应用全波电磁（EM）仿真研究汽车以太网接口

本文报告了一个关于应用全波电磁（EM）仿真来识别通常出现在汽车模块的以太网接口的问题的案例研究。通过使用3D全电磁模拟，汽车产品的上市时间可以缩短，因为它跳过了实验室中昂贵和耗时的调查。这项工作是从汽车产品必须满足以太网要求开始的，特别是与电磁兼容性（EMC）有关的要求。也就是说，研究了模式转换损耗和回波损耗，并考虑了几种可能的改进方案。

1.简介

最近，现代汽车内部通信能力的发展和增强促进了统一通信框架的发展，即汽车以太网。与通信网络相关的各种参数已经被考虑在内，如带宽、延迟、同步、管理等。在物理层层面，为了确保汽车市场监管法规的实施，特别关注了电磁兼容相关问题，如排放和敏感性问题。

最近的趋势是在物理和逻辑层面为车内通信提供统一的框架。这种方法的动因是传感器和控制器等设备的激增，这些设备通过专用电线和电缆互联，需要越来越多的接口，并按照专有标准运行。基于交换式以太网网络的解决方案依赖于一对电缆，将车辆中的所有关键位置连接到一个中央交换机。

汽车产品的演变表明，与其他汽车和环境的连接能力在不断增强。汽车将通过蜂窝和Wi-Fi网络内置互联网接入，以交换有关交通、潜在危险或路线安排的信息，并为司机提供娱乐，如音频和视频流。互联网连接将允许进行远程诊断和软件/固件更新。汽车之间的通信（V2V - 车辆对车辆），结合适当的传感器，将被用于路线优化和提高驾驶安全，如避免碰撞。

随着 “增强现实 ”模式的应用，提供给未来汽车司机的信息量将增加。

道路上远处物体的距离和速度等参数将在挡风玻璃上显示出来，并有可能放大交通环境中的特定区域。潜在的危险将被突出显示，并自动提出规避的建议。

近年来，汽车以太网在工程文献中引起了高度关注。

汽车以太网1000BASE-T1的最坏情况下的通信通道已经在［3］中进行了理论设计和物理构建。该通道提供了一种在不超过但接近规定限制的条件下测试宽带通信的手段。为了模拟这些限制，直插式连接器已被适当设计的过滤系统取代。通过模拟和测量来寻找解决方案并定义通信信道的设计规则，以提供在差分模式下工作的足够的通信支持。各种参数，如回波损耗、插入损耗、传播延迟和特性阻抗都被考虑在内。

传输线是汽车通信系统EMC中的一个关键部件。为汽车电缆设计了专门的测量装置，提供了复杂的特性阻抗和传播常数的数值。差分和共通模式都被考虑在内。测量结果与时域模拟结果相比较好。参数已经从频域的原始测量数据中提取出来，旨在用于分析和预测与车辆中面向总线的通信系统有关的EMC问题。

在［5］中，已经解决了汽车多千兆网络电磁兼容性（EMC）背景下的电缆评估和测量问题，这对新的和复杂的应用，如自动驾驶非常重要。已经讨论了以太网电缆的各种选择，如屏蔽双绞线和屏蔽平行线。我们设计了一个测量装置，可以进行时域和频域的测量。在频域中进行了高达8GHz的混合模式S参数测量，并通过使用不同千兆数据率的误码测试仪发现了时域特性。

在本文中，报告了一个汽车模块的以太网接口的EMC仿真。这些程序遵循标准 “开放联盟汽车以太网ECU测试规范 ”的要求。

CST PCB Studio被用作一个仿真工具。本文的结构如下。第二节介绍并讨论了汽车以太网标准和用于测量的设置。

在第三部分，提出了三维模拟，以评估模式转换损失和回波损失的结果。接下来，提出并评估了用于改善结果的印刷电路板的布局修改。在最后一节中得出结论。

II.汽车以太网

A.概况

如今，现代汽车包括先进的驾驶辅助和控制以及信息娱乐系统。在汽车中，不同的车辆部件之间存在着多种专有的通信标准，如在电线上运行的模拟信号、MOST（面向媒体的系统传输）、FlexRay、CAN、LIN、LVDS和以太网技术。汽车中的每个部件都有自己的布线和通信规格（见图1）。

为了满足车辆的规格要求，现有的IEEE标准（如IEEE 802.3和802.1）得到了更新修改：

•100Base-T1（单双绞线的100 Mbps以太网，用于汽车应用）

•1000Base-T1 （单双绞线的1000Mbps以太网）

•IEEE 802.1音频/视频桥接（AVB）规定了用于车辆的优先级队列、时间同步和流量整形。

汽车以太网的使用是由于：

带宽要求上升（相机应用、快速软件更新）

通过网关为几条总线进行通信

即将到来的新架构，联网汽车，自动驾驶汽车

无屏蔽双芯铜电缆技术在所有连接的网络节点之间提供100/1000兆每秒的带宽（目前），如身体控制单元、天线、头部单元和传感器。

图1 汽车以太网连接

图2 用于以太网的接口

著名的用于汽车应用的物理层的IEEE 100BASE-T1标准起源于博通公司开发的所谓OABR（开放联盟Broad R-Reach）。全双工连接是通过施加到无屏蔽双绞线上的对称差分电压来实现的。数据根据4B3B、3B2T和PAM3调制技术进行调制。这些方法在IEEE 100BASE-T1 PHY（物理层通信协议）中实现，它作为一个专用块被集成在电子控制单元（ECU）中。

