（电气工程专业论文）汽车布线对汽车电磁兼容的影响研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着汽车电子技术的发展，日益增多的电子产品的使用恶化了汽车的电磁环 境，汽车电磁兼容已经成为汽车设计中必须考虑的问题。采用数值仿真和预测技 术是当前解决汽车电磁兼容问题的主流方法多导体传输线理论( m t l ) 和时域有 限差分法( f d r d ) 在这里得到了广泛的应用。考虑到汽车电磁兼容对于汽车安全性 和可靠性的重大影响，以及导线在汽车电磁兼容问题中的重要地位，研究与导线 相关的汽车电磁兼容问题有重要的实用意义。 在对当前与导线相关的汽车电磁兼容问题的解决方案和相关算法进行详细分 析的基础上，对导线的电磁干扰进行研究并将其扩展到汽车电磁兼容问题的研究 中去，以此促进电磁场计算方法、导线的串扰和辐射以及与导线相关的汽车电磁 兼容问题的研究，从而为系统级汽车电磁兼容分析和设计提供有效的解决方案和 工具，促进计算机数值仿真预测技术和电磁场计算方法的研究和应用，并最终有 助于提高汽车的安全性和可靠性 在讨论多导体传输线电报方程的建立、多导体传输线单位长度参数的计算和 多导体传输线电报方程的求解的基础上，建立两平行共地传输线的理想多导体传 输线电报方程，得出其耦合等效电路，根据耦合电压响应曲线分析串扰电压与频 率、导线间距以及导线离地高度之间的关系。建立四平行导线的多导体传输线电 报方程，计算其耦合电压响应。在阐述时域有限差分法的基本原理、分析f d t d 中细导线的处理方法以及集中元件的处理方法的基础上，终端状态对导线辐射影 响的仿真，具体考虑终端开路、终端接电阻、终端接电阻和短截线三种情况，分 别计算得到相应的时域和频域结果并进行了分析。探讨了采用m t l f d t d 混合方 法计算金属平板上导线的辐射问题的可行性 针对实际的汽车电磁兼容问题，采用仿真软件建立模型进行仿真讨论汽车 电磁兼容问题的建模问题，探讨车体、电子控制单元( e c u ) 、导线和天线的建模 方法对车内导线间的串扰问题进行仿真，考虑车内的开孔以及穿过开孔处的连 接导线对汽车电磁兼容问题的影响；对车内导线产生的辐射进行仿真，考虑车身 对车内导线产生辐射的影响；对激励源与不同位置处天线间的耦合进行仿真，具 体考虑三个不同位置处的天线：乘员室前端，车体顶端和后备箱上方，通过比较 三个位置处天线与激励源的耦合来确定最佳的天线安装位置。 关键词：电磁兼容，多导体传输线理论，时域有限差分法，汽车 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo ft h ea u t o m o b i l e , t h eu s eo f e l e c 帅n i cp r o d u c ti n c r e a s i n gd a yb yd a yh a sw o r s e n e dt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t o ft h ea u t o m o b i l e , t h ee l e c t r o m a g n e t i ca n dc o m p a t i b l yo fa u t o m o b i l eh a sa l r e a d y b e c o m et h ep r o b l e mt h a tm u s tb ec o n s i d e r e di nt h ea u t o m o b i l ed e s i g n a d o p tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r e d i c tt e c h n o l o g yi st os o l v et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l e p r o b l e mm a j o rm e t h o do ft h ea u t o m o b i l ea tp r e s e n t t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r yi n f 卫v q u e n t l yd o m a i na n df i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o di nt i m ed o m a i nh a v eb e e n w i d e l yu s e da th e r e i nv i e wo f a u t o m o b i l e se m ch a v eg r e a ti n f l u e n c eo na u t o m o b i l e s e c u r i t ya n dd e p e n d a b i l i t y , a n dt h ei m p o r t a n tp o s i t i o na m o n gt h ee m cp r o b l e m so f t h e a u t o m o b i l ea b