本文報告了一個關于應用全波電磁（EM）仿真來識別通常出現在汽車模塊的以太網接口的問題的案例研究。通過使用3D全電磁模擬，汽車產品的上市時間可以縮短，因為它跳過了實驗室中昂貴和耗時的調查。這項工作是從汽車產品必須滿足以太網要求開始的，特別是與電磁兼容性（EMC）有關的要求。也就是說，研究了模式轉換損耗和回波損耗，并考慮了幾種可能的改進方案。

1.簡介

最近，現代汽車內部通信能力的發展和增強促進了統一通信框架的發展，即汽車以太網。與通信網絡相關的各種參數已經被考慮在內，如帶寬、延遲、同步、管理等。在物理層層面，為了確保汽車市場監管法規的實施，特別關注了電磁兼容相關問題，如排放和敏感性問題。

最近的趨勢是在物理和邏輯層面為車內通信提供統一的框架。這種方法的動因是傳感器和控制器等設備的激增，這些設備通過專用電線和電纜互聯，需要越來越多的接口，并按照專有標準運行。基于交換式以太網網絡的解決方案依賴于一對電纜，將車輛中的所有關鍵位置連接到一個中央交換機。

汽車產品的演變表明，與其他汽車和環境的連接能力在不斷增強。汽車將通過蜂窩和Wi-Fi網絡內置互聯網接入，以交換有關交通、潛在危險或路線安排的信息，并為司機提供娛樂，如音頻和視頻流。互聯網連接將允許進行遠程診斷和軟件/固件更新。汽車之間的通信（V2V - 車輛對車輛），結合適當的傳感器，將被用于路線優化和提高駕駛安全，如避免碰撞。

隨著 “增強現實 ”模式的應用，提供給未來汽車司機的信息量將增加。

道路上遠處物體的距離和速度等參數將在擋風玻璃上顯示出來，并有可能放大交通環境中的特定區域。潛在的危險將被突出顯示，并自動提出規避的建議。

近年來，汽車以太網在工程文獻中引起了高度關注。

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

傳輸線是汽車通信系統EMC中的一個關鍵部件。為汽車電纜設計了專門的測量裝置，提供了復雜的特性阻抗和傳播常數的數值。差分和共通模式都被考慮在內。測量結果與時域模擬結果相比較好。參數已經從頻域的原始測量數據中提取出來，旨在用于分析和預測與車輛中面向總線的通信系統有關的EMC問題。

在［5］中，已經解決了汽車多千兆網絡電磁兼容性（EMC）背景下的電纜評估和測量問題，這對新的和復雜的應用，如自動駕駛非常重要。已經討論了以太網電纜的各種選擇，如屏蔽雙絞線和屏蔽平行線。我們設計了一個測量裝置，可以進行時域和頻域的測量。在頻域中進行了高達8GHz的混合模式S參數測量，并通過使用不同千兆數據率的誤碼測試儀發現了時域特性。

在本文中，報告了一個汽車模塊的以太網接口的EMC仿真。這些程序遵循標準 “開放聯盟汽車以太網ECU測試規范 ”的要求。

CST PCB Studio被用作一個仿真工具。本文的結構如下。第二節介紹并討論了汽車以太網標準和用于測量的設置。

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

II.汽車以太網

A.概況

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

為了滿足車輛的規格要求，現有的IEEE標準（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，用于汽車應用）

?1000Base-T1 （單雙絞線的1000Mbps以太網）

?IEEE 802.1音頻/視頻橋接（AVB）規定了用于車輛的優先級隊列、時間同步和流量整形。

汽車以太網的使用是由于：

帶寬要求上升（相機應用、快速軟件更新）

通過網關為幾條總線進行通信

即將到來的新架構，聯網汽車，自動駕駛汽車

無屏蔽雙芯銅電纜技術在所有連接的網絡節點之間提供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 汽車以太網連接

圖2 用于以太網的接口

著名的用于汽車應用的物理層的IEEE 100BASE-T1標準起源于博通公司開發的所謂OABR（開放聯盟Broad R-Reach）。全雙工連接是通過施加到無屏蔽雙絞線上的對稱差分電壓來實現的。數據根據4B3B、3B2T和PAM3調制技術進行調制。這些方法在IEEE 100BASE-T1 PHY（物理層通信協議）中實現，它作為一個專用塊被集成在電子控制單元（ECU）中。

該方法已被設計用于點對點的通信，因為每次有兩個節點連接到電纜上（可以看到圖2）。這種物理層解決方案的一個特別吸引人的方面是，信息可以在一對電線上以100 Mbit/s的速度雙向傳輸。兩個互連的節點可以同時發送和接收（全雙工）。

