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电磁兼容的数值仿真分析,CST2013

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引言

电磁兼容(EMC=Electromagnetic Compatibility)指的是事物在电磁环境下所受影响大小的表征。印刷电路板(PCB = Printed Circuit Board)上走线间的相互串扰(XT = Crosstalk )、变频电源对收音机的干扰(EMI = Electromagnetic Interference)、手机对人体的热效应(SAR = Special Absorption Rate)、天线布局(Antenna Placement)、雷击瞬态电流冲击破坏电子设备的正常工作(Lightning Strike)以及核爆时强电磁脉冲的瞬态效应(EMP = Electromagnetic Pulse)等等均属于电磁兼容研究的范畴。

电磁兼容覆盖整个电磁频段。早期EMC概念主要是在低频或工频频段,而随着人们对频段要求的逐渐增强,电磁频率越来越高,目前常用的EMC标准已涉及到40GHz的 频段。早期采用的电路概念则必须代之于电磁场概念。尤其是涉及到电磁辐射方面,则只能采用电磁场和电磁波的 概念方能解释和分析。

为了更好地规范电磁兼容,国际上已经制定了一系列标准和限制,包含通用国际标准、行业标准、军用标准等。 在我国,主要有国家标准(简称国标GB)和国家军用标准(简称国军标GJB)两大类电磁兼容标准。

目前整个EMC标准,无论国际还是国内,均滞后于实际使用的需要。不但是频段上,而且更重要的是在概念上需要充实和改善。如:我国的手机比吸收率SAR标准仍未全面强制实施(山寨手机)、尚无40GHz以上的EMC标准、标准中大量落后的电路概念仍主导着具有强电磁辐射特性的电磁兼容领域等等。换言之,对电磁兼容的真正理解不能停留在路概念上,而应当采用场概念才能真正对其准确定义和解决。电磁兼容是一个对电磁场和电磁波知识以及实践经验要求非常强的领域。目前国内从事电磁兼容工作的工程师绝大部分均是机械和电子线路专业背景的,这对于他们真正掌握电磁兼容的机理并找到有效的解决方案来说是有很大难度的。

传统电磁兼容测试分为四类:传导发射(CE = Conducted Emission)、传导敏感度(CS = Conducted Susceptibility)、辐射发射(RE = Radiated Emission)和辐射敏感度(RS = Radiated Susceptibility)。尽管这种分类方式存在一定的片面性,但的确已经覆盖了绝大部分电磁兼容问题。常用的电磁干扰EMI包含CE和RE两部分,而电磁敏感度EMS则为CS和RS的统称。EMI和EMS更学术化,而CE、CS、RE和RS似乎更工程化些。 电磁兼容是与测试紧密相关的概念。目前对产品是否 通过EMC标准几乎无一例外地通过暗室实测来完成的。在国际上,软件仿真已经进入了日常的电子产品设计流程之中。电子样机的仿真预估是缩短产品设计周期不可或缺的有效手段。频率越高,则仿真手段越体现得必不可少。试想,对民航整机进行适航测试中的一个项目——雷击测试, 每次测试将耗费大量的财力和人力。而采用电磁仿真软件进行整机雷击仿真,对主要问题的发现和改善,是非常经济、快捷、有效的。

当然,软件仿真无法取代实测,而实测又并非对每个产品的每个阶段均是必需的。仿真与实测应当本着用样本实测标定仿真,用仿真替代复杂实测,再用实测修正仿真的这样循序渐进的模式,将定性的仿真与定量的实测有机地结合起来。一味追求实测和一味追求仿真的思路均是片面的。以下列举了大量的典型EMC仿真实例,介绍对各类电磁兼容问题如何有效地采用CST仿真软件进行仿真预估,开阔电磁电路仿真软件的应用思路。

电磁仿真软件有一个共性,就是它们都与要仿真物体的电尺寸相关。电尺寸定义为被仿真物体的几何尺寸(米)除以所涉及最高频率对应的波长(米),单位是波长数。 电磁仿真分为电路仿真、准静电磁仿真、全波电磁仿真、 高频渐进仿真等四大类算法以及它们的混合算法。除了电 路仿真不涉及到结构实物的物理尺寸外,其余均与其电尺 寸有关。注意,这里讲的路仿真指的是纯电路仿真,即基于SPICE网络的电压电流仿真,不包含三维结构分布参数提取的概念,因为此时将涉及场仿真,即比电路仿真高一个级别的“准静电磁仿真”。

根据电尺寸的大小,我们将电磁兼容仿真分为以下四个层面:

a) 印刷电路板板级EMC仿真:考虑PCB板在正常工作状态下的信号完整性(SI = Signal Integrity)、电源完整性( PI = Power Integrity )、电磁干扰( EMI = Electromagnetic Interference)和电磁敏感度(EMS = Electromagnetic Susceptibility)四类仿真,得出板上的电流分布或者包含板子的近场等效电流和等效磁流分布。板子中的RLC集总无源器件以及芯片模块等有源器件均被考虑进去。此时,PCB本身的自兼容问题,如SI和PI均被有效地考虑进去,同时还兼顾了内部源(EMI)和外部源(EMS)的电磁兼容问题。另外,还给出了PCB与周边环境相互作用的接口—板上电流或近场源;

b)线缆线束级EMC仿真[3]-[6]:任何电子设备均包含有各类线缆线束,单线、双绞线、排线、单芯及多芯屏蔽线以及这些线型与屏蔽的任意组合所构成的线束。众所周知,一旦系统中有线缆线束,无论是仿真还是实测,电磁兼容就变得很不确定,表现出很强的随机统计特性。基于实测且具有一定统计意义的转移阻抗概念是通常解决这一问题的主要方法。这里需要仿真的是SI、EMI和EMS三类问题,同时也得出共模电流或等效电磁流;

c)机箱机柜级EMC仿真[7]-[13]:主要讲的是金属外壳的机箱或机柜。其中的PCB和电缆等均是电磁辐射源,可以在上面两个层面中解决。而对于机箱本身,最棘手的则是其上细小的散热孔缝、搭接、紧固螺钉、导电橡胶、屏蔽薄膜、金属丝网等等结构尺寸远小于波长而又无法忽略 的电磁泄漏结构,因为此类问题必须采用全波电磁场仿真算法来解决,而这类算法均需要划分能够分辨这些细小结构的网格,导致网格数激增,仿真速度和精度下降。我们这里采用CST特有的基于局部集总电路概念且无需划分网格的“精简模型”来解决这对矛盾;

d)分系统及系统级EMC仿真:分系统指的是能够独立工作的子系统设备;系统指的是终端产品,如整 机、整舰、整车、整星等。它们是由以上三类中间产品组合而成。通过对PCB和线缆线束的仿真得出EMC源,将这些源置入机箱和系统中进行电磁仿真,即得到该系统的电磁兼容特性。

下面介绍常用的电磁算法,各自在EMC仿真中的优劣; 然后给出上述不同EMC层面的仿真案例以及精度讨论。

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