o u t 、】i 诚t h e r ei si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g st or e s e a r c ht h ee m c p r o b l e mo f a u t o m o b i l er e l a t e dt ow i r e o nt h ef o u n d a t i o nt h a tt h er e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o no fr e l e v a n ta l g o r i t h m sc a t _ r i c s o nd e t a i l e da n a l y s i s ，s t u d yt h ee m ip r o b l e mo fw i r ea n dm a k ei te x p a n dt ot h es t u d yo f e m cp r o b l e mo fa u t o m o b i l e ，p r o m o t et h es t u d yt ot h ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c m a g n e t i cf i e i d , c r o s s t a l ka n dr a d i a t i o no fw i r ea n de m cp r o b l e mo fa u t o m o b i l er e l a t e dt ow 抵 t h e s er e s e a r c hc a no f f e re f f e c t i v es o l u t i o na n dt o o lt oe m ca n a l y s i sa n dd e s i g no f a u t o m o b i l eo ns y s t e ml e v e l , a n dp m m o t et h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e d i c t t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe l e c t r i cm a g n e t i cf i e l dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , a n df a c i l i t a t ei m p r o v i n gs e c u r i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo f a u t o m o b i l ef i n a l l y i nd i s c u s st h ef o u n d a t i o no fm u l t ic o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e st e l e g r a me q u a t i o n , c a l c u l a t i o no f p e ru n i tl e n g t hp a r a m e t o ro fm u l t ic o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e sa n ds o l v e o fm u l t ic o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e st e l e g r a me q u a t i o n , s e tu pm u l t ic o n d u c t o r t r a n s m i s s i o nl i n e st e l e g r a me q u a t i o no f t w op a r a l l e lw i r e sh a v ec o m m o ng r o u n d ，o b t r m i t sc o u p l i n ge q m v m e n te l e c t r i c a lc i r c u i t , r e s p o n da c c o r d i n gt oc o u p l i n gv o l t a g ec u l n e a n a l y z er e l a t i o n s h i pt h a te r o s s t a l kv o l t a g ew i t hf r e q u e n c ya n dw i r ei n t e r v a la n dh e i g h t f t o mw i r et og r o u n d s e tu pf o u rp a r a l l e lm u l t ic o n d u c t o r1 1 a n s m i s s i o nl i n e st e l e g r a m e q u a t i o