應(yīng)用全波電磁（EM）仿真研究汽車以太網(wǎng)接口

本文報(bào)告了一個(gè)關(guān)于應(yīng)用全波電磁（EM）仿真來識(shí)別通常出現(xiàn)在汽車模塊的以太網(wǎng)接口的問題的案例研究。通過使用3D全電磁模擬，汽車產(chǎn)品的上市時(shí)間可以縮短，因?yàn)樗^了實(shí)驗(yàn)室中昂貴和耗時(shí)的調(diào)查。這項(xiàng)工作是從汽車產(chǎn)品必須滿足以太網(wǎng)要求開始的，特別是與電磁兼容性（EMC）有關(guān)的要求。也就是說，研究了模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗，并考慮了幾種可能的改進(jìn)方案。

1.簡(jiǎn)介

最近，現(xiàn)代汽車內(nèi)部通信能力的發(fā)展和增強(qiáng)促進(jìn)了統(tǒng)一通信框架的發(fā)展，即汽車以太網(wǎng)。與通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各種參數(shù)已經(jīng)被考慮在內(nèi)，如帶寬、延遲、同步、管理等。在物理層層面，為了確保汽車市場(chǎng)監(jiān)管法規(guī)的實(shí)施，特別關(guān)注了電磁兼容相關(guān)問題，如排放和敏感性問題。

最近的趨勢(shì)是在物理和邏輯層面為車內(nèi)通信提供統(tǒng)一的框架。這種方法的動(dòng)因是傳感器和控制器等設(shè)備的激增，這些設(shè)備通過專用電線和電纜互聯(lián)，需要越來越多的接口，并按照專有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行?；诮粨Q式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的解決方案依賴于一對(duì)電纜，將車輛中的所有關(guān)鍵位置連接到一個(gè)中央交換機(jī)。

汽車產(chǎn)品的演變表明，與其他汽車和環(huán)境的連接能力在不斷增強(qiáng)。汽車將通過蜂窩和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置互聯(lián)網(wǎng)接入，以交換有關(guān)交通、潛在危險(xiǎn)或路線安排的信息，并為司機(jī)提供娛樂，如音頻和視頻流?；ヂ?lián)網(wǎng)連接將允許進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和軟件/固件更新。汽車之間的通信（V2V - 車輛對(duì)車輛），結(jié)合適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，將被用于路線優(yōu)化和提高駕駛安全，如避免碰撞。

隨著 “增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) ”模式的應(yīng)用，提供給未來汽車司機(jī)的信息量將增加。

道路上遠(yuǎn)處物體的距離和速度等參數(shù)將在擋風(fēng)玻璃上顯示出來，并有可能放大交通環(huán)境中的特定區(qū)域。潛在的危險(xiǎn)將被突出顯示，并自動(dòng)提出規(guī)避的建議。

近年來，汽車以太網(wǎng)在工程文獻(xiàn)中引起了高度關(guān)注。

汽車以太網(wǎng)1000BASE-T1的最壞情況下的通信通道已經(jīng)在［3］中進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)和物理構(gòu)建。該通道提供了一種在不超過但接近規(guī)定限制的條件下測(cè)試寬帶通信的手段。為了模擬這些限制，直插式連接器已被適當(dāng)設(shè)計(jì)的過濾系統(tǒng)取代。通過模擬和測(cè)量來尋找解決方案并定義通信信道的設(shè)計(jì)規(guī)則，以提供在差分模式下工作的足夠的通信支持。各種參數(shù)，如回波損耗、插入損耗、傳播延遲和特性阻抗都被考慮在內(nèi)。

傳輸線是汽車通信系統(tǒng)EMC中的一個(gè)關(guān)鍵部件。為汽車電纜設(shè)計(jì)了專門的測(cè)量裝置，提供了復(fù)雜的特性阻抗和傳播常數(shù)的數(shù)值。差分和共通模式都被考慮在內(nèi)。測(cè)量結(jié)果與時(shí)域模擬結(jié)果相比較好。參數(shù)已經(jīng)從頻域的原始測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出來，旨在用于分析和預(yù)測(cè)與車輛中面向總線的通信系統(tǒng)有關(guān)的EMC問題。

