电磁兼容EMC知识.docx

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1、CST工作室套装电磁兼容|EMCCST COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY AG15Our Customers德国CST股份公司（）是一家专注于三维电磁 场仿真、并提供电路、热及结构应力协同仿真的国际化软件公司。CST目前是全球最大的纯电磁场仿真软件公司。提供完备的时域 频域全波算法和高频算法，覆盖通信、国防、电子、电气、汽车、医疗和基础科学等领域，典型客户有：IBM、Intel、Cisco、Apple、Microsoft、Boeing、Samsung、Siemens、HUAWEI、Ericsson、Airbus、NASA、Thales、Mercedes-Benz、B

2、MW、Lenovo等。CST公司拥有一个覆盖30多个国家和地区的分销网络。CST 在近10年间以平均每年19%的增长率得以长足发展。先后并购了 德国Simlab和英国上市公司Flomerics。形成了覆盖板级、机箱级、线缆级直至系统级的全线电磁兼容仿真能力。CST软件主要应用 于电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI、手机、核磁共振、真空管、粒子加速器、左手材料、光学以及高压输配电设备等。FOSON Electronic Technology西安孚正电子科技有限公司（FOSON Electronic Technology）是德国CST公司在中国的分公司（www.fo- ），全面负责除台湾以外整个

3、中国市场。销售CST及合作伙伴的所有产品，并提供售前售后技术支持、设计咨询、培训和二次开发等全面服务。在中国的所有三维电磁仿真软件公司中，CST是专业理论水平最高、技术支持能力最强的、软件覆盖面最宽的公司。我们将一如既往地用我们专业、精准和及时的技术服务赢得用户的信任。CST工作室套装CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设 计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。 包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内。可以为用户 提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电 磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。典 型应用包含电磁兼容、天线/RCS、

4、高速互连SI/EMI/PI/眼图、 手机、核磁共振、电真空管、粒子加速器、高功率微波、非线 性光学、电气、场路、电磁-温度及温度-形变等各类协同仿真。CST 设计环境CST DESIGN ENVIRONMENTCST 印制板工作室 CST PCB STUDIO CST 电缆工作室 CST CABLE STUDIO CST 规则检查CST BOARDCHECKCST微波工作室 CST MICROWAVE STUDIO CST 电磁工作室 CST EM STUDIO CST 粒子工作室 CST PARTICLE STUDIO CST 设计工作室CST DESIGN STUDIO是进入CST工作室套

5、装的通道包含前后处理、优化器、材料库四大部分完成三维建模，CAD/EDA/CAE接口，支持各子软件间的协同，结果后处理和导出专业板级电磁兼容仿真软件，对印制板的SI/PI/IR-Drop/眼图/去耦电容进行仿真。与CST MWS联合，可对印制板和机壳结构进行瞬态和稳态辐照和辐射双向问题专业线缆级电磁兼容仿真软件，可以对真实工况下由各类线型构成的数十米长线束及周边环境进行SI/EMI/EMS分析，解决线缆线束瞬态和稳态辐照和辐射双向问题印制板布线电磁兼容EMC和信号完整性SI 规则检查软件，能对多层板中的信号线、地平面切割、电源平面分布、去耦电容分布、走线及过孔位置及分布进行快速检查系统级电磁兼

6、容及通用高频无源器件仿真软件，应用包括：电磁兼容、天线/RCS、高速互连SI、手机/MRI、滤波器等。可计算任意结构任意材料电大宽带的电磁问题（准）静电、（准）静磁、稳恒电流、低频电磁场仿真软件。用于：DC-100MHz 频段电磁兼容、传感器、驱动装置、变压器、感应加热、无损探伤和高低压电器等主要应用于电真空器件、高功率微波管、粒子加速器、聚焦线圈、磁束缚、等离子体等自由带电粒子与电磁场自洽相互作用下相对论及非相对论运动的仿真分析系统级有源及无源电路路仿真，SAM总控， 支持三维电磁场和电路的纯瞬态和频域协 同仿真，用于DC直至100GHz的电路仿真CST 多物理场工作室 CST MPHYSI

7、CS STUDIO 瞬态及稳态温度场、结构应力形变仿真软件，主要应用于电磁损耗、粒子沉积损耗所引起的热以及热所引起的结构形变分析电磁兼容的数值仿真引 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（Ante

8、nna 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。

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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 = 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

14、。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

15、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

16、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。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