n , c a l c u l a t et h e i rc o u p l i n gv o l t a g er e s p o n s e e x p o u n db a s i cp r i n c i p l eo ff d t d , a n a l y z ed e t a i l e dt r e a t m e n tm e t h o do ft h i nw i r ea n dl u m p e de l e m e n t s i m u l a t et h e r a d i a t i o np r o b l e mo f 疵w i t hd i f f e r e n tt e r m i n a l , c o n s i d e rs p e c i f i c a l l yt h a to p e n t e r m i n a l ，r e s i s t a n c et e r m i n a l ，r e s i s t a n c ea n ds t u bt e r m i n a l ，c a l c u l a t er e s u l ti nf r e q u e n t l y 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a n dt i m ed o m a i n , a n a l y z ei t s1 a s o n d i s c u s st h ef e a s i b i l i t yo f u s i n gm t i 巾d t dh y b d d m e t h o dt os o l v et h er a d i a t i o np r o b l e mo f t h ew i i ca b o v eg r o u n dp l a n e t ot h er e a le m c p r o b l e mo f a u t o m o b i l e ，a d o p tt h es i m u l a t i o n8 0 f t w a l 七t ob u i l dt h e m o d e lo f s e t t i n gu pt oc a r r yo ns i m u l a t i o n m a i n l yd i s c u s st h em o d e l i n 8q u e s t i o no f t h e e l e c t r o m a g n e t i ce m co fa u t o m o b i l e ，d i s c u s st h em o d e l i n gm e t h o d sa b o ma u t o m o b i l e b o d y ，e l e c l r o n i cc o n t r o lm o d u l e ( e c u ) ，w i t a n d 孤m m n 乱s i m u l a t ec r o s s t a l ko fw i r e i n s i d ea u t o m o b i l e ，c o n s i d e rt h eh o l ea n dw i r ei m p a c t0 1 1e m c p r o b l e mo fa u t o m o b i l e r a d i a t i o ns i m u l a t i o no f w i r ei n s i d ea u t o m o b i l e , c o n s i d e ra u t o m o b i l eb o d yi n f l u e n c eo n r a d i a t i o no fw i r e s t u d yt h ec o u p l i n ga m o n g8 0 u r a n da n t e n n aw h e na n t e n n ai n d i f f e r e n tp o s i t i o n t h ea n t e n n ai nt h r e ed i f f e r e n tp o s i t i o ns p e c i f i c a l l y ：t h ef r o n to f p a s s e n g e r sr o o m , t h ea u t o m o b i l eb o d yt o p ，a b o v et h et r u n k , c o n f i r mt h eb e s ta n t e n n a s e t u pp o s i t i o nb yc a l c u l a t i n gt h ec o u p l i n ga m o n gs o u r c 宅a n da n t e n n aw h e na n t e n n ai n t h r e ed i f f e r e n tp o s i t i o np o s i t i o n s k e y w o r d s ：e m c ，m u l t i e o n d u e t o rt r a n s m i s s i o nl i