电磁兼容的数值仿真

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、高频渐近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[2]：考虑PCB板在正常工作状态下的信号完整性（SI=SignalIntegrity）、电源完整性（PI=PowerIntegrity）、电磁干扰（EMI=ElectromagneticInterference）和电磁敏感度（EMS=ElectromagneticSusceptibility）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[23]。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[14-19]：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。引言电磁兼容（EMC=ElectromagneticCompatibility）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=PrintedCircuitBoard）上走线间的相互串扰（XT=Crosstalk）、变频电源对收音机的干扰（EMI=ElectromagneticInterference）、手机对人体的热效应（SAR=SpecialAbsorptionRate）、天线布局（AntennaPlacement）、雷击瞬态电流冲击破坏电子设备的正常工作（LightningStrike）以及核爆时强电磁脉冲的瞬态效应（EMP=ElectromagneticPulse）等等均属于电磁兼容研究的范畴[1]。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=ConductedEmission）、传导敏感度（CS=ConductedSusceptibility）、辐射发射（RE=RadiatedEmission）和辐射敏感度（RS=RadiatedSusceptibility）。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电磁兼容的数值仿真全波算法又称低频或精确算法，它是求解电磁兼容问题的精确方法。对于给定的计算机硬件资源，此类方法所能仿真的电尺寸有其上限。一般来说，在没有任何限制条件下，即任意结构任意材料下，TLM和FI能够仿真的电尺寸最大，其次是FD，再者为FEM，最后是MoM和BEM。若对于金属凸结构而言，MLFMM则是能够仿真电尺寸最大的全波算法。时域算法的固有优势在于它非常适用于超宽带仿真。电磁兼容本身就是一个超宽带问题，如国军标GJB151ARE102涉及频段为10kHz直至40GHz六个量级的极宽频带。另外，对于瞬态电磁效应的仿真，如强电磁脉冲照射下线缆线束上所感应起来的瞬态冲击电压的仿真，采用时域算法是自然、高效、准确的。还有大量的特殊算法，如高阶矩量法、多层平面结构矩量法、谱域法、直线法、横向谐振法、圆柱贝塞尔函数展开法、满足特殊边界条件的格林函数法等等，这些方法均是在其某个特定的结构、材料、分布或边值条件下非常高效且高精度的方法，或者说，是受这样或那样限制条件下的算法，这类算法的解析度通常较高，一般均是大学教师或研究生的研究对象和成果，适用于发表漂亮的论文，但几乎不适用于解决实际电磁问题，尤其是不适用于对实际电磁兼容问题的仿真。1.4高频渐近电磁算法几何光学（GO）、物理光学（PO）、一致性绕射理论（UTD）、几何绕射理论（GTD）、射线跟踪（RT）以及弹跳射线法（SBR）等均称之为高频渐近算法。此类算法的一个共同特点是频域和格林函数。已知源点分布通过广义格林函数计算得出场点的电磁场。每次仿真只能得出一个场点的值。而全波方法则恰恰相反，每次仿真得出整个计算空间任意一点上的电磁场场值。另外，高频算法不适应于闭域和电小问题，大量的反射次数和损耗以及相位差的精确计算均无法保证高频方法的求解精度。换言之，电大、开域、辐射和散射问题是高频算法的主要应用范围，尤其是单站RCS仿真绝对是高频算法固有的优势。此类方法有能够仿真电尺寸的最小值。高频算法又称为近似预估算法。它通常无法给出绝对的电磁场精确值，一般以相对值或定性值为多。1.5电磁兼容仿真的基本概念涉及传导方面采用路仿真，涉及辐射的则必须采用场仿真。场仿真必须考虑三维结构。瞬态效应则采用时域算法。全波算法只能仿真电小电中结构，对于电大问题，则只能采用高频算法。全波算法每次仿真便能得出整个计算空间上任意一点的电磁场。若采用时域全波算法的话，则不但能够得出计算空间中任意一点处的电磁场，而且还能够得到任意时刻的电磁场值。高频算法每次仿真却只能得出空间中一个（场）点处的电磁场的频域值。电磁兼容仿真首先要能够准确地、唯一地确定辐射源。所有无源器件均是跟着源随动的，而这一随动关系已经被电磁场方程或电路定律所约束。而有源器件并不遵循这些方程，它们具有换能功能，所以它们是源，仿真中必须以源处理。可以采用有源器件的线性化处理将其置换为线性源，使得问题得以简化[20]。1电磁算法1.1电路算法主要针对线性无源集总元件和非线性有源器件组成的网络，采用频域SPICE和纯瞬态电路方程方法进行仿真。这类仿真的特性是无需三维实体模型、线性和非线性器件时域或频域模型（SPICE和IBIS等）、仿真速度快、电压电流的时域信号和频谱为初级求解量。电路仿真简称路仿真，主要用于端口间特性的仿真，就是说当端口内的电磁场对网络外其他部分没有影响或者影响可以忽略时，则可以采用路仿真；采用路仿真的必要条件是电路的物理尺寸远小于波长。换言之，当电路板的尺寸可以和电路上最高频率所对应的波长相比拟时，则必须使用电磁场理论对该电路板进行分析。举例说明，一块电路板尺寸为10cm见方，其上的最高频率是3GHz，3GHz对应的真空波长是10cm，此时板子的尺寸也是10cm，则我们必须使用电磁场理论对此板进行分析，否则误差将很大，而无法接受。一般工程上，板子的尺寸是波长的1/10时，就需要采用电磁场理论来分析了。对于上面的那块板子，当板上有300MHz的信号时，就需要场理论来析了。1.2准静电磁算法它需要三维结构模型。所谓“准静”就是指系统一定支持静电场和稳恒电流存在，表现为静电场和静磁场的场型，更精确地讲，磁通变化率或位移电流很小，故在麦克斯韦方程组中分别可以忽略B和D对时间的偏导项，对应的麦克斯韦方程分别被称之为准静电和准静磁。由此推导出的算法就被称之为准静电算法和准静磁算法。这类算法主要用于工频或低频电力系统或电机设备中的EMC仿真。如：变流器母线与机柜间分布参数的提取便可采用准静电磁算法完成。准静电磁算法细分为准静电频域、准静磁频域、准静电时域和准静磁时域算法，根据设备的频率、应用特点选取合适的算法。对于高压绝缘装置显然可采用准静电近似，而大电流设备，如变流器、电机、变压器等，采用准静磁算法是较可取的。1.3全波电磁算法全波电磁算法简单地讲就是求解麦克斯韦方程完整形式的算法。全波算法又分时域和频域算法。有限差分法（FD）、有限积分法（FI）、传输线矩阵法（TLM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、矩量法（MoM）和多层快速多极子法（MLFMM）均属于全波算法。所有的全波算法均需要对仿真区域进行体网格或面网格分割。前三种方法（FD、FI和TLM法）主要是时域显式算法，且稀疏矩阵，仿真时间与内存均正比于网格数一次方；后四种方法（FEM、BEM、MoM和MLFMM）均为频域隐式算法。FEM也为稀疏矩阵，仿真时间和内存正比于网格数的平方；而BEM和MoM由于是密集矩阵，所以时间与内存正比是网格数的三次方。F