该方法已被设计用于点对点的通信，因为每次有两个节点连接到电缆上（可以看到图2）。这种物理层解决方案的一个特别吸引人的方面是，信息可以在一对电线上以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）。

B.标准--测试

在［1］中，第2.2章致力于评估被测设备（DUT）层面的100BASE-T1接口的物理（PHY）层。关于［1］中题为 “OABR_PMA_05： 检查MDI（介质依赖接口）的回波损耗 ”的章节，它包含了确保DUT涉及回波损耗限制的规定。

本章解释了DUT应该连接到一个稳定的电源，为了将DUT的PHY设置为SLAVE模式操作，需要使用一个Link Partner或一个接口（通过100BASE-T1、标准以太网、CAN、FlexRay等）。此外，DUT必须能够将其PHY设置为从属模式操作。在主模式下，来自DUT的微控制器完全控制着通信，因为它启动和结束通信会话并产生时钟信号。在从属模式下，当主控器启动和结束通信会话时，微控制器会进行监听，并使用主控器产生的时钟信号。

回波损耗的测量必须用网络分析仪进行（扫描频率在300kHz-1GHz之间，1600个测量点，对数扫描，带宽为100Hz）。由于测量需要高度的可重复性和可靠性，该标准定义了一个特定的测试夹具，图3，它是按照IEEE标准的定义设计的。涉及到各种要求例如参考平面的定义（在测试夹具上的线束连接器的开头），DUT的地脚直接连接到夹具的地平面，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。

图3 用于测量的测试夹具

根据［1］的测试程序包含以下步骤：DUT PHY必须被置于SLAVE模式下运行；应使用测试设置中描述的测试夹具；MDI应通过测试夹具连接到网络分析仪；必须测量回波损耗（Sdd11）的值，并对波形进行分析；最后应做出报告，其分辨率应显示：没有发现违反限制的情况。

如果MDI回波损耗（Sdd11）的值满足第96.8.2.1章MDI回波损耗中定义的限制，则该测试应归类为通过。

关于题为 “OABR_PMA_06： 检查MDI模式转换 ”的章节，它被用来作为一个参考，以确保DUT涉及模式转换的限制。使用网络分析仪的测试设置与之前描述的回波损耗类似，但这次要测量参数Sdc11。

III.仿真主题

A.CST PCB Studio中的仿真设置

一个汽车项目来到了大陆汽车Timisoara的EMC仿真组，需要进行以太网MDI接口仿真。CST PCB Studio被用于仿真（它是CST Studio套件的一个软件包）。

在CST PCB Studio中导入项目布局，包括所有的元件、层、网。第二步，在图层堆栈标签中手动引入项目组的图层堆栈。从图4可以看出，该项目由6个铜层组成，它们之间的空间由FR4填充。每层的厚度也可以在图4中看到。

在图5中，MDI以太网接口被突出显示，从IC到连接器，并通过共模扼流圈。在网表编辑器中，所有的接地网被标记为 “GND”，所有的MDI网被定义为差分网。原理图中使用的元件（电容或电阻）的值也已在程序中定义。

运行仿真后，我们切换到示意图标签，可见图6。中间部分包含了布局的信息。我们手动添加了连接器和IC元件，以及电容和共模扼流圈的Touchstone文件（S参数）。

我们还放置了两个用于计算S参数的端口。在0.3-1000MHz之间进行了仿真任务，用1600个样本和对数扫描。结果被储存起来供进一步处理。

图4 CST PCB Studio中的层堆栈

图5 CST PCB Studio中的以太网接口

图6 CST PCB Studio的原理图编辑

B.模式转换损耗和回波损耗的结果

需要对以太网接口进行模拟的两个重要参数是模式转换损耗和回波损耗。第一个代表由于模式转换造成的功率损失，而第二个是指由不连续点反射的信号中的功率损失。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，应该使用以下公式：

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

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

随后，用上一节计算出的S参数（S11、S12、S21、S22），我们应用公式（1）和（2），从而得到以下图表。

在图7中，报告了从0.3到1000MHz的计算模式转换损失。可以注意到有违反限制的情况（限制取自［1］）。因此，不得不对PCB布局进行修改。

在图8中，回波损耗是可见的，它显示了在标准限制之下的良好行为。

由于必须对PCB布局进行修改，所以考虑了几种优化方案。首先，根据DUT的功能块，系统地被分成几个地。其次，高频部分的设计已经通过更好地定义迹线的传输线参数得到改善。高速信号已经在作为信号参考的地面区域之上进行了布线。

之后，在图9和图10中可以看到新布局的结果，这表明模式转换损失结果有明显的改善。

图7 模式转换损失计算

图8 回波损耗计算

图9 布局修改后的模式转换损耗计算

图10 布局修改后的回波损耗计算

IV.总结

本文讨论了在解决汽车产品的以太网接口处可能出现的问题时，使用三维电磁仿真。

最初，描述模式转换损耗和回波损耗测量的国际标准已被提出。

然后，利用CST PCB Studio对汽车以太网接口进行仿真，计算S参数。利用获得的数值，评估了模式转换损耗和回波损耗，并与开放联盟汽车以太网标准的限制进行了比较。

根据正确设计PCB的规则，提出了布局的改进。新的模拟表明，高速信号线的地线分割和重新布线确保了DUT符合标准中规定的限制。

审核编辑：郭婷