n e ( m t l ) ，f i n i t ed i f f e r e n c et u n e d o m a i n ( f d t d ) ，a u t o m o b i l e l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：细去邑签字日期：砌7 年f 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名；衍亳也 导师签名： 斜廓 l 签字日期：铀7 年，月对，日签字日期：印7 年，月扩日 重茨大学嫒士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 论文选蘧意义 搿在1 9 0 6 年，入稍虢发现道路上行驶豹汽车会对周围静无线嘏牧音祝产生予 扰，弗提出对汽车点火祭统产生的电磁干扰加以限制，自此开始丁汽车电磁干扰 防治的研究f l 】伴随着技术进步和市场需求的扩大，汽车电子技术的发展进入新的 阶段，表现在对汽车电予设备进行控制以及微机在汽车上的应用及智能他的发展， 毫予魄器产晶不仅仅届双嗲取代辍藏装爱，瓣基力巨实褒对汽攀羧裁戆最爨纯掰。 汽车电磁兼容已经成兔汽车设诗孛必须考虑麴斑遂。对予现 j ：汽攀箍言，汽车电 磁兼释技术与汽车排放技术，汽车安全技术f 弼为汽车共性技术1 3 】。汽车电磁兼容问 题的解决对提高汽车的安全性和可靠性有重火的影响。 汽率电磁兼容性是指；率辆或零部件或独焱技术单元在其电磁环境中能令人满 意黥童捧，又不对该电磁强境孛敢任鳄事物造成不应有的电磁骚扰豹辘力。帮； 在汽霉及其瘸嚣静空褥串，在一定熬对麓蠹( 遮行豹对阕) ，在霹髑豹频谱资源条 件下，汽车本身及其周围豹用电设备可以共存丽不至引起降级。 搬影响汽车电磁兼容问题的因素当中，鼯线( 电缆) 占有重要的地位，具体表 现如- f , 霉线是传导于扰懿瀵要藕合途径，电气奄予设备等于扰源产生豹电磁干扰 会逶避慧线或毫缆壹接入爱敏感设备，或者遴过容缝藕会或感豫藕合进入整麓线 和信号线，耦合干扰电嚣稍值可高达2 0 0 v 以点，持续时间可达3 0 0 m s ，会对车内 装置置作的可靠性产生影响网，而导线之间的耦合使得导线的电磁兼容问题更为复 杂。 譬线是效率缀高黪电磁波接收天线，泡磁辐射氍可以壹接糕食裂敏感设备 上，瞧霹戆先藕合蘩导线童，然蓐霉簧导送入簸感设蚕。 辱线是效率很高静电磁波辐射天线，尤其是汽车电子技术鹘发展使导线的 工作频率不断提高，导线产生的电磁辐射目益严重。 汽车内有大量连接备种电气电子设备的爵线，导线是导致设备或系统不能 满足鸯关电磁干扰限值要求盼主要原因嘲。 袋耀数蓬谚囊窝鬏灏技零楚当夔簿凌汽攀毫磁兼容鲻遂豹雯浚方法。龟磁璐 诗算方法豹发震和计算枫畿熊的提高为实施铸真和预测提供了可黥，多导体传输 线理论和时域有限差分法筏这里得到了广泛的_ 陂用从国内外的研究现状来看， 导线在解决汽车电磁兼容问题的过程中受到了较广泛的关注，但邂不能得到很好 的解决。 重炭大学硬士学位论文 i 绪论 综合以上原因，我们提出对导线对汽率电磁兼容的影响进行研究，考虑到汽 车电磁兼容对汽车安全憔和可靠性的重大影响，以及导线在汽芈电磁兼容问题中 的爨黉地位，本课题的研究有着重要的实用意义。本课题的研究还将涉及到电磁 场谤算方法熬学习嚣纛溪，诗算毫磁学题巍找辩学菝拳熬超蔻渗课蘧之一，零漾 题的研究有助予加强辩电磁场计算方法的姘究，裎避电磁场计冀方法在不露领域 的威用性研究 1 2 园内外研究现状 麸1 9 0 6 年提出对汽攀纛火系统产生懿壤磁予扰麴骧限铡羚媲，入髑藏发瑗等 线帮汽车电磁兼容惩瑟密切稿关。l e 。n o b l e 播出：导线是事内缀主要静于藐藕合 途径，由电动机、继电器以及其他感性设备的触点开关引起的瞬态脉冲有可能通 过导线进入电源或者电子系统，或者通过容性耦合或感性耦台进入控制线和信号 线，它可能在额定电压为1 2 v 或者2 4 v 的电气设备上引起高达数西伏的电压。而 终赛电磁场也可以逶避瘤部导线或装配线路入侵敏感设鍪。磐羧攀足够寒时，导 线会成隽一令裹效率豹必线，l v m 熬场强衾感应毽l m a 豹予挽恕流i 嘲。 随着汽车电子技术的发展，日益增多的电子产品的使用恶化了汽车的电磁环 境，而工作频率的提高使得导线的辐射效成网益突出，因此，猩研究汽车电磁兼 容问题的过程中，导线作为一种重要结构受剿了更多关注。 嗽磁场数值诗算方法瓣发展窝诗算极性般戆握裹，使褥越来越多的研究久受 采溺电磁囊数篷费卖秘颡测技术来疆究汽霉毫磁兼容翅题，爨为采蔫数蓬建模援 术可阻在制造昂贵豹汽馨原型之前就确保汽率满足电磁兼容标准，从而节省开发 周期和成本l 哪! 从计算方法来看，有限元法、矩量法和时域有限箍分法都曾经应 用予汽车电磁兼容问题的研究。由于汽车抗扰性测试的带宽从低频扩展到高频 ( 1 0 0 k h z - 2 g h z ) ，汽车电磁兼容闯题对宽频带内的响应感兴趣，鬻她采薅时域有限 差分法更荛台逶，嚣必绩号经篱立拜交换螽褥鬟宽频繁蠹豹络莱；勇终，嚣域有 限麓分法在求解大尺寸斑遂时有更高的计算效率u 研。