整车线缆线束信号完整性及电磁干扰仿真分析吴琛张敏* 吴睿张欢(同济大学现代集成电磁仿真研发中心，上海市嘉定区曹安公路4800号电子与信息工程学院 201804) * 通讯作者：张敏博士教授同济大学电子与信息工程学院，min.zhang@摘要随着现代电子的飞速发展，电子系统也向高密度电子设备与高速信号的方向发展，从而导致设备间的电磁兼容（EMC）的问题日益突出，其中系统中的线缆线束是电磁兼容问题的一个重要方面。

本文在CST电缆工作室™内仿真了某型号悍马车内的整个电缆网络系统，并观察其传导干扰（CE）特性，同时与CST微波工作室®协同仿真，观察其辐射干扰（RE）的特性。

关键词线缆线束，电磁兼容（EMC），仿真，CST电缆工作室™，CST微波工作室®Signal Integrity and Electromagnetic Interference SimulationAnalysis of Car Cable HarnessWU Chen, ZHANG Min*, WU Rui, ZHANG Huan(Modern Integrated Electromagnetic Simulation R&D Center (MIEMS), Tongji University4800 Cao’an Road, Jiading District, Shanghai 201804)* Correspondent Author: Prof. Dr.-Ing. Min ZHANG, min.zhang@School of Electronic and Information Engineering, Tongji UniversityAbstract:With the rapid development of modern electron, the electric systems make progress in the direction of high density equipment and high rate signal, which results the electromagnetic compatible (EMC) problem more important among the devices. In the field of EMC, Cable harness is a significant problem in the whole system. In this paper, a cable harness network system in a hummer car is simulated in CST CABEL STUDIO™, and conducted emission performance will be observed. Then CST CABLE STUDIO™ can be co-simulated with CST MICROWAVE STUDIO®, and radiated emission performance will be observed.Keywords: cable harness; EMC; simulation; CST CABLE STUDIO™; CST MICROWAVE STUDIO®1 引言当一套独立进行EMC辐射发射测试时完全合格的设备通过电缆连接起来后，整个系统就变得不再那么容易通过测试；而按照设计规范设计的整套电子系统设备往往由于电缆处置不当，而造成系统产生严重的EMC问题。

这些都是因为电缆本身既是高效的电磁波接收天线，又是高效的辐射天线[1]。

此外，导线之间由于高密度捆扎而导致的线间串扰，也常常是造成系统性能下降的主要原因。

因此，电缆是既是传导干扰的良好通道，又是辐射干扰的重要源头。

因此在整个系统布线设计时，电缆是尤其需要重点考虑的对象。

2 电磁兼容中的线缆线束问题当两条电缆相距很近时，磁场耦合导致了多导体传输线中一条电缆的电磁能量耦合进了另一条或多条电缆中，像这类电磁场____________________________作者简介：吴琛，男，硕士研究生，主要研究领域为微波通信、天线、电磁兼容理论和线缆线束EMC仿真技术等；张敏，男，同济大学特聘教授，主要研究领域为电磁场理论与计算电磁学、微波通信、电磁兼容理论等；吴睿，男，硕士研究生，主要研究领域为微波通信、射频电路、电磁兼容理论和PCB的EMC仿真技术等；张欢，女，硕士研究生，主要研究微波通信、天线、电磁兼容理论和机箱机柜的EMC仿真等。

能量从一条传输线传送到另一条传输线上的情况，称之为串扰[2]。

简单的载流导线辐射情况可以等效为短偶极子来分析计算，而长电缆产生辐射是因为其端口处有共模电压存在，在其驱动下，电缆的辐射同样可以近似地等效为一根短偶极子天线。

2.1 汽车中线缆线束的电磁兼容问题当下为了满足急剧膨胀的传输容量和传输功率的需求，车内电线电缆的用量也成倍地增长，随之而来的问题是传输信号的愈加复杂和多样性、信号频率的大幅提高以及电源设备的功率增加，使得车内线缆线束的电磁兼容问题变得更加突出，其特殊性更在于：（1）一辆高档汽车内的用线量可达3km以上，尽管可以使用双绞线使绞环中感应的电磁场相互抵消，降低外界电磁场对双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串扰[3]，或采用屏蔽电缆防止电磁能量的泄露，但是车内大量线缆线束密集捆扎，由此产生的分布电容非线性地增大，使得各路线上的信号仍然可以通过容性耦合或感性耦合进入其他控制线和信号线，从而导致系统的电磁兼容问题更为复杂；（2）由于汽车内部电控部件对CAN总线产生的干扰，使其处于从低频到高频变化的外部电磁环境中，因此对CAN总线的抗干扰能力提出了更高的要求；（3）干扰源产生的电磁干扰会通过走线或电缆直接入侵敏感设备，而高档车16位/32位微控器的使用，由于其高敏感度，故对EMI的要求也大大提高。

因此，在汽车整套电子系统的研发以及线缆线束布局设计阶段，通过电磁兼容仿真手段对线缆线束的电磁耦合以及辐射进行定性和定量的分析，确定各种因素的影响程度，实现优化设计及最佳控制，对于汽车系统的电磁兼容设计将有极为重要的意义。

