曾 霞， 黎小嬌， 程 娟， 雷劍梅， 高陽(yáng)春

（1.汽車噪聲、 振動(dòng)與安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400039；2.重慶市汽車電磁兼容性能開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心， 重慶 401122）

1 引言

隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備加劇了整車的電磁兼容環(huán)境的惡化。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，EMC仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于整車EMC開(kāi)發(fā)過(guò)程中，其優(yōu)勢(shì)也日益凸顯，通過(guò)線纜建模仿真預(yù)測(cè)整車電磁輻射，可以幫助解決整車輻射超標(biāo)和整改問(wèn)題，可以提前預(yù)測(cè)整車輻射發(fā)射，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車輛輻射發(fā)射的仿真也開(kāi)展了很多研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò)建立直流母線電磁輻射的數(shù)學(xué)模型，采用多軟件聯(lián)合分別建立整車車身模型、直流母線的電氣模型與整體電磁仿真模型，以直流母線上的電流為干擾源，運(yùn)用矩量法與傳輸線法相結(jié)合的方法，仿真分析得到直流母線電磁輻射在車內(nèi)外的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[2]提出一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測(cè)方法，建立整車上所分析的網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性模型，能夠進(jìn)行汽車多干擾源/敏感設(shè)備并存情況下的EMC預(yù)測(cè)，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M整車輻射發(fā)射問(wèn)題，進(jìn)行有效性驗(yàn)證。對(duì)于直接加載測(cè)試電流作為仿真激勵(lì)進(jìn)行EMC性能仿真預(yù)測(cè)的方法，線束建模方式對(duì)仿真結(jié)果的影響，以及接收天線建模計(jì)算電磁場(chǎng)強(qiáng)度和近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)直接得到的電磁場(chǎng)強(qiáng)度是否存在差異未見(jiàn)有分析。

汽車上產(chǎn)生干擾的零部件外殼大多采用的是封閉的金屬材質(zhì)，對(duì)于電磁干擾具有較好的屏蔽作用，因此汽車低頻磁場(chǎng)大多是通過(guò)線束的電流感應(yīng)產(chǎn)生。本文采用電磁仿真軟件FEKO，以整車模型和2條高壓線束為例，建立桿天線模型和環(huán)天線模型，以測(cè)試得到的線束電流作為線束激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電磁波，搭建整車電磁輻射發(fā)射仿真平臺(tái)進(jìn)行整車低頻輻射發(fā)射性能預(yù)測(cè)。仿真分析：①采用桿天線和環(huán)天線獲取電磁場(chǎng)結(jié)果，與直接采用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布情況是否存在不一致性。②線束采用實(shí)體線模型、FEKO軟件自帶的Cable工具建立單線以及Cable工具建立屏蔽線3種方式得到的仿真結(jié)果是否存在差異。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比來(lái)確定是否可以采用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)代替桿天線和環(huán)天線來(lái)觀測(cè)測(cè)試中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布，減少仿真計(jì)算流程以及線束建模采用哪種方式可靠性更高。

2 整車低頻輻射發(fā)射仿真方法

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18387—2017電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)試方法》規(guī)定的測(cè)試頻段和測(cè)試方法，在整車建模的基礎(chǔ)上，提取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況下工作的零部件線束，定義線束類型、端口電路并采集線束上的干擾電流作為線束端口的信號(hào)激勵(lì)，仿真所觀測(cè)位置的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布情況。仿真對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)

由于FEKO軟件可以直接用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)得到仿真環(huán)境內(nèi)的電磁場(chǎng)分布情況，但是實(shí)際測(cè)試時(shí)采用放置在地面上，長(zhǎng)1m的單極子天線來(lái)測(cè)試電場(chǎng)，用直徑為60cm的圓環(huán)來(lái)測(cè)試磁場(chǎng)，環(huán)中心距地面1.3m，環(huán)垂直地面放置。因此，用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)求解電磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)置求解距離車輛3m、高0.5m處位置（桿天線相位中心） 的電場(chǎng)以及距離車輛3m、高1.3m處位置（環(huán)天線相位中心） 的磁場(chǎng)。

