某道路復(fù)雜電磁波仿真方法

收稿日期：2024-05-09

【摘 要】5G時(shí)代，為了加強(qiáng)信息通信和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的多維交互品質(zhì)，在一些路段，尤其是隧道、地庫(kù)安裝了不同移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)放大器、V-2X交互裝置等，造成電磁波異常積聚、畸變，對(duì)智能汽車的敏感電子件具有較大影響，危及行車安全。文章通過對(duì)此類道路電磁波進(jìn)行采集、頻譜分析、數(shù)據(jù)模型、仿真加載和虛實(shí)對(duì)比等方式進(jìn)行研究，確定一套完整的復(fù)雜電磁波仿真方法，通過此方法，可以更好地甄別產(chǎn)品開發(fā)缺陷，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】畸變電磁波；數(shù)據(jù)模型；仿真加載；虛實(shí)對(duì)比

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0076-03

Simulation Method of Complex Electromagnetic Wave on a Road

TANG Wei，YE Qing，CAO Xuefeng，YANG Tianlong，WU Kunbao

（JETOUR Auto，Wuhu 241003，China）

【Abstract】In the 5G era，in order to strengthen the multi-dimensional interaction quality of information communication and intelligent connected vehicles，signal amplifiers and V-2X interactive devices of different mobile operators are installed in some road sections，especially in tunnels and underground warehouses，resulting in abnormal accumulation and distortion of electromagnetic waves，which has a greater impact on sensitive electronic parts of intelligent vehicles and endangers driving safety. Through the acquisition，spectrum analysis，data model，simulation loading and virtual-real comparison of this kind of road electromagnetic wave，a complete set of complex electromagnetic wave simulation method is determined. Through this method，the defects of product development can be better identified and product quality can be improved.

【Key words】distorted electromagnetic wave；data model；simulation loading；virtual-real contrast

1 引言

近年來，隨著中國(guó)社會(huì)5G智能化、汽車行業(yè)電動(dòng)化的高速發(fā)展，道路上電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，已經(jīng)超出了傳統(tǒng)意義上紅綠燈、廣播發(fā)射臺(tái)等傳統(tǒng)單向電磁波干擾源對(duì)汽車造成的單向電磁干擾。已有的單向電磁波抗擾方法已經(jīng)不能滿足時(shí)代發(fā)展，所以需要研究道路上混合各種異常電磁信號(hào)形成的復(fù)雜電磁波抗擾方法，此方法是提升智能汽車穩(wěn)定性、可靠性的必要課題。

在軍事領(lǐng)域復(fù)雜電磁波驗(yàn)證是一門較為健全的科學(xué)研究方向，在民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究很少，近年來在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家也是將復(fù)雜電磁波作為新興課題研究，在UVW、AM信號(hào)混合等領(lǐng)域取得一定積極成果。國(guó)內(nèi)汽車對(duì)這塊的研究剛剛起步，在中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)牽頭下，各大OEM、研究所積極投入此領(lǐng)域的研究，目前還處于技術(shù)規(guī)劃、方法討論階段，還沒有統(tǒng)一的方法和規(guī)范的要求。

2 主要研發(fā)方法技術(shù)

本研究以復(fù)雜電磁波頻譜采集、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)模型和仿真加載應(yīng)用為主題，基于自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集分析軟件，為研究提供高效驗(yàn)證工具。

2.1 復(fù)雜電磁波采集

電磁波由電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中相互振蕩而產(chǎn)生，以波動(dòng)的形式傳播，其每秒變動(dòng)的次數(shù)便是頻率，復(fù)雜電磁波即不同頻率信號(hào)的融合，電磁波傳播特性的研究本質(zhì)上是研究傳播介質(zhì)對(duì)電磁波的極化響應(yīng)特性[1]，因此采集復(fù)雜電磁波需要使用多頻段融合天線和具備頻率分析功能的頻譜分析儀。

在某隧道內(nèi)，使用多頻段融合天線對(duì)所處場(chǎng)域的電磁波采集。

1）采集工具：一臺(tái)是德N993A頻譜分析儀、一套HZ 15近場(chǎng)探頭。

2）采集頻段：400Hz～5000MHz。

3）采集步驟：運(yùn)行全域采集功能，抓取尖銳點(diǎn)并予以記錄。

4）采集過程：在隧道內(nèi)，手機(jī)信號(hào)非常弱，因此需要加載不同運(yùn)營(yíng)商不同頻段的信號(hào)放大器來提升手機(jī)信號(hào)，不同基站信號(hào)波疊合在一起，形成強(qiáng)烈混合復(fù)雜電磁場(chǎng)，對(duì)來往車輛造成通信影響。

打開是德N993A頻譜分析儀，根據(jù)基站信號(hào)特點(diǎn)設(shè)置對(duì)應(yīng)的采集頻段，將HZ15近場(chǎng)探頭對(duì)著基站放大器群，設(shè)置MaxHold記錄所采集到的數(shù)據(jù)。