因此，耐域有限差分法在汽 车电磁兼容仿真领域得到了广泛的应用【l 卜m 对导线进行建模是进杼汽车电磁兼容仿真的重要步骤，由予导线的径向尺寸 和轴鹤尺寸稳差缀大，务耱裁分格式缀难实域对导线的截分，熙鼯线边界也较难 羧会；舞簿，覆难稳造耱蔽毅逮赛在懿鼗犬魏燕凄实瑗既较野静稷浚效栗( 壹毽 栝体的径随尺寸和轴向必寸相差很大引起) ，这些随遂限铡了f d t d 在诧领域的应 用。因此，有学者提出了m t i 卯d t d 混合算法【1 删，即首先采用m t l 方法计算 导线上的电流分布，然后从m t l 模型中抽取出拱模电路用于整率众波建模和仿真。 由予必模电流辐射是最主要的，所以可以用遨根单导线来代替鼯线距离很近的线 2 重炭大学壤圭学证论文 1 绪论 柬，将这根导线上的电流代入f d t d 计算程序即可得到所求场强分布【1 9 1 ；或者在 应用m t l 方法计算得剡爵线上的电流分布乏后，采用多导体业网格算法刚计算所 求场强分布，即在原有的f d t d 计算区域斑划分出亚阚格区域，在该区域中应用 黧瓣旃，黠耪箨豹其稳嚣域仍采矮粳网格。这徉，襞麓绦诞麓够魏诗算薅度，爻 节约肉存和运行对蠲。 综上所述，关于鼯线对汽车电磁兼容的影响已经进行了一魑研究，取得了一 些成果，但还存在对计算机硬件要求较高，计算所花费的时间较长，考虑的导线 结构相对简单等问题，关予导线的汽车电磁燕容问题还没有能够得到系统解决， 簸仍然是一个具有热藏栏戆课蘧，探讨导线魄磁蓑骞溺题鳕求瓣方法、磐舞充分 翻潮计舞电磁学秘其它系绕静关于导线豹戆滋兼容 蠡题魏已有磅究成采、如秘译 价鼯线对汽车电磁兼容和汽车安全性的影响簿问题还需要深入细致的研究。 1 3 电磁兼容问题的数值仿真简介 鞠对予传统黪汽奄电磁兼容分耨来说，奄磁兼容仿囊骞缀多傻熹，在这垂骞 必凝对电磁兼容翅题豹数值仿真俸筏要奔缮。 仿真作为人们认识傲界的重要手段，藏无疑问它也必将在产品设计中发挥重 要作用。自从仿真技术的出现，人们就已缎开始尝试将其应用于产品设计但通 常来说，要想使仿真在产品设计中发挥作用，必须满足以下几个条件：仿真应 其蠢会理懿置售瘦( f i d e l i t y ) 。这样仿真结果考麓是够正确，以掺鼯入靛设计。能 够纛会理懿跨藏蠹获缛傍宾缮票。要鸯穰瑰豹建模，费寞王其熏持，傻钫囊入受 能够方便地构建仿真模激，运行仿真，获得结果非常幸运的怒，在过去的一、 = 十年中，随着计算机软件、硬件技术的发展，仿真已经广泛臌用于复杂产品的 设计，成为保障复杂产晶设计成功的重要手段脚j 。 产器或系统舱电磁兼容性指标已是豳繇赞爨及藿内市场必须满足翦标准之 一冤论簸经茨毪还爨获释效往来评徐，纛莰谤臻段纂浃产燕豹电磁兼容毪要求 是极其重要的。一剥因为电磁兼容标准的测试要求高，要在规定的测试条件下进 行试验所需的费用昂贵；：是产品的返修耗时耗财；再加上当前的计算机模拟技术 已达到较高水平，通过模拟不仅可以预测产品的各项性能而且w 以做更多的开创 性磷究。在国际上，科举计算方法的先进锻及其应用的广泛後怨是餐量各个晷家 综会蜜秀熬重要方瑟。颡魏，诗葬援攘羧皴零在e m c 镶城懿巍麓篷褥大力撵疆。 数值计算又称科学计算或模拟计算嘲。它是任何其它方法，如理论计算、实 际观察威实验研究所无法替代的一种有效的科学研究方法它的糖本过程可以用 图1 1 所示框图来说明其中( 1 ) 、“) 两步煅为关键，必须由懂得正程问题并掌握 数傻计算的专门人才来散。 3 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 图i i 计算机仿真的过程 f i 9 1 1p i d 鼹o f c o m p u t e rs i m u l a t i o n 用高性能的计算机就可以直接以数值的、程序的形式代替解析形式来描述电 磁场问题。在纯数值法中，通常用差分代替微分，用有限求和代替积分，这样， 就将所求问题转化为求解差分方程或代数方程问题。纯数值法的出现，使电磁场 问题的分析研究，从经典的解析方法进入到离散系统的数值分析方法，从而使许 多解析法很难解决的复杂的电磁场闯题，通过电磁场的计算机仿真可获得很高精 度的数值解，同时可极大地促进各种电磁场数值计算方法的发展 电磁场理论发展到现在，计算电磁场的数值方法很多。它们均由麦克斯韦方 程出发来进行求解，根据具体问题的不同，求解方法也不同。下面介绍几种相关 的常用电磁场数值计算方法； 有限元法 有限元【硼的思想最早由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出。五十年代初期，由于工程 分析的需要，有限元法在复杂的航空结构分析中最先得到应用1 9 6 5 年w m s l o w 首先将有限元应用于电气工程问题，1 9 6 9 年s f l v e s t e r 将有限元法推广应用于时谐 电磁场问题发展至今，对于电气工程领域，有限元法已经成为各类电磁场、电 磁波工程问题定量分析与优化设计的主导数值计算方法 传统的有限元法以变分原理为基础，把所求的微分方程数学模型边值问题首 先转化为相应的变分问题，即泛函求极值问题，然后利用剖分插值，离散变分问 题为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待 求边值问题的数值解有限元法的核心在于剖分插值，它是将研究的连续场分割 为有限个单元，然后用比较简单的插值函数来表示每个单元的解，它并不要求每 个单元的试探解都满足边界条件，而是在全部单元总体合成后再引入边界条件 矩量法 矩量法】叫( m o m e n t m e t h o d ) 是近年来在天线、微波技术和电磁波发射等方面 广泛应用的一种方法。