線纜系統抗輻射噪聲干擾仿真應用案例

1.摘要

系統級輻射抗擾度測試（Radiated Immunity）是EMC的一個重要測試項目，如汽車EMC的ISO11451-2測試。平臺上線纜子系統的抗輻射噪聲將直接影響整個系統的輻射抗擾能力，因此有必要分析線束系統的抗輻射能力。本案例采用Ansys EMA3D Cable軟件分析車載復雜線纜束的抗輻射噪聲，演示仿真流程以及計算結果。

2.仿真思路

本案例通過導入汽車CAD模型以及線纜束設計文件Cable ?Harness（KBL格式）構建車載線束系統，分析在平面波激勵下線束上的干擾電壓、電流噪聲以及車輛上的感應電流。

3詳細仿真流程與結果

3.1軟件與環境

軟件版本為Ansys EMA3D Cable 2021R2。EMA3D Cable集成了時域有限差分算法FDTD和多導體傳輸線求解技術MTL，為平臺級線纜束的EMC分析提供解決方案。

3.2仿真流程

3.2.1模型導入與求解區域定義

下圖為導入的汽車CAD模型，其中包含車身、車內框架、輪轂、輪胎以及尾部電子設備。首先在Domain中定義仿真頻率、求解區域、網格尺寸、邊界條件以及并行分區數目。其中FDTD的時間步長、空間步長、Start time、End time均基于指定的最低頻率和最高頻率計算得到，其中Lowest Frequency = 1/tend, ??。求解區域Domain具體設置如下： 仿真頻率和時間：Lowest Frequency定義為1MHz，Highest Frequency定義為1.25GHz，End Time定義為1E-6s，Step Time定義為4E-11s。 求解區域：Minimum X：-6240 mm，Y：-2340 mm，Z：-1200 mm；Maximum X：4200 mm，Y：3390 mm，Z：2400 mm。 網格尺寸：Step Size：30 mm。 邊界條件設置為PML。

圖 1 車輛CAD模型導入及求解區域Domain定義

3.2.2材料定義

仿真前需要對所有幾何模型賦材料，EMA3D的Mesh僅對賦予了材料的幾何進行網格剖分。下面創建各向同性材料Steel、Aluminum和Rubber。

表 1?材料參數列表

3.2.3 KBL格式的線纜數據導入

將材料Steel賦給幾何carshell，frame，wheelshields以及enclosures，將材料Aluminum賦給幾何rims，將Rubber賦給幾何tires。

圖 2 車輛Steel、Aluminum及Rubber材料定義

選擇PEC材料賦給設備與車身的接地線groundwires，如下圖所示。

圖 3 接地線的PEC材料定義

線纜的CAD數據KBL文件包含了線纜路徑以及物理特征等信息。EMA3D Cable可以直接讀入KBL格式數據，自動創建線纜路徑以及橫截面信息。此案例中選擇KBL線纜數據文件完成線束信息導入。

圖 4 KBL線纜束數據導入

圖 5線纜路徑上橫截面信息查看

修改兩個屏蔽線纜束” CL_014”以及” CL_016_2”的轉移電感Transfer Inductance的計算方式為“Fixed Value”。

圖 6設置屏蔽線束CL_014的轉移電感計算方式

3.2.4設置平面波激勵源

本例中我們定義激勵源為平面波，如下圖所示在Sources中選擇Plane Wave，定義入射方向為Theta=90deg，Phi=90deg，極化角度為Theta=0deg，Phi=0deg。

圖 7 定義平面波激勵源

3.2.5設置探針

本例中我們關注Cable Harness “w_200_1”內芯上的感應電壓噪聲以及屏蔽線纜“CL_016_2”的屏蔽層上的感應電流，下一步在對應的Cable上定義電壓探針和電流探針。

(1)設置Voltage Probe。選擇Cable Harness “w_200_1”，定義兩個Terminations，分別端接50Ohm的電阻，求解方式設置為Boundary。

圖 8 ?Cable Harness “w_200_1” 端接電阻定義

在菜單MHARNESS中選擇Cable Probes定義Voltage Probe，選擇“w_200_1”這段Cable以及Probe的放置位置，并定義Segment，如下圖所示。

圖 9 定義Cable Voltage Probe并選擇Segment

(2)設置Current Probe。分別選擇Cable Harness “CL_016_2” ，“W_996_2”和 “W_999_2””定義兩個Terminations，分別端接50Ohm的電阻，求解方式設置為Boundary。

圖 10 Cable Harness “CL_016_2” 屏蔽層端接電阻定義

圖 11 Cable Harness “W_996_2”端接電阻定義

圖 12 Cable Harness “W_999_2”端接電阻定義

在菜單MHARNESS中選擇Cable Probes定義Current Probe，選擇“CL_016_2”這段Cable以及Probe的放置，并定義Segment，如下圖所示。

圖 13 Cable Harness “W_996_2” 屏蔽層端接電阻定義

(3)設置Bulk Current。在Cable Harness “bn_964” 創建Bulk Current Probe，監測此段線束在X方向上的注入電流。

圖 14 Bulk Current Probe定義

(4)設置表面感應電流監測Animation。在EMA3D Probes 中選擇Animation并在結構樹中選擇Car和electronics，定義Probe Type為Electric Current。

圖 15 Car 和 Electronics的表面電流監測設置

3.2.6網格剖分與計算

在File->Space Claim Options-> EMA3D->FDTD Meshing 中設置Deconfliction Type為“Full”。返回主界面完成網格剖分，并點擊Analysis->Start進行求解。

圖 16 網格查看

3.2.7 結果后處理

在Results下面打開完成的計算數據節點，分別右鍵選擇Voltage，Current，Bulk Current并點擊Plot，即可在Visualization下面看到繪制的2D Plots。分別點擊這些結果節點選擇Show可以查看以下計算結果。

圖 17 Cable “w_200_1” 上的電壓噪聲（時域）

圖 18 Cable “w_200_1” 上的電壓噪聲（頻域）

圖 19 Cable “CL_016_2” 屏蔽層上的感應電流噪聲

圖 20 Cable “bn_964” 上的Bulk Current

右鍵點擊Results下面的Animation Probe選擇Generate Animation可生成表面電流的時域動畫圖。將Axis的Maximum設置為1，得到如下結果。

圖 21 生成表面電流動畫

3.3仿真結果分析

案例中EMA3D Cable計算了在高斯脈沖平面波照射下車內線纜上的電壓和電流噪聲。通過對時域結果的FFT變換可以得到線束上的噪聲頻譜，并分析得到線纜對不同頻率電磁波的抗輻射噪聲能力。同時分析車身上的表面電流可以查看車輛不同位置的屏蔽效能。

4 資源效果分析

計算資源統計：CPU主頻 2.6GHz，單核計算，計算時間 1小時12分鐘。如需并行計算，可以在Domain中通過Parallel Divisions可以設置并行加快仿真速度。

5 結論

本案例中計算了汽車平臺上的線纜系統在高斯平面波照射下的抗輻射噪聲。EMA3D Cable的時域仿真技術可以獲得線纜束上的時域噪聲和車內外的時域電磁場分布特征。利用內置的FFT變化一次計算即可得到關心頻帶內多個頻點的頻域響應，計算結果為研究車輛屏蔽效能、線纜選型、線纜接地等EMC分析及改進提供了有力支撐。

審核編輯：湯梓紅