂天線布局、車內系統互連進行了仿真分析，為車載通信系統集成指標量化提供了一種方法和思路。

車載通信系統；電磁兼容；仿真；天線布局；系統互連

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

隨著現代電子技術和無線技術的飛速發展，在海、陸、空、天等各種作戰、通信、指揮、控制、遙感等系統中，由于任務系統的多樣性和功能的高度集成化，越來越多的電子設備被集成在一個工作平臺上，如通信系統、定位裝置、可視化系統、信息終端、控制系統等車載電子設備的逐漸增加，不僅使軍用車輛的設備布局變得十分密集，而且其內部有限頻帶內工作頻率密集，單位體積內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致系統電磁兼容性能惡化。同時，戰場環境時常存在各種有意無意的電磁干擾、核輻射干擾、電臺干擾等，這都使得軍用車輛的電磁環境變得更加復雜，因此，解決車載通信系統的電磁兼容性問題就顯得尤為重要。

目前，整車的電磁兼容[1][2]問題已成為車載通信系統全壽命周期中必須面對的客觀問題，是車載通信系統的重要指標之一，關系到系統集成的優劣，甚至決定了系統集成的成敗。如果解決不當，很容易導致系統性能下降，尤其是會造成電臺有效通信距離縮短、話音質量變差、噪聲增大、誤碼率增大等后果，嚴重時將導致各個通信信道完全阻塞，從而致使車輛甚至整個通信系統癱瘓，并且浪費大量研制經費。

本文針對影響車載通信系統的主要因素，結合實例，通過電磁兼容對車載通信系統的干擾分析，開展車載通信系統電磁兼容仿真研究，并對影響通信性能的電磁兼容指標進行分解。

1 電磁兼容對車載通信系統的影響

1.1 主要影響因素

對于車載通信系統，電磁干擾的耦合因素非常繁多，不同的耦合途徑對其通信性能指標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：傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合；輻射耦合分為天線與天線間耦合、電磁場與電纜耦合和導線與導線耦合。電磁干擾源可通過其中一種方式或同時通過兩種方式，對敏感設備進行干擾。車載通信系統由于受車輛結構、尺寸限制，艙內空間比較狹小，設備密集度高，各種設備同時工作致使艙內電磁環境惡劣，內部及外部各種干擾源很容易耦合至車內通信系統上。

圖1 電磁干擾耦合途徑分類

1.2 車載通信系統指標體系

根據影響車載通信系統的主要影響因素，將影響車載通信系統電磁兼容性能的指標分為天線布局性能的指標、互連系統性能的指標、接地系統性能的指標，如圖2所示。天線布局性能的主要指標包括駐波比、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??；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，如果隔離度指標過低，天線發射時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?；ミB系統性能的主要指標包括線纜屏蔽效能、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；饋線插損主要反映射頻電纜上產生的信號損耗，插損越小，說明信號在傳輸過程中損耗越??；線間距的大小主要影響線纜之間的分布參數，進而可能產生不同程度的串擾耦合，在線上耦合出過大的干擾電壓/電流，影響設備的電磁兼容性能，因此，線間距是衡量系統互連性能的一個重要參數。接地系統性能的主要指標包括接地阻抗和接地方式。接地方式直接影響各接地點之間的電位差，良好的系統接地設計可以有效防止電磁干擾，消除公共阻抗的耦合，也可保障人身和設備安全；接地阻抗主要取決于接大地點的阻抗大小和各設備與匯流排搭接的阻抗大小，直接影響接地系統電磁兼容性能的優劣。[3]

