什么是電磁兼容仿真

高性能計算機技術(shù)和軟件工程的飛速發(fā)展，為虛擬仿真現(xiàn)實世界的物理現(xiàn)象提供了可能。所謂軟件仿真，就是將各種現(xiàn)實世界的物理現(xiàn)象和自然規(guī)律，歸納為數(shù)學方程和公式，再利用軟件編程，轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)值計算問題進行模擬的過程。從1960年美國加州大學伯克利分校誕生的第一個SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）程序開始，電子仿真軟件（EDA）仿真幾乎伴隨著計算機和芯片技術(shù)的發(fā)展同步發(fā)展。1985年隨著ANSYS公司（前Ansoft公司）第一款電磁場有限元仿真軟件HFSS誕生，使用仿真軟件模擬電路工作狀態(tài)和電磁場傳播特性，仿真電磁兼容問題成為可能。

電磁兼容本身包含兩個概念：電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）。電磁干擾（EMI）是指由電磁現(xiàn)象引起的設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾又分為傳導干擾和輻射干擾兩種：傳導干擾是指通過導電介質(zhì)把信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡；輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡，當頻率高到信號線長度可比擬于信號波長時，輻射現(xiàn)象就比較顯著，從而產(chǎn)生電磁輻射干擾。電磁兼容（EMC）是在有限的空間、時間和頻譜資源下，各種設備共存而又不致引起性能降級的科學。

目前電磁兼容的標準分為國際標準、地區(qū)標準、國家標準、以及行業(yè)標準。國際標準包括國際標準化組織（ISO）標準，國際電工委員會（IEC）標準，和國際電工委員會無線電干擾特別委員會（CISPR）標準。地區(qū)標準如歐盟歐洲經(jīng)濟委員會法規(guī)（ECE Regulation）標準，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）標準，日本民間干擾控制委員會（VCCI）標準。國家標準主要包括中國標準化管理委員會（SAC）制訂的 GB 國標相關(guān)標準以及國防科學技術(shù)工業(yè)委員會制定的軍用設備標準 GJB。行業(yè)標準包括家電行業(yè)電磁兼容標準，汽車零部件和整車電磁兼容標準等。無論何種電磁兼容標準，目前電磁兼容的驗證主要依賴原型樣機測試認證。目前的電磁兼容測試認證包括了傳導發(fā)射（CE），傳導敏感度（CS），輻射發(fā)射（RE），和輻射敏感度（RS）測試。

電磁兼容問題，由于目標的尺寸和工作模式、頻率不同，電磁噪聲產(chǎn)生和傳播的機理有很大不同。電磁兼容仿真軟件無論在仿真規(guī)模還是仿真精度上，目前和可預見的一段將來都無法取代測試。即便如此，在不同的尺度上，針對特定的問題，采用合適的電磁兼容仿真軟件并相互配合，提前預測待測設備的電磁輻射和兼容特性、定位問題的根源、并權(quán)衡各種改進

措施對系統(tǒng)電磁兼容性能改善的效果，可以大大節(jié)省測試和定位解決問題的時間和成本，并有效提升系統(tǒng)的電磁兼容特性。更重要的是，通過電磁場兼容仿真軟件的學習使用，可以非常直觀并有效的了解電磁兼容產(chǎn)生的機理和電磁噪聲傳播的方式，從而加深對電磁兼容問題的理解，從設計之初就重視并采取合理的設計規(guī)范。避免電磁兼容問題在最后樣機測試認證或?qū)嶋H工作時刻發(fā)生。

電磁兼容仿真軟件的分類

電磁兼容的仿真軟件，從算法上大體上分為兩類：一類以等效電路法，或者經(jīng)驗公式、經(jīng)驗規(guī)則檢查類的軟件；另外一類基于數(shù)值計算類的軟件，二者各有特點?；诘刃щ娐坊蚪?jīng)驗規(guī)則的電磁兼容仿真軟件，最大的特點是仿真速度快，使用相對簡單，但是對于仿真目標結(jié)構(gòu)，尺寸或工作方式有局限。這些軟件在以前計算機運算速度和內(nèi)存都比較有限，仿真軟件計算能力較低的時期比較流行。