17、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

18、，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，

19、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

20、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。FD、FI、TLM和FEM适用于任意结构任意 介质，BEM和MoM适用于任意结构但须均匀非旋介质分布， 而MLFMM则主要适用于金属凸结构，尽管MLFMM具有超 线性的网格收敛性，即大家熟知的NlogN计算量。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

21、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GJB151A RE102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

22、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

23、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

24、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。仿真工程师一定要学会抓住问题的主要方面。我们经常看到，硬件设计工程师总是将其设计的电路、装置、设备完完整整地输入给软件，期望一个“Start”命令后，软件能够给出一个完整真实电子设备的电磁辐射，并要求与实测在全频段上相差不大于1dBuV/m！这样

25、精确的仿真目前没有任何电磁兼容软件能够做到。我们一再强调，电磁兼容仿真，尤其是含有线缆线束和机箱机柜的高频段的电磁辐射仿真，只能是趋势的、定性的仿真，绝对达不到精确的、完全与实测吻合的仿真结果。试想，我们在暗室实测某电子设备在10kHz-40GHz频段上的电磁辐射，它对周边的线缆线束的摆放具有极大的相关性。请问仿真怎能分辨已经是如此杂散的响应呢？总之，一味要求软件仿真完全定量再现实测的想法是完全错误的，尤其是在高频辐射问题上更是如此。仿真给出的是定性趋势性仿真，其结果和结论具有相当程度上的相对性，不是绝对的。就是说， 仿真得出采用某种措施能够使电磁辐射降低3dB，则通常实测也能够期望该措施的有

26、效性，辐射可能降低了2dB或者4dB。即趋势是正确的。而由于电磁兼容仿真的这一定性特点，一些电磁场理论知识较弱且电磁兼容实践经验相对较少的工程师则又走向另一个极端，即全面否定软件仿真而一味追求实测。这也是不正确的。要能够真正对电磁兼容仿真有深刻的理解的话，电磁场与电磁波理论、微波技术、微波网络、天线理论以及计算电磁学等方面的一般性知识是必不可少的。一定的电磁兼容暗室实测经验也是必需的。它能够帮助您透过现象看本质，而不只是停留在表象上。这里旨在通过本段各个仿真实例将电磁兼容仿真工程师引导到一个正确的道路上 - 仿真是能够指导我们做好EMC分析和设计的，仿真并不困难，只要掌握要领和流程。下面给出一

27、系列采用CST软件仿真的电磁兼容问题。 其中一些在后续的实例中有更为详细的介绍，一些则没有。读者可以看到CST软件在各类电磁兼容仿真中强大的功能。2 电磁兼容数值仿真2.1 PCB板级EMC仿真（PWM电源控制器）图1 电机PWM电源控制器这是一个实例，需要根据国军标GJB151A的传导发射限值CE102和辐射发射限值RE102对其进行仿真预估。a） 传导发射仿真（GJB151A CE102）直流电机恒速控制驱动器见图1。该控制器采用27V直流供电，10W的电机驱动采用15kHz调制的PWM单极脉冲序列。对27V电源线需要通过国军标GJB151A CE102 在10kHz-10MHz传导发射限

28、值。图2 电源控制器框图图3 电源控制器完整电原理图有了完整的电子样机后，如何采用软件对所需的27V电源上的传导发射电平进行快速有效地仿真这是一个设计工程师最需要知道的。首先绝不能太实际了，不能在仿真中完全照搬整个实际样机，如，许多工程师将整个PCB上所有的器件一股脑 全部放入仿真软件中，连可能几乎毫无关系的保护电路也 考虑进去。倘若有些电路只是在其过流保护时方起作用的， 则在仿真中可以先将其去掉或旁路掉，因为它们在正常工 作时是不工作的。比如本控制器中的5V和12V直流供电回 路，与27V完全隔离，且不含15kHz调制信号，在这么低的 主频下根本不会产生强互耦干扰信号于27V电源回路中；另

29、外，从图3所示PCB板右边部分电路与左边的整个控制器根 本没有关系。做完分析后，则可以提取最重要的部分进行 仿真，见图4六个开关管所组成的PWM电路，它就是图3方 框中的部分。注意，以上电路功能分析简化步骤是极其必 要的，这对于电子样机的设计者来说是相对容易的，而对 于不是该电路的直接设计者或者是第三方仿真软件工程师 来说，是相当困难的。这也是PCB板仿真最困难之处。不 是原理问题，而是信息不全的问题。图4 27V到15kHz调制的三相PWM驱动逆变电路以下是在路仿真软件中搭建的三相PWM逆变器。这里采用了IR公司的FET开关管的SPICE模型。图5 三相PWM驱动逆变电路仿真模型其中六个栅极