2.2 线缆线束全波仿真必要性传统的路级仿真，各种电路模型、器件都为理想模型，且不考虑线路之间的耦合关系，从而无法很好地进行最接近现实的仿真。

因此本文运用CST电缆工作室™（CST CABLE STUDIO™）对整车线缆线束进行了的信号完整性（SI）分析，并与CST微波工作室®（CST MICROWA VE STUDIO）协同仿真，对电磁干扰（EMI）进行了三维全波仿真分析。

比起路仿真，场仿真的优势在于其能对空间三维的电磁场进行分析，计算整个三维空间每一点（网格）的电磁场，能最大程度上接近实际情况，模拟还原出整个系统最真实的情况。

3 系统级线缆线束仿真预估技术3.1 CST电缆工作室™介绍3.1.1 CST电缆工作室™简介CST电缆工作室™是德国CST公司对其并购的SimLab公司的产品CableMod的集成与整合，专门针对不同形式的电缆网络设计开发的一套软件，可以分析线缆线束间的耦合、复杂电缆网络的信号完整性（SI）、电缆的阻抗等问题，从而预估线缆线束中各类信号完整性及系统级电磁兼容性问题。

3.1.2 CST电缆工作室™算法模型与理论支持针对电缆的特殊结构形式，软件基于积分方程和边界元（BEM）算法，能快速准确地从电缆结构和周边环境数据中提取传输线模型，而不受电缆复杂性的限制。

当1max min10lλ≤时，算法中使用经典的集总参数传输线模型，通过边界元法提取线缆线束与周边环境的参数来计算电路中每个节点的电流电压，提取整个网络的SPICE模型，进行仿真分析。

当1max min 10l λ≥时，CST 电缆工作室™使用较为复杂的分布式模型。

3.2 整车线缆线束信号完整性仿真3.2.1 时域信号完整性分析在图1中已经完成整个电缆网络系统的建模，其中包括两束电缆的布线，以及整车模型的导入等设计及前处理工作。

其中左下路径中只含一条双绞线，偏右上路径的其中一部分捆扎着多条不同类型的电缆，电缆的类型和数量可在图中观察到。

其中两条双绞线均传输200kHz 峰峰值为12V 的差分电压信号，其占空比为20%、上升沿0.2ms ，下降沿0.5ms ；三根单线均传输100kHz 幅值为12V 的正弦信号；而屏蔽线缆传输5MHz 140V 的三角波信号。

图 1 整个电缆网络系统3D 模型图2反应了在相同输入方波信号的条件下，两条路径上的双绞线负载端上的电压波形，其中较为光滑的曲线为仅含有双绞线的路径，而带有较多毛刺以及波纹的为在含有大量捆扎线缆线束的路径上双绞线负载端电压波形。

初步观察，后者由于线缆之间的紧密捆扎以及耦合而直接导致了SI 性能的下降，从而导致了电缆间时域较为严重的时域串扰，观察可知，时域串扰电平值大约为1.22V 。

图 2 两路径双绞线负载端电压对比如果将带有较多波纹的电压波形所在的双绞线作为被串扰对象，则与其紧密捆扎的单线或屏蔽线必定是或都是串扰源之一。

为确认串扰源，仿真中可以方便地按照原来的路径单仿真双绞线与屏蔽线捆扎以及单仿真双绞线与三根单线的捆扎，并分别传输各自原有的信号。

图3显示了当双绞线与三条单线捆扎时，其负载端信号完整性相对当其与屏蔽线紧密捆扎时良好。

查找原因发现：尽管屏蔽层能抑制一定的电磁能量泄露，但是相对单线传输的100kHz 信号，屏蔽线5MHz 的传输信号属高频信号。

通过紧密捆扎，屏蔽线传输的高频信号中部分能量耦合至双绞线上，从而导致双绞线终端负载电压波形产生畸变，影响系统的SI 性能。

图 3 单仿真双绞线捆扎屏蔽线与单仿真双绞线捆扎单线的信号完整性分析3.2.2 频域信号完整性分析软件中的频域仿真默认为简谐激励，因此在频域仿真激励的幅值使用对应的时域信号的电平幅值。

当双绞线上的正向差分激励为 5.83V，200kHz时，干扰电平值为1.27V，与时域基本一致。

图 4 双绞线负载端频域串扰电平分析3.3 整车线缆线束电磁辐射干扰仿真在完成了整车线缆线束的信号完整性分析后，工程上往往还需要对系统进行对外电磁辐射干扰分析，如在暗室中通过测试天线，对设备进行3米外或10米外的场强测试，以判断产品是否通过国家或国际EMC 认证标准。

在辐射干扰仿真中，激励源为CST电缆工作室™的计算结果，即整车电缆在上述提到的各种不同类型、不同频率的信号的激励情况下得到的整车电缆电流分布文件。

将此结果导入CST微波工作室®进行协同仿真，用三维全波的方法求解得到整车电缆的辐射情况。