在［5］中，已經(jīng)解決了汽車多千兆網(wǎng)絡(luò)電磁兼容性（EMC）背景下的電纜評(píng)估和測(cè)量問題，這對(duì)新的和復(fù)雜的應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛非常重要。已經(jīng)討論了以太網(wǎng)電纜的各種選擇，如屏蔽雙絞線和屏蔽平行線。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量裝置，可以進(jìn)行時(shí)域和頻域的測(cè)量。在頻域中進(jìn)行了高達(dá)8GHz的混合模式S參數(shù)測(cè)量，并通過使用不同千兆數(shù)據(jù)率的誤碼測(cè)試儀發(fā)現(xiàn)了時(shí)域特性。

在本文中，報(bào)告了一個(gè)汽車模塊的以太網(wǎng)接口的EMC仿真。這些程序遵循標(biāo)準(zhǔn) “開放聯(lián)盟汽車以太網(wǎng)ECU測(cè)試規(guī)范 ”的要求。

CST PCB Studio被用作一個(gè)仿真工具。本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹并討論了汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和用于測(cè)量的設(shè)置。

在第三部分，提出了三維模擬，以評(píng)估模式轉(zhuǎn)換損失和回波損失的結(jié)果。接下來，提出并評(píng)估了用于改善結(jié)果的印刷電路板的布局修改。在最后一節(jié)中得出結(jié)論。

II.汽車以太網(wǎng)

A.概況

如今，現(xiàn)代汽車包括先進(jìn)的駕駛輔助和控制以及信息娛樂系統(tǒng)。在汽車中，不同的車輛部件之間存在著多種專有的通信標(biāo)準(zhǔn)，如在電線上運(yùn)行的模擬信號(hào)、MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）、FlexRay、CAN、LIN、LVDS和以太網(wǎng)技術(shù)。汽車中的每個(gè)部件都有自己的布線和通信規(guī)格（見圖1）。

為了滿足車輛的規(guī)格要求，現(xiàn)有的IEEE標(biāo)準(zhǔn)（如IEEE 802.3和802.1）得到了更新修改：

?100Base-T1（單雙絞線的100 Mbps以太網(wǎng)，用于汽車應(yīng)用）

?1000Base-T1 （單雙絞線的1000Mbps以太網(wǎng)）

?IEEE 802.1音頻/視頻橋接（AVB）規(guī)定了用于車輛的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列、時(shí)間同步和流量整形。

汽車以太網(wǎng)的使用是由于：

帶寬要求上升（相機(jī)應(yīng)用、快速軟件更新）

通過網(wǎng)關(guān)為幾條總線進(jìn)行通信

即將到來的新架構(gòu)，聯(lián)網(wǎng)汽車，自動(dòng)駕駛汽車

無屏蔽雙芯銅電纜技術(shù)在所有連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間提供100/1000兆每秒的帶寬（目前），如身體控制單元、天線、頭部單元和傳感器。

圖1 汽車以太網(wǎng)連接

圖2 用于以太網(wǎng)的接口

著名的用于汽車應(yīng)用的物理層的IEEE 100BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)起源于博通公司開發(fā)的所謂OABR（開放聯(lián)盟Broad R-Reach）。全雙工連接是通過施加到無屏蔽雙絞線上的對(duì)稱差分電壓來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)根據(jù)4B3B、3B2T和PAM3調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)制。這些方法在IEEE 100BASE-T1 PHY（物理層通信協(xié)議）中實(shí)現(xiàn)，它作為一個(gè)專用塊被集成在電子控制單元（ECU）中。