數(shù)值計算類的電磁兼容仿真軟件，對仿真目標的結(jié)構(gòu)，尺寸等普適性要好的多，但主要問題是仿真速度慢，效率低。為了突破計算效率的瓶頸，一方面需要有更強大的計算機資源，另一方面在軟件算法方面進行突破。ANSYS公司的Ansoft系列電磁場和電路仿真軟件，針對電磁兼容問題，在部件級推出一系列針對性的電磁場和電路數(shù)值計算軟件，分別針對芯片和封裝，SiP和PCB電路，開關(guān)電源部件和系統(tǒng)，電機及其控制系統(tǒng)，線束線纜，機箱和屏蔽結(jié)構(gòu)，天線平臺等進行建模和分析。此外，ANSYS的HPC高性能計算技術(shù)，還可以自動將大規(guī)模仿真問題拆分到網(wǎng)絡上互聯(lián)的多臺計算機或大型計算機的各個計算節(jié)點并行仿真，突破單一計算節(jié)點CPU和內(nèi)存的限制，不僅極大地擴大了可仿真問題的規(guī)模增加很大，而且提高了仿真效率。

電磁兼容仿真根據(jù)仿真目標的尺寸和工作模式、頻率，分為多個層次的仿真。一般電磁兼容仿真包括四個層次：系統(tǒng)級，子系統(tǒng)級，設備級，部件級。

系統(tǒng)級

系統(tǒng)級

是指在整個待測設備整體的電磁兼容分析。系統(tǒng)級電磁兼容仿真主要研究系統(tǒng)設備布局中電磁隔離度評估，各個子系統(tǒng)電磁輻射指標分配，整機RCS等內(nèi)容。系統(tǒng)級的電磁兼容分析，重點在于電磁場定性分析，通常求解目標尺寸很大——從幾十米到幾十千米，要求電磁兼容仿真軟件有較強的高性能計算能力。

子系統(tǒng)級

是指在整機系統(tǒng)中相對獨立的各個分機或單元的電磁兼容分析，如伺服子系統(tǒng)，信號處理機子系統(tǒng)，二次電源子系統(tǒng)等。子系統(tǒng)級電磁兼容分析，起到承上啟下的作用 ―― 既關(guān)注從系統(tǒng)級分配的輻射指標 , 以及與其他子系統(tǒng)的相互干擾和電磁隔離度，也關(guān)注來自底層設備級和部件級的電磁輻射源、互聯(lián)／屏蔽濾波等部件，組合在一起產(chǎn)生的系統(tǒng)電磁輻射。子系統(tǒng)級的電磁兼容分析，求解的目標尺寸一般比系統(tǒng)級要小一些，重點在于電磁場混合算法集成——既有具備電大尺寸和高性能求解，同時能夠通過數(shù)據(jù)鏈接或特殊邊界條件設置，集成來自設備級和部件級的電磁場仿真數(shù)據(jù)，在具備求解一定規(guī)模尺寸問題的前提下，兼顧設備和部件的細節(jié)。

設備級

設備級電磁兼容仿真主要研究各個單機的電磁輻射特性，包括構(gòu)成單機的單板，電源，線纜和屏蔽機箱等，利用專用的電磁場和電路仿真軟件，對各個設備在各種工況下的電磁輻射值進行模擬分析。設備級電磁兼容分析，重點在于專用電磁場仿真工具和通用電磁場仿真工具的結(jié)合，電磁場仿真工具與電路系統(tǒng)仿真工具的結(jié)合。一方面，專用的電磁場仿真工具可以方便的對線束，封裝，電機，變壓器等三維結(jié)構(gòu)建?；蛘咛峁┓奖愕?a target="_blank">接口直接導入PCB版圖或連接器模型進行分析，并與通用電磁場仿真工具配合實現(xiàn)集成化仿真；另一方面，電路和系統(tǒng)仿真工具可以導入或者建立有源器件的SPICE或IBIS行為級模型，并設置工作頻率和工作模式，與不同電磁場工具配合，實現(xiàn)設備級電磁輻射分析。

部件級

部件級電磁兼容仿真研究PCB單板、電機、變壓器、開關(guān)電源電路、屏蔽結(jié)構(gòu)、線束線纜、連接器等各個部件的電磁輻射或屏蔽隔離特性。部件級電磁兼容仿真主要使用各種專用電磁場仿真工具，導入或者建立部件模型，仿真電磁傳播和屏蔽特性，對部件設計和選型提供參考依據(jù)。

