電磁兼容預(yù)測(cè)技術(shù) 1011002169 集102 佟錦東

1、 汽車電磁兼容預(yù)測(cè)技術(shù)1 電磁兼容性預(yù)測(cè)概述 2 國外電磁兼容性預(yù)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r3 汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)的工作內(nèi)容4 MICROSTRIPES軟件應(yīng)用于汽車電磁兼容預(yù)測(cè) 11 電磁兼容性預(yù)測(cè)概述 基本原理基本方程數(shù)學(xué)方法電磁兼容性預(yù)測(cè)解析法近似法數(shù)值法21.1 電磁兼容性預(yù)測(cè)基本原理 一、為什么要電磁兼容預(yù)測(cè) 1. 事后問題解決法：徹底解決困難，可能重新設(shè)計(jì)，成本高、周期長、性能下降。 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)法：設(shè)計(jì)階段進(jìn)行干擾預(yù)測(cè)和分析，成本低、可用技術(shù)多時(shí)間技術(shù)、成本設(shè)計(jì)階段聯(lián)試階段生產(chǎn)階段成本可用技術(shù)3電磁兼容性預(yù)測(cè)(Electromagnetic Compatibility Prediction)

2、： 在設(shè)計(jì)階段通過理論計(jì)算的方法對(duì)電氣、電子元件、設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容特性進(jìn)行分析、評(píng)估。二、定義：4 應(yīng)用在方案設(shè)計(jì)階段和工程研制階段； 分析不兼容的薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)或設(shè)備兼容的安全裕度，為方案修改、防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 在研制定型之前通過預(yù)先測(cè)知、發(fā)現(xiàn)干擾問題，采取抑制和防護(hù)干擾的措施； 事半功倍，具有很高經(jīng)濟(jì)效益。三、特點(diǎn)：5四、方法：計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)用數(shù)學(xué)模型描述各種電磁干擾特性、傳輸函數(shù)和敏感度特性編制預(yù)測(cè)程序獲得潛在的電磁干擾計(jì)算結(jié)果運(yùn)行預(yù)測(cè)程序6五、作用：1. 在已知設(shè)備電氣特性參數(shù)情況下，預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)內(nèi)部所有設(shè)備的電磁兼容程度。2. 當(dāng)修改某個(gè)設(shè)備的特性參數(shù)時(shí)，分析電磁

3、干擾的變化。3. 對(duì)各種電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)估計(jì)算。4. 制定干擾極限和敏感度規(guī)范。71.2 電磁兼容性預(yù)測(cè)基本方程 干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào) ： 傳輸函數(shù) ： 傳播到r處的干擾信號(hào)：（dBW） 敏感設(shè)備的敏感度閾值： （dBW）備注：以上單位均為dBW 8 干擾裕度（Interference Margin，IM）： 電磁兼容性預(yù)測(cè)基本方程，預(yù)測(cè)的基礎(chǔ) 0，發(fā)生干擾，干擾源和敏感設(shè)備不兼容 0，兩者兼容 IM 越大，干擾越嚴(yán)重，安全裕度越小； IM 越小，干擾越輕微，安全裕度越大；9電磁兼容預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)：1.3 電磁兼容性預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)方法 根據(jù)一定的邊界條件來求解Maxwell微分方程或Maxwell

4、積分方程的確定解。邊值問題求解三種方法：解析法；近似法；數(shù)值方法； 10一、解析法： 建立和求解嚴(yán)格的偏微分方程或積分方程； 微分方程：分離變量法 積分方程：變換數(shù)學(xué)法 優(yōu)點(diǎn)：可將解表示為已知參數(shù)的函數(shù)，精確的結(jié)果；作為近似法和數(shù)值法的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 缺點(diǎn)：僅能用于解決很少量的問題，只有少數(shù)坐標(biāo)系中能分離變量，而用積分法時(shí)往往又求不出結(jié)果，致使分析過程既困難又復(fù)雜 。11二、近似法： 近似法： 1.逐步逼近法、微擾法、變分法、迭代變分法 2.結(jié)果一般都表示為級(jí)數(shù)。 3.可以求解一些用嚴(yán)格法不能解決的問題，簡便。 高頻近似技術(shù)： 幾何光學(xué)法（Geometrical Optics，GO） 物理光學(xué)法（