从这些实际工程问题涉及开域、激励场源分布形态较为复 杂等特征出发，矩量法是将待求的积分方程问题转化为一个矩阵方程问题，借助 于计算机求得其数值解，在所得激励源分布的数值解基础上即可算出辐射场的分 布及其阻抗等特性参数 时域有限差分法 1 9 6 6 年，i c s y e e 提出了时域有限差分法矧闭【2 刀的基本原理。之后的二十 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 年，它的研究进展缓慢，在电磁散射、电磁兼容领域有些初步应用。2 0 世纪8 0 年 代后期以来，它备受学者青睐，被称为重要的电磁数值计算方法之一时域有限 差分法以差分原理为基础，直接从m a x w e l l 方程出发，将其转换为差分方程组， 在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样因此，它是对电磁场问题 的最原始，最本质、最完备的数值模拟，具有最广泛的适用性。以它为基础编写 的计算程序，随广泛的电磁场问题具有通用性。由它所得的结果应该是“完备” 的矢量场，由此算出的三维电磁场也应该是“精确”的。 随着吸收边界条件的不断改善，以及对各种非标准网格的划分技术、计算量 压缩技术、抗误差积累技术研究的深入，时域有限差分法日趋完善，其应用面也 趋于全方位从电磁散射、电磁兼容、波导与谐振腔系统、天线辐射特性的研究， 到电磁波生物效应、微波及毫米波集成电路分析、超高速集成电路互连封装电磁 特性的分析都有时域有限差分应用的例子 时域有限差分法非常适用于复杂结构的电磁场问题的模拟，而它的直接时域 计算特性在干扰源宽频带辐射的计算中具有突出的优点，只需采用适当脉冲作为 激励源，即可获得宽频带的辐射特性。时域有限差分法使电磁场的理论与计算从 处理稳态问题发展到瞬态问题，从处理标量场问题发展到直接处理矢量场问题， 这在电磁场理论中是一个极有意义的重大发展。 对于高频电磁场的仿真，传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要，使 用电磁仿真软件进行系统的分析和设计已经成为今后的必然趋势，下面是几个常 用电磁仿真软件的简介： f l o e m c f l o e m c 是专门针对电磁兼容性分析的软件，主要用于系统级的电磁兼容分 析f l o e m c 采用先进的时域传输线法( m ) ，从原理上来说，因为软件在做模 拟时首先用的激励源是冲击脉冲，由于这个脉冲在时域的宽度极窄( 实际上是趋于 无限窄) ，从频域来说，它能覆盖极宽的频率范围( 理论上说是无限宽) ；当以这个 冲击脉冲来激励整个系统时，根据信号与系统的理论，在时域得到的将是此脉冲 与系统函数即h ( t ) 的卷积，对应于频域，结果将是系统函数h ( s ) 与冲击脉冲的频域 响应( 理想情况下是1 ) 的乘积，自然，我们将得到h ( s ) ，它就是整个系统的频域 响应。 由于以上的求解原理，所以只需要一次求解，我们就可以得到系统在整个频域 的响应曲线( 理论上是无限宽) ，也就是系统的屏蔽效能曲线。 使用f l o e m c 可以求解的问题：部件级和系统级的屏蔽效能分析( s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s ) ) 主要针对部件和系统的有意辐射( i n t e n t i o n a lr a d i a t i o n ) 问题的辐射性 能分析；主要用于电路参数分析的散射系数分析( s c a t t e rp a r a m e t e r ) 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 c s t - m w s c s tm i c r g l w a v es t u d i o ，是德国c s t ( c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 公司推出的高频三维电磁场仿真软件广泛应用于移动通信、无线通信、信号集 成和电磁兼容等领域微波工作室使用简洁，能为用户的高频设计提供直观的电 磁特性。微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应用提供本征 模及频域求解器模块。c a d 文件的导入功能及s p i c e 参量的提取功能增强了设计 的可能性并缩短了设计时间 h f s s 经过二十多年的发展，h f s s 以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真 速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构 设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计 算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和 微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性 和系统部件的电磁兼容电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强 竞争力 h f s s 采用自适应网格剖分、a l p s 快速扫频，切向元等专利技术，集成了工 业标准的建模系统，提供了功能强大、使用灵活的宏语言，直观的后处理器及独 有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，利用o p t i m e t r i c s 可对参数进 行优化和扫描分析。 