整車低頻輻射騷擾主要來(lái)自高壓線束上的屏蔽層，用電流探頭連接示波器采集高壓線束上的干擾電流時(shí)，實(shí)際得到的也基本上是屏蔽層上的電流信號(hào)，可以認(rèn)為屏蔽層上的輻射發(fā)射與同尺寸的單線輻射量幾乎一致。因此，用FEKO進(jìn)行整車輻射發(fā)射建模時(shí)，理論上可以用單線代替高壓線束的屏蔽層，單線的內(nèi)導(dǎo)體直徑是屏蔽線的屏蔽層外徑，單線絕緣層厚度與屏蔽線外絕緣層厚度相同。FEKO軟件建立線束模型時(shí)，可以采用實(shí)體線方式建立單線，采用Cable工具建立單線和屏蔽線，單線的一端用于激勵(lì)的添加，另一端直接搭鐵；屏蔽線的屏蔽層一端用于激勵(lì)的添加，屏蔽層另一端直接搭鐵，而芯線兩端均懸空。仿真時(shí)激勵(lì)添加端與實(shí)際高壓信號(hào)采集端一致，與實(shí)際激勵(lì)采集相符。

3 整車低頻輻射發(fā)射仿真建模

3.1 接收天線標(biāo)定

按照測(cè)試天線的實(shí)際模型來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)，需要在電磁仿真軟件FEKO中對(duì)桿天線和環(huán)天線進(jìn)行標(biāo)定，分別得到桿天線和環(huán)天線的天線系數(shù)。天線系數(shù)AF定義為電磁場(chǎng)強(qiáng)度與天線接收電壓的比值，即天線接收1V電壓時(shí)天線周圍均勻平面波的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，在單位平面波照射下，AF為接收電壓的倒數(shù)。

標(biāo)定時(shí)，通過(guò)測(cè)量得到桿天線的大小、形狀等尺寸，在FEKO軟件中建立桿天線和環(huán)天線的模型，并按照實(shí)際測(cè)試設(shè)置搭鐵、饋電位置以及端口阻抗，標(biāo)定的仿真模型如圖1所示。對(duì)于桿天線的標(biāo)定，天線為長(zhǎng)1m的單極子天線，天線與搭鐵之間的端口接50Ω阻抗，用電場(chǎng)強(qiáng)度為1V/m垂直于地面的均勻平面波照射桿天線，仿真得到桿天線接收端口的接收電壓U0；對(duì)于環(huán)天線的標(biāo)定，天線為直徑60cm的圓環(huán)，環(huán)中心距地面1.3m，環(huán)垂直地面放置，底部設(shè)置饋電端口并添加50Ω阻抗，用磁場(chǎng)強(qiáng)度為1A/m（電場(chǎng)強(qiáng)度為120πV/m） 沿環(huán)天線軸線方向的均勻平面波照射環(huán)天線，仿真得到環(huán)天線接收端口的接收電壓U0。

圖1 接收天線標(biāo)定模型

3.2 仿真建模

為對(duì)比分析不同的仿真方法和不同的建模方式對(duì)仿真結(jié)果的影響，分別建立實(shí)體線模型、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線方式對(duì)應(yīng)的桿天線、環(huán)天線-徑向、環(huán)天線-橫向以及近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的求解模型，總共12個(gè)模型。

由于頻率較低，所以仿真采用FEKO默認(rèn)的矩量法（MOM） 進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真預(yù)測(cè)計(jì)算即可。在FEKO中仿真，導(dǎo)入2條騷擾源線束的路徑，然后定義線束的性質(zhì)。線束采用單線的方式建模時(shí)，單線的內(nèi)導(dǎo)體半徑2.21mm，絕緣層厚度0.6mm，絕緣層材料XLPE。線束采用屏蔽線建模時(shí)，芯線半徑1.25mm，內(nèi)絕緣層厚度0.6mm，材料XLPE，屏蔽層金屬絲直徑0.18mm，總共16股，每股6根，外絕緣層厚度為0.6mm，材料為PVC。保證單線的內(nèi)導(dǎo)體直徑與屏蔽線的屏蔽層外徑一致（均為2.21mm），外絕緣層厚度一致（均為0.6mm）。所有仿真模型中，線束剖分規(guī)則要設(shè)置一致，排除剖分帶來(lái)的誤差。3種不同線束建模方式如圖2所示。

圖2 線束建模方式

桿天線、環(huán)天線-徑向、環(huán)天線-橫向以及近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)仿真模型如圖3所示，天線及近場(chǎng)點(diǎn)觀測(cè)位置按照仿真對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。仿真過(guò)程中，在線纜端口添加頻域的電流信號(hào)作為仿真的激勵(lì)，利用電流探頭連接到示波器采集得到激勵(lì)信號(hào)。為了減少仿真時(shí)間并確保仿真精度，通過(guò)提取峰值的方式提取出騷擾源信號(hào)在150kHz～30MHz頻段的約51個(gè)頻點(diǎn)的干擾電流值作為激勵(lì)信號(hào)，將其導(dǎo)入FEKO中驅(qū)動(dòng)線束產(chǎn)生電磁波，仿真運(yùn)算完成即可得到電流驅(qū)動(dòng)線束在汽車周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布情況。