30、为触发信号的输入，电机采用内阻为4欧姆的实电阻作为负载。P1(nP1)和P2(nP2)等均为探针，可给出该点处的电压和电流的时域信号及其频谱。触发信号频率为15kHz，占空比50%的方波信号。上升和下降沿时间（ 和 ）设置为15ns（这是IRFR13N管子的极限响应速度）。加上外围电路，实际上升和下降时间将有所恶化， 将使得15kHz及其谐波有所下降。另外，在实际电路中， 由于前面触发信号整形驱动芯片的离散型，三组触发信号并不可能理想同步， 我们称之为触发同步抖动（ Timing jitter）。仿真中我们可以明显地发现开关管的响应速度和同步抖动对27V电源线上的噪声影响较大（见图6）。图6

31、驱动功率为10W，不同触发抖动下27V电源线上噪声电压的幅频特性和CE102限值（红实线）此时27V电源上的平均电流为0.41A，电源功率大约11W 。 CE102 限值如图 6 中粗实线所示， 10kHz 处为 94dBuV（即50mV），500kHz以上为60dBuV（即1mV） 的噪声电平。仿真表明，PWM脉冲的上升下降沿越陡（即采用的开关管质量越好），则其谐波总体电平就越高；同样地，三组触发信号同步越好（即触发抖动越小，即前级触发生成模块的质量越高），则谐波总体电平也越大。当触发抖动达到0.4us时，该控制器在2-3MHz范围内的传导发射超标。这一点在实测中得以了证实。由于在实际产品中

32、使用了截止频率为1MHz的滤波连接器，所以该产品只在2-3MHz处未能通过CE102的测试。实际超标大约在2.5dB 左右。从本例可以看出，软件仿真不但能够发现电磁兼容超标的问题，而且还可以给出在不同参量下EMC特性的改变规律，从而对设计提供更多的认识。b） 辐射发射仿真（GJB151A RE102）下面介绍辐射发射的仿真过程。同样，在正式仿真前先要对该控制器各部分的辐射电平，也即对板上各部分走 线电流大小进行判定。找出那些频率高且电流大的部分， 因为高频或者高谐波分量辐射较强。频率低或者电流弱的 部分则可以忽略。没有主次一股脑对整个板子进行仿真是 不可取的，不但计算量增加，而且可能引入误差。

33、本控制 器频率最高谐波最丰富且电流最大的是上节所分析的三相PWM驱动逆变电路。这部分的电流比其它部分高两个量级。由于是辐射仿真，所以必须采用电磁场仿真，而不能使用路仿真软件。场仿真则必须有结构信息，这里是PADS 格式的PCB板（见图7）图7 电源控制器上下两层PCB板（PADS格式）图8 某开关管在1W等功率激励下，PCB板上15kHz、1GHz、12GHz频点的电流分布（自上而下）辐射仿真描述：整板上所有走线和无源器件均存在并保持在EDA软件找中的互连状态，对有源器件（数模芯片、三极管/FET等）则需要采用IBIS和SPICE模型置换，若没 有这些模型则需要管脚阻抗匹配和电流电压源置换，这

34、些 源则采用上节路仿真中所得的信号波形进行激励。由于RE102所要仿真的最高频率很高，高达18GHz， 同时板上信号频率仅15kHz，到18GHz的谐波分量相当地小，这样悬殊的频段对于时域高频场仿真算法来说，仿真时间将相当地长；而对于频域场仿真算法来说，扫频带宽太宽，同样导致仿真时间太长。为此，通常采用求解广义冲击响应的方法，再乘以激励源的频谱合成最终的结果。本算例中采用如下线性化方法20：a） 有六个开关管，栅极电流极小，所以忽略，即栅源和栅漏间接高阻开路即可；b） 只需考虑漏源间的大电流，六只管子两两错位开通， 其余时间闸断截止，将漏源结定义为电流源，电流源激励 波形为上节路仿真中得到的波

35、形；c） 在每个电流源处加上Delta冲击激励，定义PCB板上电流监视器（图8），1米法水平垂直电场场强接收天线（图9），通过场仿真得到相应的广义冲击响应；d） 通过实际激励信号的频谱最后合成实际工作情况下的响应。图9 开关管Delta冲击下，PCB板周边1米处信号的频谱（0- 18GHz）和1W激励下18GHz的远场方向图（下）2.2 天线对箱内电缆的EMS仿真本算例模型见图10。一个10米长、2米宽、1米高的铝 制箱体，上面有11条窄缝，单振子天线位于箱外1米处，工 作于100MHz-1GHz频带，电压源激励，0到1GHz频带上的 辐射功率线性从0至0.14mW，箱内敷设了一条2米长线束，