由于整體頻段大，在長(zhǎng)基數(shù)波段中進(jìn)行有效電磁濾波，隔絕無用的電磁信號(hào)底噪，摘取有用電磁尖銳波峰段。

同時(shí)記錄所有波峰段的頻率值及最大值，見表1和表2。

2.2 信號(hào)分析

電磁波信號(hào)分析指將信號(hào)做傅里葉函數(shù)變換，從而進(jìn)行下一步的處理。上文采集的信號(hào)都是在同一個(gè)頻段，存在多個(gè)波峰信號(hào)，信號(hào)相互獨(dú)立存在，因此這種漫步式的物理特性無法應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)仿真中。

為了將采集到的信號(hào)能量應(yīng)用在仿真測(cè)試中，需要將單個(gè)頻段所有波峰數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)轉(zhuǎn)換，基于融合算法模型構(gòu)建新的數(shù)據(jù)[2]，新生成的數(shù)據(jù)信號(hào)具備所有采集到的信號(hào)能量特性，它能代表這個(gè)波段所有信號(hào)特性，用這個(gè)新的信號(hào)數(shù)據(jù)來進(jìn)行下一步的研究，因此需要用到頻譜儀配套的上位軟件PathWave BenchVue FieldFox（是德公司軟件，可以快速配置各種儀器控制和測(cè)量功能快速創(chuàng)建自動(dòng)化測(cè)試序列），使用軟件錄播功能對(duì)記錄的信號(hào)能量進(jìn)行加載，基于傅里葉原理分析，進(jìn)行有效的函數(shù)變化，生成需要的虛擬信號(hào)數(shù)據(jù)。PathWave BenchVue FieldFox信號(hào)分析如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)模型建立

數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象，數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式。將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為帶有物理指標(biāo)的物理數(shù)據(jù)模型，是信號(hào)仿真的必要步驟，也是整個(gè)試驗(yàn)方法的核心部分。將轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)據(jù)命名為emi.csv。使用MATELAB進(jìn)行數(shù)據(jù)模型建立。

1）打開MATELAB，建立運(yùn)行模板，輸入以下程序。

% Generate a sine wave signal

fs = 200; % Sampling frequency

t = 0：1/fs：1; % Time vector

f = 10; % Frequency of signal

% % % Sine wave signal

% x = sin（2*pi*f*t）;

% % Square wave signal

dutyCycle = 50; % Duty cycle of square wave

% % Input filename

filename = 'C：＼Users＼Username＼Desktop＼emi.csv';

x = csvread（filename）zRxl+6diyu8lao1ti4gKAQBv+MDvzbqIGPNKUIHoc0I=;

% x = square（2*pi*f*t， dutyCycle）;

voltage_range = 5; % Voltage range

x_analog = voltage_range/2*x; % Convert to analog signal

% Convert analog signal to digital signal

2）運(yùn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)編譯，最后生成數(shù)據(jù)模型。

3）數(shù)據(jù)模式使用COE格式保存。

2.4 仿真加載

仿真指利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，通過對(duì)模型數(shù)據(jù)的試驗(yàn)來研究設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)模擬結(jié)果，EMC仿真集高速電路建模、仿真和優(yōu)化為一體，通過建立仿真模型，對(duì)車載平臺(tái)中不同天線的遠(yuǎn)傳輻射方向圖、天線間耦合度以及近場(chǎng)輻射分布進(jìn)行仿真[3]，用仿真代替試驗(yàn)，可以快速地幫助工程師完成高速電路EMC設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性，極大減少研發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。

1）使用EMC仿真專用軟件FOKO進(jìn)行測(cè)試。

2）在已有的某個(gè)車型基礎(chǔ)仿真運(yùn)行結(jié)果上，由于仿真模型參數(shù)由全局參數(shù)和局部參數(shù)組成[4]，基于FOKO軟件具備修改某個(gè)模塊的能力，加載前面COE格式數(shù)據(jù)模型，將模型的數(shù)據(jù)做變量，植入某個(gè)模塊電磁特性圖中。

3）運(yùn)行仿真，分析選定的車輛整體/模塊電磁特性的表面電流分布變化。

4）這些變化就是車輛整體/模塊不穩(wěn)定性的表現(xiàn)，需要專業(yè)人員對(duì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析這些變化是穩(wěn)定變化量還是遇到復(fù)雜電磁波會(huì)出現(xiàn)的異常。如果是異常，需要進(jìn)一步調(diào)整產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)，來改變電磁波段，因此可以為電子電器產(chǎn)品開發(fā)提供有力的前期數(shù)據(jù)，可以很好地降低試驗(yàn)費(fèi)用和后期修改硬件成本，同時(shí)縮短開發(fā)周期，對(duì)汽車開發(fā)具有極致好處。