該方法已被設(shè)計(jì)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因?yàn)槊看斡袃蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)連接到電纜上（可以看到圖2）。這種物理層解決方案的一個(gè)特別吸引人的方面是，信息可以在一對(duì)電線上以100 Mbit/s的速度雙向傳輸。兩個(gè)互連的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送和接收（全雙工）。

B.標(biāo)準(zhǔn)--測(cè)試

在［1］中，第2.2章致力于評(píng)估被測(cè)設(shè)備（DUT）層面的100BASE-T1接口的物理（PHY）層。關(guān)于［1］中題為 “OABR_PMA_05： 檢查MDI（介質(zhì)依賴接口）的回波損耗 ”的章節(jié)，它包含了確保DUT涉及回波損耗限制的規(guī)定。

本章解釋了DUT應(yīng)該連接到一個(gè)穩(wěn)定的電源，為了將DUT的PHY設(shè)置為SLAVE模式操作，需要使用一個(gè)Link Partner或一個(gè)接口（通過100BASE-T1、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、CAN、FlexRay等）。此外，DUT必須能夠?qū)⑵銹HY設(shè)置為從屬模式操作。在主模式下，來自DUT的微控制器完全控制著通信，因?yàn)樗鼏?dòng)和結(jié)束通信會(huì)話并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。在從屬模式下，當(dāng)主控器啟動(dòng)和結(jié)束通信會(huì)話時(shí)，微控制器會(huì)進(jìn)行監(jiān)聽，并使用主控器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。

回波損耗的測(cè)量必須用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行（掃描頻率在300kHz-1GHz之間，1600個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)數(shù)掃描，帶寬為100Hz）。由于測(cè)量需要高度的可重復(fù)性和可靠性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)特定的測(cè)試夾具，圖3，它是按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)的定義設(shè)計(jì)的。涉及到各種要求例如參考平面的定義（在測(cè)試夾具上的線束連接器的開頭），DUT的地腳直接連接到夾具的地平面，以及盡可能使用原始線束連接器作為測(cè)試夾具的固定部分。

圖3 用于測(cè)量的測(cè)試夾具

根據(jù)［1］的測(cè)試程序包含以下步驟：DUT PHY必須被置于SLAVE模式下運(yùn)行；應(yīng)使用測(cè)試設(shè)置中描述的測(cè)試夾具；MDI應(yīng)通過測(cè)試夾具連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀；必須測(cè)量回波損耗（Sdd11）的值，并對(duì)波形進(jìn)行分析；最后應(yīng)做出報(bào)告，其分辨率應(yīng)顯示：沒有發(fā)現(xiàn)違反限制的情況。

如果MDI回波損耗（Sdd11）的值滿足第96.8.2.1章MDI回波損耗中定義的限制，則該測(cè)試應(yīng)歸類為通過。

關(guān)于題為 “OABR_PMA_06： 檢查MDI模式轉(zhuǎn)換 ”的章節(jié)，它被用來作為一個(gè)參考，以確保DUT涉及模式轉(zhuǎn)換的限制。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試設(shè)置與之前描述的回波損耗類似，但這次要測(cè)量參數(shù)Sdc11。

III.仿真主題

A.CST PCB Studio中的仿真設(shè)置

一個(gè)汽車項(xiàng)目來到了大陸汽車Timisoara的EMC仿真組，需要進(jìn)行以太網(wǎng)MDI接口仿真。CST PCB Studio被用于仿真（它是CST Studio套件的一個(gè)軟件包）。

在CST PCB Studio中導(dǎo)入項(xiàng)目布局，包括所有的元件、層、網(wǎng)。第二步，在圖層堆棧標(biāo)簽中手動(dòng)引入項(xiàng)目組的圖層堆棧。從圖4可以看出，該項(xiàng)目由6個(gè)銅層組成，它們之間的空間由FR4填充。每層的厚度也可以在圖4中看到。