36、 包含单线和同轴线两种线缆，各自端口50欧姆接地。要求 天线辐照下线缆上的感应电压和电流。图10舱外振子天线辐射对舱内电缆的干扰此问题的难点是同轴线编织网与10米长箱体间巨大的 比例关系，对于场仿真算法来说，这势必导致网格数激增， 否则将影响仿真精度。加之箱体上狭窄的缝隙以及0.5mm 薄的铝壳，对于1GHz以下的频率，电磁波一定程度上仍可 以穿透铝壳的。为此，铝壳不能采用PEC，而需考虑其电 导率和厚度的影响，如果对其划分网格则会导致网格步长仅0.5mm。具体的仿真流程是：a） 单振子天线仿真，得出其全频带上宽带近场电流磁流分布；b） 将近场源加载到整个箱体上，对箱体上的窄缝和其内的同轴电缆

37、采用集总电路等效精简模型，避免了直接对这些细小的结构进行网格划分。得出天线对线缆的干扰（图11）。显然同轴线的屏蔽效能较单线高得多。图11单线和同轴线上所感应的干扰电流这些仿真案例可以适用于很多实际干扰的仿真：舰船上一部或多部天线工作在相同或不同的频段，它们工作时对甲板上或船舱内的线缆的耦合干扰分析。不但是舰载， 而且可以仿真车载、机载、星载和弹载等平台上的辐射敏感度。2.3 车载线缆EMI仿真悍马车中三种不同线缆：单线、同轴线和双绞线，其 上信号分别为正弦波（100kHz/0.26W ）、三角波（周期0.2us/7.5W）和差分方波（周期5us/0.4W）。模型见图12。两条路径包含了五条不

38、同的线型的线。图12 左为车与两天线束，右为10MHz的辐射场仿真中不但可以得出不同周期不同功率信号在空间中的辐射强度，而且还能够得出各线缆间的串扰，见图13。图13 双绞线上差分方波受到邻近信号的干扰2.4 雷击对机载线缆的EMS仿真对于飞机来说雷击属于有严重破坏力的自然现象。通 常我们采用美军标MIL-STD-464A进行仿真评估。其主要能 量集中在30MHz以下的频段。空客A320长宽高大约为37米、34米和12米，铝蒙皮厚1.5毫米。机舱内甲板上下各敷设了 两条电缆，一条是单线，另一条是同轴线，终端均接有50 欧姆电阻至甲板上。需要研究在直接雷击中飞机时，这四 条线缆上产生的瞬态电压和

39、电流。37米的机身与0.1毫米同 轴线屏蔽丝网间如此大的尺寸之比使得诸如FDTD、TLM这 类时域算法无法仿真。而诸如FEM、MoM、BEM等频域算 法则更是无法胜任，一是由于频域，二是因为网格病态。这里采用基于等效电路模型的所谓“细小EMC结构的精简模型”进行仿真21-22。用这些精简模型置换飞机蒙皮、玻璃窗上的屏蔽丝网、窗门与机身间的装配缝隙、同轴线等，启动基于TLM算法的时域求解器，结果见图14、15、16。图14 MIL-STD-464A雷击标准信号（左上）、击入击出点（右上）、门窗封条（左下）、线缆（右下）图15 机身蒙皮内外的瞬态表面电流图16 单线（左）和同轴线（右）上的瞬态感应

40、电流2.5 强电磁脉冲对车载线缆的EMS仿真悍马军车在EMP打击下车内线缆线束上所感应出来的瞬态冲击电压和电流（图17）。车窗采用金属丝网进行良好的屏蔽。下面左上图为悍马车在EMP脉冲照射下每个时刻的场分布，左下图示出去掉车顶盖后车内线缆及探针的位置，右上图为电缆上感应的电流，右下图给出了车内某一点处的感应电场值。图17 EMP辐照下车内空间及电缆上感应的瞬态电流2.6 电力电缆EMI仿真（10Hz-1GHz）图18 电力电缆、强谐波电流、电磁辐射频谱图18是强谐波50Hz三相交流电流，最上面示出直径为55.6mm的三相电力电缆横截面和实物照片。最下面为10Hz - 1GHz近电缆表面处的电场