5、Physical Optics，PO） 幾何繞射法（GTD） 物理繞射法（PTD）12幾何繞射理論（Geometrical Theory of Diffraction, GTD） 繞射場沿繞射射線傳播，繞射射線是從源點(diǎn)經(jīng)繞射點(diǎn)至場點(diǎn)的極短傳播路徑； 繞射只取決于物體上繞射點(diǎn)鄰域內(nèi)的物理特性和幾何特性； 離開繞射點(diǎn)后，繞射射線沿直線傳播； 在繞射射線管內(nèi)能量守恒； 繞射場沿射線的相位延遲，等于媒質(zhì)的傳播常數(shù)與傳播距離的乘積?；靖拍睿?3邊緣繞射 尖頂繞射 曲面繞射 14 輻射和散射問題的高頻近似解是直射場、反射場和繞射場的疊加； 射線尋跡：確定反射點(diǎn)和繞射點(diǎn)，并求出源點(diǎn)經(jīng)反射點(diǎn)或繞射點(diǎn)的極值路

6、徑，得到反射、繞射軌跡。 在物體幾何形狀復(fù)雜或者有遮擋時(shí)比較復(fù)雜，必須用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行射線尋跡。 找出了反射線和繞射線后，即可通過疊加方法求出場點(diǎn)處的總場。 求解方法：15三、數(shù)值法： 求解由于邊界復(fù)雜而不能解決的問題； 通常用差分代替微分，用有限求和代替積分； 使電磁場問題有可能通過計(jì)算機(jī)輔助分析獲得高精度的離散解（數(shù)值解）。16頻域數(shù)值算法：有限元法(Finite Element Method， FEM)矩量法(Method Of Moment，MOM)差分法(Finite Difference Methods，F(xiàn)DM)邊界元法(Boundary Element Method，BEM)傳

7、輸線法(Transmission-Line-matrix Method， TLM)快速多極子算法(Fast Multipole Algorithm，F(xiàn)MA)常用的數(shù)值算法17時(shí)域數(shù)值算法： 時(shí)域有限差分法 (Finite-Difference Time-Domain Method ，F(xiàn)DTD) 有限積分法 (Finite Integration Technology，F(xiàn)IT)， 時(shí)域平面波算法 (Plane-Wave Time-Domain Algorithm， PWTD) 181.4 汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)的研究任務(wù)電池兼容性預(yù)測(cè)主要是研究以下三個(gè)方面： a）系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境 b）系統(tǒng)內(nèi)干擾耦合途

8、徑 c）系統(tǒng)內(nèi)干擾控制19a 系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境主要由系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的信號(hào)環(huán)境和人 為噪聲環(huán)境組成。在一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)里，系統(tǒng)的一部分對(duì)另一部分來說，很可能是“敵 對(duì)”環(huán)境。20b 系統(tǒng)內(nèi)干擾耦合途徑天線天線耦合途徑：干擾源與敏感設(shè)備通過空間輻射耦合。天線線纜耦合途徑：干擾源輻射的電磁波通過敏感器的連接導(dǎo)線感應(yīng)出電壓或電流進(jìn)入設(shè)備電路。機(jī)殼機(jī)殼耦合途徑：設(shè)備機(jī)殼金屬面充當(dāng)電磁邊界，用來傳播騷擾源電磁場。并通過另一設(shè)備的機(jī)殼作為感受邊界，將騷擾能量感應(yīng)到敏感設(shè)備中。線線耦合途徑：設(shè)備連接導(dǎo)線中的電壓或電流在相鄰導(dǎo)線中感應(yīng)耦合，造成與相鄰導(dǎo)線相連接的設(shè)備被干擾。共阻抗耦合途徑：設(shè)備通過公共阻抗（共地