圖2 車載通信系統集成性能指標分配圖

1.3 電磁兼容仿真模型

由于車輛的外形結構及內部空間限制，無法完全屏蔽車載信息系統內電磁干擾的耦合，只能通過優選布局，盡量減少電磁干擾的耦合度。所以車載通信系統在集成前，應該確定其各方面的性能指標，如圖2所示。但由于各個指標的原始數據呈現復雜多樣性，所以根據性能指標的數據來源將車載通信系統的性能指標分為定量指標和經驗指標兩大類。經驗指標包括接地阻抗、接地方式；定量指標包括耦合度、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]經驗指標大多來自于國軍標的相關規定和相關設備指標等，定量指標則需要在集成設計前，根據車體結構，車體內部空間、布局，以及相關環境干擾等因素影響，有針對性地建立車載通信系統集成前仿真需求模型，如圖3所示，對集成前車載通信系統部分性能指標進行仿真。車載通信系統集成前仿真包括系統天線布局仿真和互連系統仿真兩方面。

圖3 車載通信系統集成前仿真需求模型

a)系統天線布局仿真

系統天線布局仿真包括耦合度仿真和方向仿真。車載通信系統根據使用需求的不同，配置了不同類型和數量的天線，導致在車頂狹小的空間內集中了多種天線，天線之間的耦合度強烈；加之各種車輛載體的復雜表面，天線的方向圖難以把握，尤其是大功率HF收、發天線以及 VHF 天線的共存，各電臺間會產生強烈的電磁干擾(如諧波干擾、鄰信道干擾等)；又由于天線是主動收發耦合部件，空間隔離、屏蔽等許多在其他環境中解決電磁干擾的有效方法無法采用，因此必須對天線布局進行計算機仿真，以確定最佳的布局位置。

b)互連系統仿真

互連系統仿真包括線纜屏蔽效能仿真、線纜布設仿真、設備布設仿真和線間距仿真等。線纜線束是車輛內電器設備的電路傳導系統，由于現代車輛內的電器設備較多，使得線束上的電線接頭及接插件的數量也較多。同時，車輛內系統還是一個復雜的電子系統，空間區域狹小，無線設備間的電磁干擾耦合、天線輻射場對互聯傳輸線的場-線電磁干擾耦合、天線輻射場對車輛內部電子設備產生電磁干擾；加之有限頻帶內工作頻率高度密集，單位體積內的電磁功率密度急劇增大，高低電平器件或裝置混合使用，使得車載通信系統的應用環境變得極為惡劣。因此，需要通過計算機仿真對車輛內設備及電纜的布設進行仿真，確定較為合理的布設方式，確定連接電纜的屏蔽效能指標。

2 仿真分析

2.1 車頂天線布局仿真分析

車頂天線布局仿真的主要依據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輛上的結構布局決定。天線間的耦合度越大，相互耦合就越強，產生的相互干擾也就越強；實際車輛集成條件下的方向圖反映了相應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畸變的情況。因此，天線應以減小耦合度為目標，并綜合天線方向圖進行仿真分析。

以某車型通信系統為例，該車型主要以UHF電臺作為通信系統的傳輸信道，系統內除了UHF電臺外還存在VHF電臺，其配置的VHF天線和UHF天線均為全向天線，VHF電臺天線的工作頻段在20MHz -100MHz范圍內，UHF電臺天線的工作頻段在200MHz -600MHz范圍內。UHF電臺與VHF電臺的工作頻段雖然相差100MHz，雖然兩者之間的干擾相對較為輕微，但VHF電臺帶來的高次諧波仍然可能對UHF電臺有一定的影響。由于車載平臺的車頂空間相對有限，UHF電臺天線和VHF電臺天線在車頂不同安裝位置之間的相對位置沒有太大變化，無法以經驗進行判別。如圖4，通過仿真，分析UHF電臺天線與VHF電臺天線在車頂不同位置間的耦合度，對比選擇耦合度相對較好的布置方式，并可以根據仿真結果預估集成前的UHF電臺與VHF電臺之間的耦合度閾值。