圖3 整車低頻輻射發(fā)射仿真模型

4 仿真結(jié)果計(jì)算

4.1 接收天線系數(shù)

仿真得到桿天線和環(huán)天線分別在1V/m電場(chǎng)和1A/m磁場(chǎng)平面波照射下，天線位于車輛后側(cè)（Back）、前側(cè)（Front）、左側(cè)（Left） 和右側(cè)（Right） 的接收電壓幅值U0，通過(guò)公式AF=1/U0，得到桿天線的天線系數(shù)AFE和環(huán)天線的天線系數(shù)AFH，如圖4所示，用于下文計(jì)算天線位置的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

圖4 桿天線和環(huán)天線標(biāo)定接收電壓及天線系數(shù)

4.2 接收天線的電磁場(chǎng)結(jié)果計(jì)算

對(duì)于桿天線、環(huán)天線-徑向和環(huán)天線-橫向3種直接采用接收天線的求解方法，仿真得到桿天線和環(huán)天線端口的接收電壓，需要利用天線系數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)，計(jì)算公式如下。

由于數(shù)據(jù)較多，這里僅展示線束采用實(shí)體單線方式建模時(shí)的仿真及計(jì)算結(jié)果，此時(shí)分別得到桿天線、環(huán)天線-徑向和環(huán)天線-橫向3個(gè)仿真模型對(duì)應(yīng)的車輛前（Front）、后（Back）、左（Left）、右（Right） 4個(gè)方向的接收電壓，以及轉(zhuǎn)換得到的電場(chǎng)-垂直極化結(jié)果、磁場(chǎng)-徑向分量和磁場(chǎng)-橫向分量的結(jié)果，分別如圖5～圖7所示。

圖5 實(shí)體單線-桿天線的仿真和計(jì)算結(jié)果

圖7 實(shí)體單線-環(huán)天線-橫向的仿真和計(jì)算結(jié)果

4.3 近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)電磁場(chǎng)仿真結(jié)果

通過(guò)近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的方式，仿真運(yùn)行完成后可以直接得到車輛前、后、左、右4個(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。由于測(cè)試的是電場(chǎng)強(qiáng)度的垂直極化以及磁場(chǎng)強(qiáng)度-徑向方向的分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度-橫向方向的分量，因此電場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)果只選取電場(chǎng)幅值Z方向的分量。前、后兩側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度-徑向方向的分量對(duì)應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)幅值的Y方向分量，左、右兩側(cè)對(duì)應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)幅值的X方向分量。前、后兩側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度-橫向方向的分量對(duì)應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)幅值的X方向分量，左、右兩側(cè)對(duì)應(yīng)近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)幅值的Y方向分量，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)位置的電場(chǎng)-垂直極化、 磁場(chǎng)-徑向和磁場(chǎng)-橫向方向的分量

5 仿真結(jié)果對(duì)比分析

5.1 天線模型方式與近場(chǎng)點(diǎn)方式對(duì)比

對(duì)于直接采用接收天線的接收電壓來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)強(qiáng)度和近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)兩種方法來(lái)進(jìn)行整車低頻輻射發(fā)射性預(yù)測(cè)，仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖9～圖11所示，分別顯示前、后、左、右4個(gè)方向車輛產(chǎn)生的電場(chǎng)-垂直極化、磁場(chǎng)-徑向方向分量以及磁場(chǎng)-橫向方向分量。

圖9 兩種仿真方法下的電場(chǎng)-垂直極化結(jié)果

圖10 兩種仿真方法下的磁場(chǎng)-徑向方向的仿真結(jié)果

圖11 兩種仿真方法下的磁場(chǎng)-橫向方向的仿真結(jié)果

從對(duì)比結(jié)果可以看出，采用距地面中心0.5m高位置的近場(chǎng)點(diǎn)來(lái)觀測(cè)電場(chǎng)的垂直極化分量，相比于采用實(shí)際桿天線的接收電壓來(lái)計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，兩種方式得到的電場(chǎng)強(qiáng)度在整個(gè)仿真頻段的趨勢(shì)完全一致，只是近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)方式由于近場(chǎng)點(diǎn)離地面較近，其電場(chǎng)值整體偏小約5dB左右，說(shuō)明采用距地面中心0.5m高位置的近場(chǎng)點(diǎn)來(lái)觀測(cè)電場(chǎng)會(huì)使電場(chǎng)值偏小。而采用實(shí)體環(huán)天線來(lái)求解磁場(chǎng)強(qiáng)度，與采用1.3m高位置的近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度，在2MHz以下頻段，磁場(chǎng)強(qiáng)度基本一致，而在2～30MHz頻段，磁場(chǎng)趨勢(shì)完全一致，只是磁場(chǎng)值存在約6dB左右的差異，說(shuō)明采用近場(chǎng)點(diǎn)來(lái)觀測(cè)測(cè)試的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，趨勢(shì)完全一致，只有高頻部分磁場(chǎng)值存在些微誤差。