1 4 主要研究工作 本论文的主要研究工作是在对当前与导线相关的汽车电磁兼容问题的解决方 案和相关算法进行详细分析的基础上，对导线的电磁干扰进行研究并将其扩展到 汽车电磁兼容问题的研究中去具体研究工作如下： 电磁场计算方法和仿真软件的学习、研究和应用。重点学习和研究相关计 算方法的原理和仿真软件的使用，以及考虑这些方法和软件在解决本课题时的适 用性 采用m t l 方法建立两平行共地传输线结构的理想多导体传输线电报方程， 得出其耦合等效电路，根据耦合电压响应曲线分析串扰电压与频率、导线间距以 及导线离地高度之间的关系，建立四平行导线的多导体传输线电报方程，计算其 耦合电压响应 终端状态对导线辐射的影响的仿真具体考虑终端开路、终端接电阻、终 端接电阻和短截线三种情况，分别计算得到相应的时域和频域结果，并进行了分 析 考虑金属平板上导线的辐射问题，采用m t l f d t d 混合方法进行求解，并 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 和相应文献进行了对比。 讨论汽车电磁兼容问题的建模问题，探讨车体、电子控制单元( e c u ) 、导线 和天线的建模方法 车内导线间串扰问题的仿真，考虑车内的开孔以及穿过开孔处的导线对汽 电磁兼容问题的影响 车内导线的辐射，考虑车身及导线终端状态对车内导线产生辐射的影响。 激励源与不同位置处天线间的耦合。具体考虑三个不同位置处的天线：乘 员室前端，车体顶端，后备箱上方，通过比较三个位置处天线与激励源的耦合来 确定最佳的天线安装位置。 7 墼庚大学矮圭学位谂文2 理论基稿 2 理论基础 2 。| 多导薅传输线理论 电子窀气设备内部的布线和电子电气设备间的连接线以及印制板的布线都存 在导线平行排列的情况，并且，在很多情况下，许多平行的导线由于几何长度，和 信号的波长五不能满足1 a 的条件，因此低频模型不再有效。服然采用高频模型 可以提高计算精确度，饿是计算量太大，不利予工程应用嘲。介于二者之间，如 莱移线之窝鞠互平纾纛毒参考建线平学，我察霹戳采惩多警体传赣线m t l ； m u l t i - c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e ) 理论进行分析和研究 2 1 1 多导体传输线电报方程 假设有n + l 根导线，o 号导线作为地线，攻= k 瞳r ) 代袭第k 根导线与地线 之闼翡电压，吞= 磊瓯f ) 代表第k 根导线上流过的电流，k - - 1 ，拜，滚遘参考导 线静电滚帮鸯一复t k ( x , t ) 。 ，盘区型 ?丝型， 疗蛆 驾2 。l 多警捧传穰线 f i 9 2 。ls k e t c h o f a m u l t i - c o n d u c t o r l 瑚n s m i s s i o n l i n e s 可写出理想多导线传输线电报方程如下例： 一鱼：l 堡 一垦：e 袅 蠹撑 箕巾； 咄f ) = i v l ( x , t ) v 2 ( x , t ) v n ( x , t ) 1 7 i ( x , 0 - - t i ，( x , t ) 如似f ) i l ( x , t ) | 7 塞 ( 2 1 ) ( 2 国 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 重庆大学硕士学位论文2 理论基础 单位长度参数矩阵： l = 。： bk 厶： k k 0 c = q ic 1 2 c 2 1c 笠 c i c 们 q 。 c 2 ( 2 6 ) 2 1 2 多导体传输线单位长度的电感 一个单匝回路的电感是由通过该回路的磁通量来定义的，即： 三= 孚= 肛d s l l 蛩 、。 式中s 为以闭合回路为边界的任意曲面。以上定义只适用于几何上的回路，对于实 际导线来说，导线的截面积是不能忽略的，如图2 2 所示 图2 2 截面不能忽略的闭合回路 f i 9 2 2c l o s e dl o o pc i r c u i tw i t h 锄ti g n o r e dc r o s s - s e c t i o n 设导线i 的横截面积为墨，将回路分解为无穷多具有无穷小截面的元素线( 也 称元素管) ，每个元素线视为几何上的闭合回路。设与第i 元素线相交链的磁通为 氟，则与整个回路相交链的磁通为： o = 了if m d s ( 2 8 ) 它j j 下面根据( 2 8 ) 式求多导体传输线单位长度的互感。