B.標準--測試

在［1］中，第2.2章致力于評估被測設備（DUT）層面的100BASE-T1接口的物理（PHY）層。關于［1］中題為 “OABR_PMA_05： 檢查MDI（介質依賴接口）的回波損耗 ”的章節，它包含了確保DUT涉及回波損耗限制的規定。

本章解釋了DUT應該連接到一個穩定的電源，為了將DUT的PHY設置為SLAVE模式操作，需要使用一個Link Partner或一個接口（通過100BASE-T1、標準以太網、CAN、FlexRay等）。此外，DUT必須能夠將其PHY設置為從屬模式操作。在主模式下，來自DUT的微控制器完全控制著通信，因為它啟動和結束通信會話并產生時鐘信號。在從屬模式下，當主控器啟動和結束通信會話時，微控制器會進行監聽，并使用主控器產生的時鐘信號。

回波損耗的測量必須用網絡分析儀進行（掃描頻率在300kHz-1GHz之間，1600個測量點，對數掃描，帶寬為100Hz）。由于測量需要高度的可重復性和可靠性，該標準定義了一個特定的測試夾具，圖3，它是按照IEEE標準的定義設計的。涉及到各種要求例如參考平面的定義（在測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試夾具的固定部分。

圖3 用于測量的測試夾具

根據［1］的測試程序包含以下步驟：DUT PHY必須被置于SLAVE模式下運行；應使用測試設置中描述的測試夾具；MDI應通過測試夾具連接到網絡分析儀；必須測量回波損耗（Sdd11）的值，并對波形進行分析；最后應做出報告，其分辨率應顯示：沒有發現違反限制的情況。

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，則該測試應歸類為通過。

關于題為 “OABR_PMA_06： 檢查MDI模式轉換 ”的章節，它被用來作為一個參考，以確保DUT涉及模式轉換的限制。使用網絡分析儀的測試設置與之前描述的回波損耗類似，但這次要測量參數Sdc11。

III.仿真主題

A.CST PCB Studio中的仿真設置

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

在CST PCB Studio中導入項目布局，包括所有的元件、層、網。第二步，在圖層堆棧標簽中手動引入項目組的圖層堆棧。從圖4可以看出，該項目由6個銅層組成，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以太網接口被突出顯示，從IC到連接器，并通過共模扼流圈。在網表編輯器中，所有的接地網被標記為 “GND”，所有的MDI網被定義為差分網。原理圖中使用的元件（電容或電阻）的值也已在程序中定義。

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

我們還放置了兩個用于計算S參數的端口。在0.3-1000MHz之間進行了仿真任務，用1600個樣本和對數掃描。結果被儲存起來供進一步處理。

圖4 CST PCB Studio中的層堆棧

圖5 CST PCB Studio中的以太網接口

圖6 CST PCB Studio的原理圖編輯

B.模式轉換損耗和回波損耗的結果

需要對以太網接口進行模擬的兩個重要參數是模式轉換損耗和回波損耗。第一個代表由于模式轉換造成的功率損失，而第二個是指由不連續點反射的信號中的功率損失。這些參數可以用S參數來表示。

為了計算［1］中描述的模式轉換損耗和回波損耗，應該使用以下公式：

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

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

隨后，用上一節計算出的S參數（S11、S12、S21、S22），我們應用公式（1）和（2），從而得到以下圖表。

在圖7中，報告了從0.3到1000MHz的計算模式轉換損失。可以注意到有違反限制的情況（限制取自［1］）。因此，不得不對PCB布局進行修改。

在圖8中，回波損耗是可見的，它顯示了在標準限制之下的良好行為。

由于必須對PCB布局進行修改，所以考慮了幾種優化方案。首先，根據DUT的功能塊，系統地被分成幾個地。其次，高頻部分的設計已經通過更好地定義跡線的傳輸線參數得到改善。高速信號已經在作為信號參考的地面區域之上進行了布線。

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

圖7 模式轉換損失計算

圖8 回波損耗計算

圖9 布局修改后的模式轉換損耗計算

圖10 布局修改后的回波損耗計算

IV.總結

本文討論了在解決汽車產品的以太網接口處可能出現的問題時，使用三維電磁仿真。

最初，描述模式轉換損耗和回波損耗測量的國際標準已被提出。

然后，利用CST PCB Studio對汽車以太網接口進行仿真，計算S參數。利用獲得的數值，評估了模式轉換損耗和回波損耗，并與開放聯盟汽車以太網標準的限制進行了比較。

根據正確設計PCB的規則，提出了布局的改進。新的模擬表明，高速信號線的地線分割和重新布線確保了DUT符合標準中規定的限制。

審核編輯：郭婷