電磁兼容的數(shù)值仿真分析——CST2013

    引言

    電磁兼容（EMC=Electromagnetic Compatibility）指的是事物在電磁環(huán)境下所受影響大小的表征。印刷電路板（PCB = Printed Circuit Board）上走線間的相互串?dāng)_（XT = Crosstalk ）、變頻電源對(duì)收音機(jī)的干擾（EMI = Electromagnetic Interference）、手機(jī)對(duì)人體的熱效應(yīng)（SAR = Special Absorption Rate）、天線布局（Antenna Placement）、雷擊瞬態(tài)電流沖擊破壞電子設(shè)備的正常工作（Lightning Strike）以及核爆時(shí)強(qiáng)電磁脈沖的瞬態(tài)效應(yīng)（EMP = Electromagnetic Pulse）等等均屬于電磁兼容研究的范疇。

    電磁兼容覆蓋整個(gè)電磁頻段。早期EMC概念主要是在低頻或工頻頻段，而隨著人們對(duì)頻段要求的逐漸增強(qiáng)，電磁頻率越來越高，目前常用的EMC標(biāo)準(zhǔn)已涉及到40GHz的 頻段。早期采用的電路概念則必須代之于電磁場(chǎng)概念。尤其是涉及到電磁輻射方面，則只能采用電磁場(chǎng)和電磁波的 概念方能解釋和分析。

    為了更好地規(guī)范電磁兼容，國際上已經(jīng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和限制，包含通用國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)等。 在我國，主要有國家標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱國標(biāo)GB）和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱國軍標(biāo)GJB）兩大類電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

    目前整個(gè)EMC標(biāo)準(zhǔn)，無論國際還是國內(nèi)，均滯后于實(shí)際使用的需要。不但是頻段上，而且更重要的是在概念上需要充實(shí)和改善。如：我國的手機(jī)比吸收率SAR標(biāo)準(zhǔn)仍未全面強(qiáng)制實(shí)施（山寨手機(jī)）、尚無40GHz以上的EMC標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)中大量落后的電路概念仍主導(dǎo)著具有強(qiáng)電磁輻射特性的電磁兼容領(lǐng)域等等。換言之，對(duì)電磁兼容的真正理解不能停留在路概念上，而應(yīng)當(dāng)采用場(chǎng)概念才能真正對(duì)其準(zhǔn)確定義和解決。電磁兼容是一個(gè)對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波知識(shí)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求非常強(qiáng)的領(lǐng)域。目前國內(nèi)從事電磁兼容工作的工程師絕大部分均是機(jī)械和電子線路專業(yè)背景的，這對(duì)于他們真正掌握電磁兼容的機(jī)理并找到有效的解決方案來說是有很大難度的。

    傳統(tǒng)電磁兼容測(cè)試分為四類：傳導(dǎo)發(fā)射（CE = Conducted Emission）、傳導(dǎo)敏感度（CS = Conducted Susceptibility）、輻射發(fā)射（RE = Radiated Emission）和輻射敏感度（RS = Radiated Susceptibility）。盡管這種分類方式存在一定的片面性，但的確已經(jīng)覆蓋了絕大部分電磁兼容問題。常用的電磁干擾EMI包含CE和RE兩部分，而電磁敏感度EMS則為CS和RS的統(tǒng)稱。EMI和EMS更學(xué)術(shù)化，而CE、CS、RE和RS似乎更工程化些。 電磁兼容是與測(cè)試緊密相關(guān)的概念。目前對(duì)產(chǎn)品是否 通過EMC標(biāo)準(zhǔn)幾乎無一例外地通過暗室實(shí)測(cè)來完成的。在國際上，軟件仿真已經(jīng)進(jìn)入了日常的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程之中。電子樣機(jī)的仿真預(yù)估是縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期不可或缺的有效手段。頻率越高，則仿真手段越體現(xiàn)得必不可少。試想，對(duì)民航整機(jī)進(jìn)行適航測(cè)試中的一個(gè)項(xiàng)目——雷擊測(cè)試， 每次測(cè)試將耗費(fèi)大量的財(cái)力和人力。而采用電磁仿真軟件進(jìn)行整機(jī)雷擊仿真，對(duì)主要問題的發(fā)現(xiàn)和改善，是非常經(jīng)濟(jì)、快捷、有效的。