選取某個(gè)車型原有的基礎(chǔ)EMC仿真結(jié)果，整車EMC表面電流分布穩(wěn)定，沒有明顯電磁波動(dòng)。為了便于驗(yàn)證，選取中控雙屏為主面場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行變化測(cè)試量驗(yàn)證，然后把前面處理好的物理數(shù)據(jù)模型挨個(gè)植入到中控雙屏的電磁特性圖中，運(yùn)行FOKO仿真，此時(shí)因?yàn)橹锌仉p屏的原有電磁特性已經(jīng)發(fā)生變化，仿真數(shù)據(jù)上會(huì)形成一個(gè)電波特性圖。

然后對(duì)照PCB電路板設(shè)計(jì)圖，可以知道這個(gè)位置的芯片組設(shè)計(jì)不合理，需要對(duì)這個(gè)區(qū)域的PCB進(jìn)行修改，通過芯片區(qū)域調(diào)整、線路優(yōu)化、濾波等手段改變這個(gè)區(qū)域的電波特性，使整個(gè)中控雙屏的電磁波恢復(fù)平穩(wěn)。

2.5 虛實(shí)對(duì)比

仿真是虛擬量的運(yùn)行，由于電磁兼容總體不確定性，仿真結(jié)果可能由于某些變量原因，不能和現(xiàn)實(shí)環(huán)境一致，因此需要在完成仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入真實(shí)試驗(yàn)室測(cè)試，通過虛擬仿真試驗(yàn)和傳統(tǒng)試驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的方式[5]來確定整個(gè)驗(yàn)證流程可靠；因此要把第一步采集的物理信號(hào)重新分析，解析多組純物理信號(hào)，基于物理信號(hào)，直接干擾車輛整體/模塊，觀測(cè)現(xiàn)象變化。下文以中控雙屏為例進(jìn)行展開。

1）真實(shí)測(cè)試基于R&S測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行，臺(tái)架由信號(hào)源、信號(hào)放大器、功放、天線、電波暗室和測(cè)試軟件組成。

2）其核心是R&S R ELEKTRA測(cè)試軟件，該軟件可以控制完整的EMC測(cè)試系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行被測(cè)設(shè)備EUT的騷擾EMI和抗擾度EMS認(rèn)證測(cè)試。

3）按照CISPR 16—2019的規(guī)定進(jìn)行基礎(chǔ)的試驗(yàn)布置，在電波暗室內(nèi)將信號(hào)源、信號(hào)解調(diào)放大器、功放、天線進(jìn)行布置。

4）按照CISPR 25—2016規(guī)定的試驗(yàn)布置，將中控雙屏進(jìn)行樣品布置，激活產(chǎn)品正常工作。如圖2所示。

5）在R&S R ELEKTRA建立EMS抗擾測(cè)試模板（圖3），在source中導(dǎo)入處理好的物理信號(hào)數(shù)據(jù)，補(bǔ)償各類衰減補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

6）運(yùn)行測(cè)試模板，復(fù)雜電磁波將會(huì)直接導(dǎo)入到中控雙屏周身，實(shí)時(shí)監(jiān)控電磁場(chǎng)強(qiáng)（圖4），通過攝像頭觀測(cè)樣品變化。

7）基于真實(shí)觀測(cè)到的現(xiàn)象，對(duì)比仿真的結(jié)果，確認(rèn)兩者有無差異，如果一致說明仿真模板設(shè)計(jì)理想，數(shù)據(jù)模型準(zhǔn)確。如果存在差異，返回到仿真信號(hào)分析、數(shù)據(jù)模型建立之中，尋找其中可能存在的不足點(diǎn)，通過重新解調(diào)數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，再次導(dǎo)入到仿真軟件中，進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證，直至整個(gè)仿真流程得到充分的優(yōu)化，積累經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避以后同類錯(cuò)誤。

3 結(jié)論

本方法核心就是將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的純粹空間信號(hào)能量通過真實(shí)信號(hào)采集、解調(diào)分析，引入到軟件測(cè)試領(lǐng)域中，通過傅里葉變化進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)用數(shù)據(jù)模型制定原則，直觀地體現(xiàn)在仿真模塊植入電磁改變帶來二次反應(yīng)，最后對(duì)比真實(shí)測(cè)試結(jié)果，發(fā)掘仿真應(yīng)用的缺陷點(diǎn)，并積極優(yōu)化糾正。

本次研究的成功可以為汽車開發(fā)的周期性、成本降低帶來大維度的降低，在積累一定成功案例后，積累關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)，形成穩(wěn)定的驗(yàn)證方案后就可以不再進(jìn)行真實(shí)測(cè)試，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化方法，形成“0”開發(fā)成本。

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（編輯 楊凱麟）