汽车以太网EMC仿真研究

原创于 2025-10-02 00:45:18 发布 · 1k 阅读

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#3D仿真 #汽车以太网 #S参数 #PCB设计 #EMC

汽车以太网接口的电磁兼容性仿真

摘要

本文报告了一项关于应用全波电磁（EM）仿真来识别汽车模块以太网接口常见问题的案例研究。通过使用三维全波电磁仿真，可以跳过耗时且昂贵的实验室测试，从而缩短汽车产品的上市时间。本研究始于汽车产品必须满足以太网相关要求的需求，特别是与电磁兼容性（EMC）相关的要求。

文中对模式转换损耗和回波损耗进行了研究，并考虑了多种可能的改进方案。

关键词 —3D仿真、汽车、以太网、S参数、印刷电路板

一、引言

现代汽车内部通信能力的最新发展和提升推动了被称为汽车以太网的统一通信框架的发展。在通信网络方面，已考虑了带宽、延迟、同步、管理等各种参数。在物理层层面，特别关注了与电磁兼容性相关的辐射发射和抗扰度等问题，以确保符合汽车市场的相关法规[1, 2]。

最近可以发现一种趋势，即在物理和逻辑层面上为车内通信提供统一的框架。这种做法的动机在于传感器和控制设备数量不断增加，这些设备通过专用的导线和电缆相互连接，需要更多的接口，并且依据专有标准运行。基于交换式以太网的解决方案依赖于一对电缆，将车辆中所有关键位置连接到中央交换机[2]。

汽车产品的发展趋势显示出其与其它车辆及环境的连接能力不断提升。汽车将内置蜂窝和Wi‐Fi网络接入功能，以交换交通信息、潜在危险或路线规划信息，并为驾驶员提供音频和视频流等娱乐服务。互联网连接还将实现远程诊断以及软件/固件更新。车辆之间的通信（V2V——车对车通信）结合适当的传感器，将用于路线优化和提升驾驶安全性，例如避免碰撞[2]。

未来汽车驾驶员所获取的信息量将随着“增强现实”范式的发展而增加。道路上远处物体的距离和速度等参数将显示在挡风玻璃上，并且可以放大交通环境中的特定区域。潜在危险将被突出显示，并会自动提出避让建议[1],[2]。

近年来，汽车以太网在工程文献中备受关注[3‐5]。

一种针对汽车以太网1000Base‐T1的最坏情况通信信道已在[3]中进行了理论设计并实际构建。该信道提供了一种在不超过但接近规定限值的条件下测试宽带通信的方法。为了模拟这些限值，内联连接器被替换为适当设计的滤波系统。通过仿真和测量，寻找解决方案并定义能够在差分模式下正常工作的通信信道的设计规则。考虑了回波损耗、插入损耗、传播延迟和特性阻抗等各种参数[3]。

车辆通信系统电磁兼容性中的一个关键组件是传输线。针对汽车电缆，已设计出专门的测量装置，用于获取复特性阻抗和传播常数的参数值。该研究同时考虑了差分和共模两种情况。时域中的测量结果与仿真结果吻合良好。通过频域中的原始测量数据提取了相关参数，旨在用于分析和预测车辆中面向总线的通信系统相关的电磁兼容性问题[4]。

在[5]中，针对汽车多千兆网络电磁兼容性（EMC）中的电缆评估与测量问题的研究中，该问题对于自动驾驶等新型复杂应用至关重要。讨论了多种以太网电缆选项，例如屏蔽双绞线和屏蔽平行对。设计了一种可同时进行时域和频域测量的测量装置。在频域中进行了最高达8 GHz的混合模式S参数测量，并通过使用误码测试仪在不同千兆比特数据速率下获取了时域特性[5]。

本文报告了对汽车模块中以太网接口的电磁兼容性仿真。这些程序遵循“开放联盟”标准的要求。“汽车以太网ECU测试规范”。使用CST PCB Studio作为仿真工具。本文结构如下：第二节介绍并讨论了汽车以太网标准以及用于测量的设置。

在第三节中，通过3D仿真对模式转换损耗和回波损耗的结果进行了评估。接着提出了印刷电路板布局的改进方案，并对其效果进行了评估。最后在最后一节中得出了结论。

II. 汽车以太网

A. 概述

如今，现代车辆包含先进的驾驶辅助与控制系统以及信息娱乐系统。汽车内部不同车辆元器件之间的通信存在多种专有标准，例如通过导线传输的模拟信号、MOST（面向媒体的系统传输）、FlexRay、CAN、LIN、LVDS 和以太网技术。车辆中的每个元器件都有其独立的布线和通信规范（见图1）。

为满足车辆规范，已针对现有IEEE标准进行更新和修改，例如IEEE 802.3和802.1：

100Base‐T1（用于汽车应用的单根双绞线上传输100 Mbps的以太网）
1000Base‐T1（单根双绞线上传输1000 Mbps的以太网）
IEEE 802.1音频/视频桥接（AVB）规定了在车辆中使用的优先级队列、时间同步和流量整形。