    當(dāng)然，軟件仿真無法取代實(shí)測(cè)，而實(shí)測(cè)又并非對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的每個(gè)階段均是必需的。仿真與實(shí)測(cè)應(yīng)當(dāng)本著用樣本實(shí)測(cè)標(biāo)定仿真，用仿真替代復(fù)雜實(shí)測(cè)，再用實(shí)測(cè)修正仿真的這樣循序漸進(jìn)的模式，將定性的仿真與定量的實(shí)測(cè)有機(jī)地結(jié)合起來。一味追求實(shí)測(cè)和一味追求仿真的思路均是片面的。以下列舉了大量的典型EMC仿真實(shí)例，介紹對(duì)各類電磁兼容問題如何有效地采用CST仿真軟件進(jìn)行仿真預(yù)估，開闊電磁電路仿真軟件的應(yīng)用思路。

    電磁仿真軟件有一個(gè)共性，就是它們都與要仿真物體的電尺寸相關(guān)。電尺寸定義為被仿真物體的幾何尺寸（米）除以所涉及最高頻率對(duì)應(yīng)的波長（米），單位是波長數(shù)。 電磁仿真分為電路仿真、準(zhǔn)靜電磁仿真、全波電磁仿真、 高頻漸進(jìn)仿真等四大類算法以及它們的混合算法。除了電 路仿真不涉及到結(jié)構(gòu)實(shí)物的物理尺寸外，其余均與其電尺 寸有關(guān)。注意，這里講的路仿真指的是純電路仿真，即基于SPICE網(wǎng)絡(luò)的電壓電流仿真，不包含三維結(jié)構(gòu)分布參數(shù)提取的概念，因?yàn)榇藭r(shí)將涉及場(chǎng)仿真，即比電路仿真高一個(gè)級(jí)別的“準(zhǔn)靜電磁仿真”。

    根據(jù)電尺寸的大小，我們將電磁兼容仿真分為以下四個(gè)層面：

    a) 印刷電路板板級(jí)EMC仿真：考慮PCB板在正常工作狀態(tài)下的信號(hào)完整性（SI = Signal Integrity）、電源完整性（ PI = Power Integrity ）、電磁干擾（ EMI = Electromagnetic Interference）和電磁敏感度（EMS = Electromagnetic Susceptibility）四類仿真，得出板上的電流分布或者包含板子的近場(chǎng)等效電流和等效磁流分布。板子中的RLC集總無源器件以及芯片模塊等有源器件均被考慮進(jìn)去。此時(shí)，PCB本身的自兼容問題，如SI和PI均被有效地考慮進(jìn)去，同時(shí)還兼顧了內(nèi)部源（EMI）和外部源（EMS）的電磁兼容問題。另外，還給出了PCB與周邊環(huán)境相互作用的接口—板上電流或近場(chǎng)源；

    b）線纜線束級(jí)EMC仿真[3]-[6]：任何電子設(shè)備均包含有各類線纜線束，單線、雙絞線、排線、單芯及多芯屏蔽線以及這些線型與屏蔽的任意組合所構(gòu)成的線束。眾所周知，一旦系統(tǒng)中有線纜線束，無論是仿真還是實(shí)測(cè)，電磁兼容就變得很不確定，表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性�；�于實(shí)測(cè)且具有一定統(tǒng)計(jì)意義的轉(zhuǎn)移阻抗概念是通常解決這一問題的主要方法。這里需要仿真的是SI、EMI和EMS三類問題，同時(shí)也得出共模電流或等效電磁流；

    c）機(jī)箱機(jī)柜級(jí)EMC仿真[7]-[13]：主要講的是金屬外殼的機(jī)箱或機(jī)柜。其中的PCB和電纜等均是電磁輻射源，可以在上面兩個(gè)層面中解決。而對(duì)于機(jī)箱本身，最棘手的則是其上細(xì)小的散熱孔縫、搭接、緊固螺釘、導(dǎo)電橡膠、屏蔽薄膜、金屬絲網(wǎng)等等結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于波長而又無法忽略 的電磁泄漏結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇祟悊栴}必須采用全波電磁場(chǎng)仿真算法來解決，而這類算法均需要?jiǎng)澐帜軌蚍直孢@些細(xì)小結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)激增，仿真速度和精度下降。我們這里采用CST特有的基于局部集總電路概念且無需劃分網(wǎng)格的“精簡(jiǎn)模型”來解決這對(duì)矛盾；

    d）分系統(tǒng)及系統(tǒng)級(jí)EMC仿真：分系統(tǒng)指的是能夠獨(dú)立工作的子系統(tǒng)設(shè)備；系統(tǒng)指的是終端產(chǎn)品，如整 機(jī)、整艦、整車、整星等。它們是由以上三類中間產(chǎn)品組合而成。通過對(duì)PCB和線纜線束的仿真得出EMC源，將這些源置入機(jī)箱和系統(tǒng)中進(jìn)行電磁仿真，即得到該系統(tǒng)的電磁兼容特性。

    下面介紹常用的電磁算法，各自在EMC仿真中的優(yōu)劣； 然后給出上述不同EMC層面的仿真案例以及精度討論。

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