ANSYS電磁兼容仿真解決方案

ANSYS的電磁仿真平臺包括：封裝和PCB電磁場仿真環(huán)境；線纜連接器電磁場仿真和參數(shù)提取環(huán)境；電機和變壓器電磁場仿真，機電控制系統(tǒng)設計仿真環(huán)境；機箱結(jié)構(gòu)屏蔽和子系統(tǒng)電磁場兼容仿真環(huán)境；靜電防護和雷擊等瞬態(tài)電磁場仿真環(huán)境；復雜平臺的系統(tǒng)級電磁兼容設計環(huán)境；第三方設計軟件接口；以及高性能計算、參數(shù)掃描與優(yōu)化，工程管理（EKM）等選項。這個平臺可以覆蓋目前電子設備中，各個部分電磁兼容仿真需要。

ANSYS電磁場仿真平臺包括的軟件模塊有：

電路、系統(tǒng)仿真工具Designer；

高速 PCB 和封裝電磁兼容仿真和優(yōu)化工具SIwave；

PCB 設計前和設計后的電磁兼容自動優(yōu)化工具PI_Advisor；

機電系統(tǒng)仿真工具Simplorer；

三維連接器和電纜電磁兼容仿真工具Q3D；

電源模塊建模工具PExpert；

電機和電源器件電磁場仿真工具Maxwell；

機箱結(jié)構(gòu)屏蔽和系統(tǒng)電磁場兼容仿真環(huán)境HFSS；

防靜電和雷擊可視化時域電磁場仿真工具HF-Transient；

自由空間電磁場積分和物理光學方程求解器HF-IE；

與第三方CAD和EDA設計工具之間的接口ALinks；

用于優(yōu)化、參數(shù)掃描和敏感度分析的模塊Optimetrics；

HPC高性能計算模塊，可以利用網(wǎng)絡上的多臺計算機資源加速仿真；

ANSYS EKM知識管理平臺，用戶化CAE數(shù)據(jù)/知識抽取和用戶化報告生成和歸檔。

ANSYS電磁兼容仿真軟件適用于進行航空、航天、船舶、車輛、機車、通信等行業(yè)電子系統(tǒng)中各類電磁兼容問題的研究，包括電子設備布局，PCB的信號完整性、電源完整性和電磁兼容協(xié)同設計優(yōu)化，機箱屏蔽效能和孔縫電磁泄露，線束線纜的耦合噪聲和電磁輻射，開關(guān)電源電磁干擾設計，天線雜散干擾和目標特性研究，雷擊和強電磁脈沖干擾防護，ESD防護等多各領(lǐng)域。仿真結(jié)果可以直接與GJB151A等測試標準進行對比，從而在虛擬樣機階段評估設計的電磁兼容裕量。ANSYS電磁兼容仿真軟件擁有如下突出特點：

多尺度多層次，通用工具與專用工具相結(jié)合，實現(xiàn)從封裝PCB到船舶衛(wèi)星的全系統(tǒng)仿真；

電磁場，電路與系統(tǒng)協(xié)同仿真，把握電磁兼容和電磁干擾中輻射源和傳播路徑仿真的關(guān)鍵點；

支持高性能計算，快速仿真大規(guī)模和寬帶復雜問題；

多物理場耦合仿真，協(xié)調(diào)電磁兼容與流體、散熱和結(jié)構(gòu)振動、應力等之間的關(guān)系。

ANSYS電磁兼容仿真方案，在技術(shù)層面上，包括了硬件設計全流程中的系統(tǒng)設計，電路設計和器件選型，從研究電磁兼容的關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，通過系統(tǒng)全面的仿真，解決電磁兼容和干擾問題，同時還兼顧散熱和結(jié)構(gòu)震動等多物理域可靠性設計；在流程層面，強調(diào)系統(tǒng)電磁兼容指標的合理分配，系統(tǒng)與器件的協(xié)同設計，電磁兼容設計流程的固化和設計仿真經(jīng)驗的積累；在實施部署上，能夠兼顧分散式個人設計模式和團隊設計模式，提供集中的基于高性能計算的仿真資源分配能力和基于分布式云存儲的仿真知識管理模式。
責任編輯：彭菁