使用汽车以太网的原因是：

带宽需求上升（摄像头应用，快速软件更新）
通过网关实现多条总线之间的通信
新兴架构、联网车辆、自动驾驶车辆

非屏蔽双芯铜缆技术目前可在所有连接的网络节点（如车身控制单元、天线、主机单元和传感器）之间提供每秒100/1000兆比特的带宽。

示意图0

示意图1

在汽车应用中，知名的IEEE 100BASE‐T1物理层标准起源于博通[1]开发的所谓OABR（开放联盟宽带通信距离扩展）。全双工连接通过将对称差分电压施加到非屏蔽双绞线电缆上来实现。数据根据4B3B、3B2T和 PAM3调制技术进行调制。这些方法实现在IEEE 100BASE‐T1 PHY（物理层通信协议）中，并作为专用模块集成在电子控制单元（ECU）[1]内。

该方法针对点对点通信而设计，因为每次有两个节点连接到电缆（可参见图2）[1]。这种物理层解决方案的一个特别吸引人的方面是，信息可以在一个线对上以100 Mbit/s的速度双向传输。两个互连的节点可以同时发送和接收（全双工）[1]。

B. 标准-测试

第2.2章专门针对被测设备（DUT）级别的 100Base‐T1接口物理层通信协议（PHY）进行评估。关于其中名为“OABR_PMA_05：检查MDI接口（介质相关接口）回波损耗”的章节，其包含确保被测器件符合回波损耗限值的相关规定。

本章说明被测器件应连接至稳定电源，且为了将被测器件的物理层通信协议设置为从模式操作，需要使用链路伙伴或接口（例如通过100Base‐T1、标准以太网、CAN、 FlexRay）。此外，被测器件必须能够将其物理层通信协议设置为从模式操作。在主模式下，被测器件的微控制器完全控制通信，因为它发起和结束通信会话，并生成时钟信号。

在从模式下，微控制器监听主设备发起和结束通信会话的时间，并使用主设备生成的时钟信号。

回波损耗的测量必须使用网络分析仪进行（扫描范围为300 kHz – 1GHz，1600个测量点，采用对数扫描，带宽为100 Hz）。由于测量对重复性和可靠性要求较高，标准定义了一个特定的测试夹具，如图3所示，该夹具根据IEEE标准的定义设计。各项要求包括：参考平面的定义（位于测试夹具上线束连接器的起始位置）、被测器件的接地引脚直接连接到夹具的接地平面，以及尽可能使用原始线束连接器作为测试夹具的固定部分[1]。

示意图2

III. 仿真主题

A. CST PCB Studio中的仿真设置

一个汽车项目抵达大陆集团蒂米什瓦拉汽车公司电磁兼容仿真组，需要进行以太网MDI接口仿真。仿真使用CST PCB Studio[8]完成（它是CST Studio Suite中的一个模块）。

项目布局已将所有元器件、层和网络导入CST PCB Studio。第二步，在层叠结构选项卡中手动引入了项目团队提供的层叠结构。从图4可以看出，该项目由6个铜层组成，层间空间填充了FR4材料。各层的厚度也可在图4中看到。

示意图3

在图5中，从集成电路到连接器并经过共模电感的MDI以太网接口被突出显示。在网络表编辑器中，所有地网络均标记为“GND”，所有MDI网络均定义为差分。原理图中所用元器件（电容器或电阻器）的参数值也已在程序中定义。

示意图4

仿真运行完成后，我们切换到原理图标签页，其中可见图6。中心部分包含来自布局的信息。我们手动添加了连接器和集成电路元器件，以及电容器和共模电感的 Touchstone文件（S参数）。

我们还设置了两个端口用于计算S参数。在0.3 – 1000 MHz范围内进行了包含1600个采样点的对数扫描仿真任务。结果已保存以供进一步处理。

示意图5

B. 模式转换损耗和回波损耗的结果

以太网接口需要仿真的两个重要参数是模式转换损耗和回波损耗。前者表示由于模式转换导致的功率损耗，而后者指的是由不连续性引起的反射信号的功率损失。这些参数可以用S参数来表示。

为了计算[1]中描述的模式转换损耗和回波损耗，应使用以下公式：
$$ \mathrm{Sdd11} = \frac{1}{2}(S_{11} - S_{21} - S_{12} + S_{22}) $$ (1)
$$ \mathrm{Sdc11} = \frac{1}{2}(S_{11} - S_{21} + S_{12} - S_{22}) $$ (2)

随后，利用上一节计算得到的S参数（$ S_{11}, S_{12}, S_{21}, S_{22} $），我们应用了公式(1)和(2)，从而得到了以下图形。

在图7中，报告了0.3至1000 MHz范围内计算的模式转换损耗。可以注意到存在超标情况（限值取自[1]），因此必须修改PCB布局。

示意图6