9、阻抗或共源阻抗）產(chǎn)生電磁耦合。21c 系統(tǒng)內(nèi)干擾控制 從系統(tǒng)全局出發(fā)，制定分系統(tǒng)和設(shè)備EMC規(guī)范、天線布局、EMC布線要求、搭接規(guī)范、以及制定必要的工藝規(guī)程，也就是通過設(shè)備功率、頻率、時(shí)間、空間位置、方向、性能等6個(gè)方面的合理協(xié)調(diào)來取得系統(tǒng)電磁兼容性。222 國外汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r 汽車很早就成為電磁兼容研究的重點(diǎn)對(duì)象，早在1932年美國廣播工程師協(xié)會(huì)(IRE)論文集上就登載了一篇關(guān)于汽車接收機(jī)干擾的文章。到20世紀(jì)60年代以后，汽車電氣設(shè)備大量增加，許多國家和國際性組織都針對(duì)汽車推出了產(chǎn)品電磁騷擾發(fā)射(EMI)標(biāo)準(zhǔn)和電磁敏感度(EMS)標(biāo)準(zhǔn)。1983年K Blackmore給出了汽

10、車EMC失效的幾種模式，分析了汽車EMC測(cè)試的重要性。1987年，Michel FSultan等提出隨著車載電子設(shè)備的增多，汽車EMC測(cè)試增加，相應(yīng)的解決成本也增加了。因此，采用系統(tǒng)級(jí)EMC預(yù)測(cè)技術(shù)非常重要，它可以幫助解決汽車EMC問題。1992年，IENoble回顧了前40年汽車電子的發(fā)展以及汽車EMC工作，總結(jié)指出汽車EMC問題主要有四個(gè)方面：傳導(dǎo)騷擾、傳導(dǎo)敏感度、輻射騷擾、輻射敏感度。2000年，F(xiàn)lavio CANAVERO、JCKEDZIA、ATaflove等指出了汽車早期設(shè)計(jì)階段EMC預(yù)測(cè)的重要性，對(duì)汽車EMC預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了探討，并以汽車EMC實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性。232.1發(fā)達(dá)

11、國家的汽車電磁兼容體系目前，世界上汽車發(fā)達(dá)國家對(duì)汽車電磁兼容研究已經(jīng)取得了一些成就，形成了一套汽車電磁兼容體系。這主要表現(xiàn)在如下四個(gè)方面：a）具有較為完善的汽車電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；b）具有有效的對(duì)汽車整車和零部件進(jìn)行電磁兼容檢測(cè)、管理和認(rèn)證的機(jī)構(gòu)；c）具有高精度的汽車電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)；d）研制出了大型的汽車電磁兼容預(yù)測(cè)、分析和設(shè)計(jì)軟件。242.2較為完善的汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際電工委員會(huì)(IEC)、國際無線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)、美國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)(SAE)、德國標(biāo)準(zhǔn)局(DIN)、德國電氣工程師協(xié)會(huì)(VDE)等組織均在其文件中規(guī)定了抗干擾檢測(cè)的干擾類型及嚴(yán)

12、格等級(jí)，幾乎所有的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家均接受這些標(biāo)準(zhǔn)或把這些標(biāo)準(zhǔn)增補(bǔ)為自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。252.3眾多大型的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室德國大眾從1965年起，開始建立了露天的汽車防無線電干擾試驗(yàn)臺(tái)，到7O年代不斷改進(jìn)和完善，1978年引進(jìn)了較先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，1985年大力推進(jìn)汽車電磁兼容中心體系的籌建工作，1987年全新的汽車電磁兼容中心竣工。法國PSA公司電磁兼容實(shí)驗(yàn)室共有三個(gè)暗室：一個(gè)用于整車，一個(gè)用于零部件和車用接收機(jī)調(diào)整，另外一個(gè)專門用于零部件測(cè)試。測(cè)試整車的暗室尺寸為15.5m10m6113，轉(zhuǎn)臺(tái)直徑8.4m，軸距調(diào)整范圍為20003700mm。歐洲各國EMC實(shí)驗(yàn)室總計(jì)上百個(gè)，其它擁