5.2 不同線束建模方式結(jié)果對(duì)比

對(duì)于線束采用實(shí)體單線（Entity_Model）、Cable工具-單線（Single_Cable） 以及Cable工具-屏蔽線（Shield_Cable） 3種方式建模，預(yù)測(cè)整車低頻輻射發(fā)射性能，仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖12～圖14所示，分別顯示車輛前、后、左、右4個(gè)方向車輛產(chǎn)生的電場(chǎng)-垂直極化、磁場(chǎng)-徑向方向以及磁場(chǎng)-橫向方向的分量。

圖12 不同線束建模方式下電場(chǎng)-垂直極化的仿真結(jié)果

圖13 不同線束建模方式下磁場(chǎng)-徑向方向的仿真結(jié)果

圖14 不同線束建模方式下磁場(chǎng)-橫向方向的仿真結(jié)果

從對(duì)比結(jié)果可以看出，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的線束，采用實(shí)體單線、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線3種方式建模，所計(jì)算得到的電場(chǎng)強(qiáng)度完全一致，左、右兩側(cè)的磁場(chǎng)-徑向分量以及前、后兩側(cè)的磁場(chǎng)-橫向分量也完全一致，只前、后兩側(cè)的磁場(chǎng)-徑向分量以及左、右兩側(cè)的磁場(chǎng)-橫向分量在幾個(gè)諧振頻點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值存在些微的差異。說(shuō)明線束采用這3種方式建模時(shí)，只要保證向外輻射部分的外徑相同，求解的電磁場(chǎng)結(jié)果可以認(rèn)為具有一致性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在線束電流驅(qū)動(dòng)線束感應(yīng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的仿真方法的基礎(chǔ)上，采用接收天線感應(yīng)電壓計(jì)算電磁場(chǎng)和近場(chǎng)觀點(diǎn)直接觀測(cè)場(chǎng)強(qiáng)來(lái)分析兩種方法的一致性，以及對(duì)比線束實(shí)體單線、Cable工具-單線和Cable工具-屏蔽線3種建模方法對(duì)低頻電磁輻射仿真結(jié)果的影響。研究表明采用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)測(cè)試位置的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，與桿天線和環(huán)天線接收到的電場(chǎng)和磁場(chǎng)趨勢(shì)完全一致，只是采用0.5m的近場(chǎng)點(diǎn)代替放置在地面上的1m長(zhǎng)單極子天線得到的電場(chǎng)值偏小，后續(xù)應(yīng)該研究近場(chǎng)點(diǎn)距離地面多高能夠代替實(shí)體天線來(lái)進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。而采用距離地面1.3m高位置的近場(chǎng)點(diǎn)代替環(huán)中心在地面1.3m的環(huán)天線進(jìn)行磁場(chǎng)的預(yù)測(cè)，在低頻2MHz以下基本一致，在2MHz以上磁場(chǎng)趨勢(shì)完全一致，但是磁場(chǎng)值存在些微差異。因此，雖然近場(chǎng)點(diǎn)不能完全替代實(shí)際測(cè)試天線來(lái)計(jì)算測(cè)試環(huán)境內(nèi)的電磁場(chǎng)值，若沒(méi)有桿天線和環(huán)天線的尺寸從而無(wú)法建立天線模型時(shí)，還是可以采用近場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)低頻輻射電磁場(chǎng)的整體趨勢(shì)，以及電磁場(chǎng)強(qiáng)度的大致范圍，簡(jiǎn)化分析整車系統(tǒng)產(chǎn)生電磁波諧振的影響因素或進(jìn)行線束和零部件優(yōu)化分析的流程，從而在設(shè)計(jì)階段快速為車內(nèi)各種電器布置和線束布局提供參考。而對(duì)于簡(jiǎn)單的線束建立模型時(shí)，只要保證向外輻射部分的外徑相同，可以采用實(shí)體單線、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線其中任何一種方式，對(duì)電磁場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果影響基本可以忽略。

本文中的仿真模型只是簡(jiǎn)化的2根線束模型，實(shí)際汽車上有大量的高壓或低壓線束工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)，通過(guò)本文的仿真研究，可將其延伸到整車更高頻率復(fù)雜系統(tǒng)工作時(shí)的電磁場(chǎng)仿真。