41、场强。2.7 大功率变流器电磁兼容仿真图19 1.8米高变流机柜及其电磁辐射频谱功率为500kW，输入AC380V / 50Hz，输出AC450V / 400Hz，母排上的平均电流约1.25kA，大电流将在变流器 机柜周边产生强磁场，IGBT电流尖峰包含丰富的高频分量， 导致强辐射电场。采用CST EMS提取母排在机箱中的RLCG分布参数， 用CST DS仿真电原理图，得出有源器件上的噪声电流，基于非线性器件的线性化原理，分别采用CST EMS低频时域有限元求解器和CST MWS时域传输线矩阵求解器仿真变流器在正常工作状态下0-1MHz和1MHz-1GHz频段上的空间磁场和电场分布。图19中右

42、插图为低电平控制机柜中的电场强度（上为0-1MHz，下为1MHz-1GHz）。2.8 舰船天线布局仿真（1kHz - 100GHz）图20 CST MWS中算法及其覆盖的电尺寸采用目前先进完备的计算电磁算法，可以覆盖从长波直至毫米波的天线布局仿真。单台64GB计算机上全波算法可仿真电尺寸高达700个波长的载体。一般来说，超过500 个波长时，我们采用高频方法可以较好地得到天线的辐射特性和目标的散射特性。图20给出了目前CST软件提供的完整的天线布局解决方案。CST MWS共含12个算法和求解器，其中全波算法10个，高频算法2个。CST支持近场和远场源加载，支持GPU加速，使得仿真能力更加强大。

43、2.9 高速互连SI仿真图21 高速光电模块CDR，通过安装在背板上的交换矩阵实现在插卡间的快速切换，0-20GHz信号完整性问题图21是一个典型的高速互连实例。两块直立的插卡通过图中水平放置的背板相连，插卡与背板间则通过高速连接器物理相连。目前实用的传输速率已达20Gbit/s，所以要考虑0-40GHz频带下的信号完整性。40层的高速背板近1米长、80厘米宽，内含上百个差分对传输线，上千个过孔。图22 背板高速连接器的SI仿真图22是高速连接器对：采用CST MWS时域求解器对高速多芯连接器进行宽带全波仿真，得出宽带S参数；再在CST DS中搭建一对背靠背的这样的连接器，形成S参数级联网络，

44、得出右边曲线所示的传输特性。红色为仿真结果， 兰色为实测结果。图23 插卡-连接器-背板-连接器-插卡的SI仿真插卡-连接器-背板-连接器-插卡：采用CST MWS时域求解器对各段进行宽带全波仿真，得出各自的宽带S参数； 再在CST DS中将这些S参数级联成一个子通路，得出左边曲线所示的完整通路的传输特性。图24 完整传输通道上的SI仿真最后，在CST DS中搭建完整的交换器电路（图24）， 输入PRBS伪随机码流，分析输出眼图，给出通道带宽和误码率信息。3 结论以上简要介绍了目前常用电磁算法，并根据它们各自在实际仿真中所体现出的优劣，对实际电磁兼容问题进行了分级分类。列举了大量实用仿真案例，

45、覆盖国防领域电磁兼容的各个方面。充分体现了数值仿真技术在对复杂电磁兼容问题进行精确仿真预估中的广阔前景。参 考 文 献1 Shogo MIYATA, Yoshiki KAYANO, and Hiroshi INOUE , “EM Radiation through Aperture of Metallic Enclosure with a PCB inside” APEMC, pp. 658-661, May. 20082 Huanghui Shen, Zhensong Wang, and Weimin Zheng, “PCB Level SI Simulation Based on IBIS

46、 Model for High- speed FPGA System”, ICEMI, pp. 75-79, 20093 Burghart, T.; Rossmanith, H.; Schubert, G., Evaluating the RF-emissions of automotive cable harness, Electromagnetic Compatibility, 2004. EMC 2004. 2004 International Symposium on Volume 3, 9-13 Aug. 2004 Page(s):787 - 791 vol.34 Schwark,

47、M.; Junge, A.; Kebel, R., VHF Interference Measurements on Cable Harnesses in Passenger Cabins of Airplanes, Electromagnetic Compatibility, IEEE Transactions on Volume 50, Issue 3, Part 1, Aug. 2008 Page(s):536 5415 Rebholz, H.; Tenbohlen, S., A fast radiated emission model for arbitrary cable harness configurations based on measurements and simulations Electromagnetic Co