在圖5中，MDI以太網(wǎng)接口被突出顯示，從IC到連接器，并通過共模扼流圈。在網(wǎng)表編輯器中，所有的接地網(wǎng)被標(biāo)記為 “GND”，所有的MDI網(wǎng)被定義為差分網(wǎng)。原理圖中使用的元件（電容或電阻）的值也已在程序中定義。

運(yùn)行仿真后，我們切換到示意圖標(biāo)簽，可見圖6。中間部分包含了布局的信息。我們手動(dòng)添加了連接器和IC元件，以及電容和共模扼流圈的Touchstone文件（S參數(shù)）。

我們還放置了兩個(gè)用于計(jì)算S參數(shù)的端口。在0.3-1000MHz之間進(jìn)行了仿真任務(wù)，用1600個(gè)樣本和對(duì)數(shù)掃描。結(jié)果被儲(chǔ)存起來供進(jìn)一步處理。

圖4 CST PCB Studio中的層堆棧

圖5 CST PCB Studio中的以太網(wǎng)接口

圖6 CST PCB Studio的原理圖編輯

B.模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗的結(jié)果

需要對(duì)以太網(wǎng)接口進(jìn)行模擬的兩個(gè)重要參數(shù)是模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗。第一個(gè)代表由于模式轉(zhuǎn)換造成的功率損失，而第二個(gè)是指由不連續(xù)點(diǎn)反射的信號(hào)中的功率損失。這些參數(shù)可以用S參數(shù)來表示。

為了計(jì)算［1］中描述的模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗，應(yīng)該使用以下公式：

Sdd11 = 1/2（S11 ? S21 ? S12 + S22） （1）

Sdc11 = 1/2（S11 ? S21 + S12 ? S22） （2）

隨后，用上一節(jié)計(jì)算出的S參數(shù)（S11、S12、S21、S22），我們應(yīng)用公式（1）和（2），從而得到以下圖表。

在圖7中，報(bào)告了從0.3到1000MHz的計(jì)算模式轉(zhuǎn)換損失?？梢宰⒁獾接羞`反限制的情況（限制取自［1］）。因此，不得不對(duì)PCB布局進(jìn)行修改。

在圖8中，回波損耗是可見的，它顯示了在標(biāo)準(zhǔn)限制之下的良好行為。

由于必須對(duì)PCB布局進(jìn)行修改，所以考慮了幾種優(yōu)化方案。首先，根據(jù)DUT的功能塊，系統(tǒng)地被分成幾個(gè)地。其次，高頻部分的設(shè)計(jì)已經(jīng)通過更好地定義跡線的傳輸線參數(shù)得到改善。高速信號(hào)已經(jīng)在作為信號(hào)參考的地面區(qū)域之上進(jìn)行了布線。

之后，在圖9和圖10中可以看到新布局的結(jié)果，這表明模式轉(zhuǎn)換損失結(jié)果有明顯的改善。

圖7 模式轉(zhuǎn)換損失計(jì)算

圖8 回波損耗計(jì)算

圖9 布局修改后的模式轉(zhuǎn)換損耗計(jì)算

圖10 布局修改后的回波損耗計(jì)算

IV.總結(jié)

本文討論了在解決汽車產(chǎn)品的以太網(wǎng)接口處可能出現(xiàn)的問題時(shí)，使用三維電磁仿真。

最初，描述模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已被提出。

然后，利用CST PCB Studio對(duì)汽車以太網(wǎng)接口進(jìn)行仿真，計(jì)算S參數(shù)。利用獲得的數(shù)值，評(píng)估了模式轉(zhuǎn)換損耗和回波損耗，并與開放聯(lián)盟汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的限制進(jìn)行了比較。

根據(jù)正確設(shè)計(jì)PCB的規(guī)則，提出了布局的改進(jìn)。新的模擬表明，高速信號(hào)線的地線分割和重新布線確保了DUT符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限制。

審核編輯：郭婷