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 ）、變頻電源對收音機的干擾（EMI = Electromagnetic Interference）、手機對人體的熱效應(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）以及核爆時強電磁脈沖的瞬態(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，而隨著人們對頻段要求的逐漸增強，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概念。尤其是涉及到電磁輻射方面，則只能采用電磁場和電磁波的 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)（簡稱國標(biāo)GB）和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（簡稱國軍標(biāo)GJB）兩大類電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

    目前整個EMC標(biāo)準(zhǔn)，無論國際還是國內(nèi)，均滯后于實際使用的需要。不但是頻段上，而且更重要的是在概念上需要充實和改善。如：我國的手機比吸收率SAR標(biāo)準(zhǔn)仍未全面強制實施（山寨手機）、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)著具有強電磁輻射特性的電磁兼容領(lǐng)域等等。換言之，對電磁兼容的真正理解不能停留在路概念上，而應(yīng)當(dāng)采用場概念才能真正對其準(zhǔn)確定義和解決。電磁兼容是一個對電磁場和電磁波知識以及實踐經(jīng)驗要求非常強的領(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械和電子線路專業(yè)背景的，這對于他們真正掌握電磁兼容的機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。 電磁兼容是與測試緊密相關(guān)的概念。目前對產(chǎn)品是否 通過EMC標(biāo)準(zhǔn)幾乎無一例外地通過暗室實測來完成的。在國際上，軟件仿真已經(jīng)進入了日常的電子產(chǎn)品設(shè)計流程之中。電子樣機的仿真預(yù)估是縮短產(chǎn)品設(shè)計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，對民航整機進行適航測試中的一個項目——雷擊測試， 每次測試將耗費大量的財力和人力。而采用電磁仿真軟件進行整機雷擊仿真，對主要問題的發(fā)現(xiàn)和改善，是非常經(jīng)濟、快捷、有效的。

    當(dāng)然，軟件仿真無法取代實測，而實測又并非對每個產(chǎn)品的每個階段均是必需的。仿真與實測應(yīng)當(dāng)本著用樣本實測標(biāo)定仿真，用仿真替代復(fù)雜實測，再用實測修正仿真的這樣循序漸進的模式，將定性的仿真與定量的實測有機地結(jié)合起來。一味追求實測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仿真實例，介紹對各類電磁兼容問題如何有效地采用CST仿真軟件進行仿真預(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，因為此時將涉及場仿真，即比電路仿真高一個級別的“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層面：

    a) 印刷電路板板級EMC仿真：考慮PCB板在正常工作狀態(tài)下的信號完整性（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去。此時，PCB本身的自兼容問題，如SI和PI均被有效地考慮進去，同時還兼顧了內(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—板上電流或近場源；

    b）線纜線束級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，無論是仿真還是實測，電磁兼容就變得很不確定，表現(xiàn)出很強的隨機統(tǒng)計特性�；�于實測且具有一定統(tǒng)計意義的轉(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，同時也得出共模電流或等效電磁流；

    c）機箱機柜級EMC仿真[7]-[13]：主要講的是金屬外殼的機箱或機柜。其中的PCB和電纜等均是電磁輻射源，可以在上面兩個層面中解決。而對于機箱本身，最棘手的則是其上細小的散熱孔縫、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)尺寸遠小于波長而又無法忽略 的電磁泄漏結(jié)構(gòu)，因為此類問題必須采用全波電磁場仿真算法來解決，而這類算法均需要劃分能夠分辨這些細小結(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“精簡模型”來解決這對矛盾；

    d）分系統(tǒng)及系統(tǒng)級EMC仿真：分系統(tǒng)指的是能夠獨立工作的子系統(tǒng)設(shè)備；系統(tǒng)指的是終端產(chǎn)品，如整 機、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PCB和線纜線束的仿真得出EMC源，將這些源置入機箱和系統(tǒng)中進行電磁仿真，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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