13、有大型汽車EMC實(shí)驗(yàn)室的機(jī)構(gòu)有德國寶馬汽車公司、奧迪汽車公司、法國UTAC、英國汽車工業(yè)研究會(huì)(MIRA)、意大利菲亞特等。262.4開展汽車電磁兼容預(yù)測(cè)技術(shù)研究汽車電磁兼容研究以前基本局限在試驗(yàn)上，但是隨著電動(dòng)汽車和混合驅(qū)動(dòng)汽車的出現(xiàn)，以及汽車電氣系統(tǒng)的迅速增加，信號(hào)頻率的不斷提高，汽車電磁兼容問題越來越成為汽車制造商很重的一個(gè)負(fù)擔(dān)。為提高解決問題的效率，降低成本，把數(shù)字建模和數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車電磁兼容研究上，正成為汽車電磁兼容研究的一個(gè)熱點(diǎn)。273汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)的工作內(nèi)容3.1汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成整個(gè)汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)系統(tǒng)分為3個(gè)組成部分，如下所示：a）輸入部分：包含數(shù)

14、據(jù)來源、篩選過程、運(yùn)算法則這三個(gè)部分。1）數(shù)據(jù)來源：是整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，它包含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、用戶自定義、EMC個(gè)性文件、模型庫（信號(hào)特性、輸入輸出阻抗、潛在發(fā)射模型、潛在敏感模型、信號(hào)回路、功率電平等等）。2）篩選過程：收集、解析原始數(shù)據(jù)。3）運(yùn)算方法：針對(duì)具體模型以及用戶需求計(jì)算出所要模擬的特征信號(hào)。b）分析部分：用來近似計(jì)算輻射和傳導(dǎo)情況。其EMC模型分為傳導(dǎo)耦合計(jì)算、感性耦合計(jì)算（線-線耦合、線內(nèi)耦合）、容性耦合計(jì)算（端口耦合、 BSM耦合、屏蔽線耦合）、RE計(jì)算、場-線耦合計(jì)算等。 c）輸出部分：將EMC問題區(qū)分優(yōu)先次序，評(píng)價(jià)潛在問題，并提出建議。283.2汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)系統(tǒng)所

15、需要的方法電磁場解析計(jì)算方法簡介雖然數(shù)值計(jì)算方法精確，并且能夠處理復(fù)雜邊界問題，但是其計(jì)算時(shí)間往往是十分漫長的。因此，一些電磁場理論中的經(jīng)典解析計(jì)算方法對(duì)于分析那些2維結(jié)構(gòu)（平面物體等）、1維結(jié)構(gòu)（導(dǎo)線、集總電路等）以及天線遠(yuǎn)場輻射問題，是比較實(shí)用的。這里列出了一些常用經(jīng)典解析計(jì)算方法，如下所示：a）基于傳輸線理論的解析計(jì)算：例如導(dǎo)線阻抗（同軸線、平行雙線等）、駐波分布、電流/電壓分布等。b）基于天線理論的解析計(jì)算：例如天線接收及輻射效果計(jì)算。c）電磁脈沖計(jì)算：例如電脈沖的幅度、上升時(shí)間、波形情況等。293.3汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算流程汽車電磁兼容性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算流程如圖所示。304MICROSTRIPES軟件應(yīng)用于汽車電磁兼容預(yù)測(cè)MICROSTRIPES經(jīng)典電磁場仿真