圖4 某型車輛VHF電臺與UHF電臺不同位置耦合度仿真圖

UHF電臺所使用的為全向天線，天線的各個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受到車體斜面及表面凹凸的影響，天線的輻射場可能會產生較大的變化。選取UHF電臺天線的高中低頻段中各一個頻點，對各方向的增益方向進行仿真，如圖5所示，UHF電臺的方向圖在不同頻點都有畸變，尤其在中頻段畸變嚴重，可能直接影響集成后系統的通信性能。對UHF電臺天線進行輻射性能優化處理，加高天線底座，再對其天線高中低頻段進行仿真，如圖6、7、8所示。通過仿真發現，UHF電臺天線在經過加高優化處理后，天線方向圖有了明顯改善，不同頻點的畸變明顯較之前減少。因此，車載通信系統在集成前應對天線進行不同頻點的輻射特性仿真，根據方向圖，可以提出車載通信系統內天線在方向的輻射能量的量化值。

圖5 某型車輛內UHF電臺高中低頻點方向圖

圖6 UHF電臺優化前后天線方向圖(低頻點)

圖7 UHF電臺優化前后天線方向圖(中頻點)

圖8 UHF電臺優化前后天線方向圖(高頻點)

2.2 互連系統仿真分析

連接電纜易受到屏蔽效能，布設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，對車載通信系統造成影響。

采用不同屏蔽層的線纜其屏蔽效能和價格都有很大的區別，通過仿真對電纜傳輸信號設定為幅度0.5V的方波，通過外部射頻電磁環境下時域信號進行分析，如圖8。當外部射頻入射后，無屏蔽電纜、單層屏蔽電纜和雙層屏蔽電纜的時域信號，如圖10、11、12?？梢钥闯?，無屏蔽的線纜在外部射頻電磁環境下所傳輸的信號出現了嚴重的變形；采用單層屏蔽的線纜傳輸的信號變形較為輕微；采用雙層屏蔽的線纜傳輸的信號幾乎沒有受到任何影響。因此，車載通信系統在集成前應根據車內電磁環境對所選電纜進行仿真，可以根據仿真結果，提出車載通信系統集成電纜所需的屏蔽效能量化值。

線纜在不同的布設方式下對外部電磁環境的感應有所區別，通過調整線纜與車體間的距離，仿真不同離地高度情況下對外部電磁環境的感應電流，仿真結果如圖13。

從該結果可以看出，相比緊貼車體，線纜距車體10mm時感應電流明顯增大。但由于在車載通信系統集成過程中，車內空間有限，可以布設電纜的地方相對有限，所以不可能按照最優的方式進行布設。因此，在車載通信系統集成前，可以根據仿真結果，提出車載通信系統集成前電纜布設的量化值。

圖9 線纜傳輸的時域信號

圖10 外部電磁環境下無屏蔽線纜傳輸的時域信號

圖11 外部電磁環境下單層屏蔽線纜傳輸的時域信號

圖12 外部電磁環境下雙層屏蔽線纜傳輸的時域信號

圖13 外部電磁環境下單層屏蔽線纜在不同高度的感應電流

3 總結

電磁兼容技術是車載通信系統集成的最為重要的關鍵技術之一。要提高車載通信系統集成的性能指標，就必須在車載通信系統集成前對電磁兼容技術進行設計。針對影響車載通信系統性能的主要因素，在整車集成前，對車頂天線布局、車內線纜布設等進行仿真，根據仿真結果和系統通信指標，對整車的性能指標進行量化預估，再結合各設備單體、系統集成各環節進行指標分配，提出具體指標要求，為系統集成提供參考依據。在集成過程中和集成后利用功率計、頻譜儀、綜測儀、信號源、矢量網路分析儀等儀器進行測試，通過實際的測試結果與集成前的仿真數據進行比對，不斷優化，提高車載通信系統的電磁兼容性能。

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

[2] 邱揚，田錦．電磁兼容設計技術[M]．西安：西安電子科技大學出版社．2005．7-8.

[3] 田錦，通信系統電磁兼容指標構建與綜合評估技術研究[D]，西安：西安電子科技大學學位論文，2012.

[4] 何越，車載電磁兼容建模技術研究[D]，西安：西安電子科技大學學位論文，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，高級工程師。主要研究方向為通信網絡與系統集成。