设有四根互相平行的圆柱 形无限长多导体传输线：l ，2 ，3 ，4 ，其横截面分别为西、s 2 、s 3 、& ，导体i ， 2 构成回路a ，导体3 ，4 构成回路b ，如图2 3 所示。 设回路a 中通以电流，将四个导体分解为无穷多个元素线，则电流包被分 解为无穷多个电流元素线。导体l 中每个元素线电流的大小为： d i = 妄j j l 嘏 根据安培环路定律，电流元素线在p 点产生的磁通密度为： 9 夔痰大学硬圭擎位论文 2 理论基疆 为p 赢裂元素线静距离。 e ：丝照 2 窟p 攒 ，_ 忡* 、 ，、 3 、 豳、协，婶 7 ：k 夸 ，扩7 7 、吝： ( a ) 无限长平行多爵体传输线( b ) 无限长平行多导体传输线横截面 ( 馥) l ，a r a l l e lt r a n s m i s s i o nl i n e s ( b ) s k e t c h o f p a r a l l e lt r a n s m i s s i o nl i n e s 鹜2 3 诗算多导髂终辕线攀豫长度互感夔示意圈 f 啦3 s k e t c h o f p m u n i t 融垮h 鞠斑通i n d u c t a n c e c a l c u l a t i n g o f t r a n s m i s s i o n l i n e s 在回路b ( 由导体3 ，4 构成) 中取长度为缸的闭合回路，如图2 3 a 所示。圈 2 3 b 是图2 3 a 的横截面，在图2 3 b 中作辅助线m k ，其中砌是以无限长多导体传 输线横截面为半径的圆弧，枷为，叠的延长线。从图中可以看出，由第一根导体 上的繁i 根元素线产生鳃磁场乓与元素线霉秘1 阕长度为缸豹强鼹a s 相交链鲍磁 遴兔； ”尝妄威 ， = 尝善幽洳吩一i n t o ) 2 万s ， 、 。 警髂l 孛鹣毫流，产垒鹣磁场与簦穰交链戆磁遥为； = 尝等p 山熵 ( 2 l o ) 同理，导体2 中的电流吖产生的磁场与丛相交链的磁通为： 零鹚= 尝警算豫强砘每洚 l 由( 2 8 卜( 2 1 1 ) 式可知，阐路a 中的电流，产生的磁场与回路b 中长度为缸的一 段相交链的磁通为： 1 0 墼痰大学硬士学霞谂文 2 理论基秘 卟冬啮驴u 嘲? 一矗炉舭1 2 ， 一矗妒知域如+ 去磐溅呶】 l n 孙2 击驴幽l n 孙2 击沙懒蛳 斑一壶驴知泌：鳓攮驴矗沙趣趣， m 西= 垒烛l n 墨逝 ( 2 1 3 ) 虬2 尝融慧 ( 2 1 4 ) 匿2 4 计算嚣臻豹鑫感 f i 9 2 4c a l c u l a t es e l f - l n d u e t i o no f l o o p c i r c u i t 在导体1 内任取两个电流元素线f ，n 辱体2 中任取两个电流元素线， 元豢线f 与，构成回路a ，元素线，与，构成阐路b ，设： 。分，0 2 0 ，0 4 名，珞2 和 重炭大学硬学位论文 2 理论墓硪 电流，产生的磁场与长度为缸的回路相交链的磁通为： m = 嚣啦驴分燃一毒舻。删一蠢驴台删+ 矗驴。懿 。豢螂9 1 2 ，- k 翻砘射k 乳1 。尥m l n - 墨l 2 x 9 1 i g 笠 式巾，g l ：为导体l ，2 阅的几何均距；g l l 和翱分别为导体1 t2 的自凡何均距。 虽：2 觏2 去是吨赫t 热。壶驴b 溉鸹 暑，= 虿1 几l n o ) 凼协g 勰= 壶且1 n o ) 幽协 o l 焉岛2 是是 垂( 2 1 5 ) 式知，回路单僚长发懿鑫感茺： 三：皇：丝搬立 ( 2 。1 6 ) l a x 2 疗 g i i g 笠 对于圆柱形的导体，9 1 2 = r 1 2 ，g l i = a l e l h ，g 勰= a 2 e 圳，r n 为导体1 ，2 中心线间 的躐离，a t 和a ，分别为露体1 ，2 的半径。 2 1 。3 多导棼传输线荤位长度的电容 对予位于单一筠匀奔质中的理葱多导体转输线，其单位长魔豹电感矩阵与耄 容斑阵的关系是： l c = 魄= 专u ( 2 1 7 ) 竣孛c 是波沿线传攘戆速度，对予空气巾鲍导体传输线，c 等于光速，朝 c = 。；兰一，u 是单位觚辫，嚣魏，对于毽慧多导薅簧羧线，求爨箕擎覆长度嚣毫 - 琢芦口 感瓣阵后，就可根据( 2 1 7 ) 式求出其单位长发的电容矩阵嗍。 c - - - 与( 2 1 s ) c 2 1 。4 理慧多导体传壤线电摄方程豹求熬 考虑由n + l 根导棒构成韵理想多导体传输线，相应弱多筹侮传输线电报方程 为( 先不考虑沿线分布源) ； 一象= l 鲁( 2 1 9 a )融拼 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 理论基础 一罢= c 鲁( 2 1 9 b )馐厦 其中l 和c 均为疗阶对称正定矩阵。 对( 2 1 9 ) 式进行求导和替换可得到如下相互解耦的方程： 窘制窖a t = 。 哟 a t 2 。2 。 筹一c l 挈= 。 哟 缸2 。西2 。 7 可以看出，( 2 2 0 a ) 和( 2 2 0 b ) 式均包含了一个相互耦合的2 阶标量偏微分方程， 它们的解比( 2 1 9 a ) 和( 2 1 9 b ) 式的解要多得多，我们求得的方程( 2 2 0 a ) 和( 2 2 0 b ) 的