什么是電磁兼容仿真

高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件工程的飛速發(fā)展，為虛擬仿真現(xiàn)實(shí)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(shí)世界的物理現(xiàn)象和自然規(guī)律，歸納為數(shù)學(xué)方程和公式，再利用軟件編程，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)值計(jì)算問題進(jìn)行模擬的過程。從1960年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校誕生的第一個(gè)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(jì)算機(jī)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(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾又分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種：傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)；輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)頻率高到信號(hào)線長(zhǎng)度可比擬于信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，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(shí)間和頻譜資源下，各種設(shè)備共存而又不致引起性能降級(jí)的科學(xué)。

目前電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)，和國(guó)際電工委員會(huì)無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）標(biāo)準(zhǔn)。地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)如歐盟歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)法規(guī)（ECE Regulation）標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）標(biāo)準(zhǔn)，日本民間干擾控制委員會(huì)（VCCI）標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要包括中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)（SAC）制訂的 GB 國(guó)標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)制定的軍用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn) GJB。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括家電行業(yè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，汽車零部件和整車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)等。無(wú)論何種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，目前電磁兼容的驗(yàn)證主要依賴原型樣機(jī)測(cè)試認(rèn)證。目前的電磁兼容測(cè)試認(rèn)證包括了傳導(dǎo)發(fā)射（CE），傳導(dǎo)敏感度（CS），輻射發(fā)射（RE），和輻射敏感度（RS）測(cè)試。

電磁兼容問題，由于目標(biāo)的尺寸和工作模式、頻率不同，電磁噪聲產(chǎn)生和傳播的機(jī)理有很大不同。電磁兼容仿真軟件無(wú)論在仿真規(guī)模還是仿真精度上，目前和可預(yù)見的一段將來(lái)都無(wú)法取代測(cè)試。即便如此，在不同的尺度上，針對(duì)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(yù)測(cè)待測(cè)設(shè)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(jìn)

措施對(duì)系統(tǒng)電磁兼容性能改善的效果，可以大大節(jié)省測(cè)試和定位解決問題的時(shí)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(chǎng)兼容仿真軟件的學(xué)習(xí)使用，可以非常直觀并有效的了解電磁兼容產(chǎn)生的機(jī)理和電磁噪聲傳播的方式，從而加深對(duì)電磁兼容問題的理解，從設(shè)計(jì)之初就重視并采取合理的設(shè)計(jì)規(guī)范。避免電磁兼容問題在最后樣機(jī)測(cè)試認(rèn)證或?qū)嶋H工作時(shí)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(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)規(guī)則檢查類的軟件；另外一類基于數(shù)值計(jì)算類的軟件，二者各有特點(diǎn)?；诘刃щ娐坊蚪?jīng)驗(yàn)規(guī)則的電磁兼容仿真軟件，最大的特點(diǎn)是仿真速度快，使用相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于仿真目標(biāo)結(jié)構(gòu)，尺寸或工作方式有局限。這些軟件在以前計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和內(nèi)存都比較有限，仿真軟件計(jì)算能力較低的時(shí)期比較流行。

數(shù)值計(jì)算類的電磁兼容仿真軟件，對(duì)仿真目標(biāo)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(jì)算效率的瓶頸，一方面需要有更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)資源，另一方面在軟件算法方面進(jìn)行突破。ANSYS公司的Ansoft系列電磁場(chǎng)和電路仿真軟件，針對(duì)電磁兼容問題，在部件級(jí)推出一系列針對(duì)性的電磁場(chǎng)和電路數(shù)值計(jì)算軟件，分別針對(duì)芯片和封裝，SiP和PCB電路，開關(guān)電源部件和系統(tǒng)，電機(jī)及其控制系統(tǒng)，線束線纜，機(jī)箱和屏蔽結(jié)構(gòu)，天線平臺(tái)等進(jìn)行建模和分析。此外，ANSYS的HPC高性能計(jì)算技術(shù)，還可以自動(dòng)將大規(guī)模仿真問題拆分到網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)或大型計(jì)算機(jī)的各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行仿真，突破單一計(jì)算節(jié)點(diǎn)CPU和內(nèi)存的限制，不僅極大地?cái)U(kuò)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(biāo)的尺寸和工作模式、頻率，分為多個(gè)層次的仿真。一般電磁兼容仿真包括四個(gè)層次：系統(tǒng)級(jí)，子系統(tǒng)級(jí)，設(shè)備級(jí)，部件級(jí)。

系統(tǒng)級(jí)

系統(tǒng)級(jí)

是指在整個(gè)待測(cè)設(shè)備整體的電磁兼容分析。系統(tǒng)級(jí)電磁兼容仿真主要研究系統(tǒng)設(shè)備布局中電磁隔離度評(píng)估，各個(gè)子系統(tǒng)電磁輻射指標(biāo)分配，整機(jī)RCS等內(nèi)容。系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容分析，重點(diǎn)在于電磁場(chǎng)定性分析，通常求解目標(biāo)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(qiáng)的高性能計(jì)算能力。

子系統(tǒng)級(jí)

是指在整機(jī)系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)分機(jī)或單元的電磁兼容分析，如伺服子系統(tǒng)，信號(hào)處理機(jī)子系統(tǒng)，二次電源子系統(tǒng)等。子系統(tǒng)級(jí)電磁兼容分析，起到承上啟下的作用 ―― 既關(guān)注從系統(tǒng)級(jí)分配的輻射指標(biāo) , 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(lái)自底層設(shè)備級(jí)和部件級(jí)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(jí)的電磁兼容分析，求解的目標(biāo)尺寸一般比系統(tǒng)級(jí)要小一些，重點(diǎn)在于電磁場(chǎng)混合算法集成——既有具備電大尺寸和高性能求解，同時(shí)能夠通過數(shù)據(jù)鏈接或特殊邊界條件設(shè)置，集成來(lái)自設(shè)備級(jí)和部件級(jí)的電磁場(chǎng)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(shè)備和部件的細(xì)節(jié)。

設(shè)備級(jí)

設(shè)備級(jí)電磁兼容仿真主要研究各個(gè)單機(jī)的電磁輻射特性，包括構(gòu)成單機(jī)的單板，電源，線纜和屏蔽機(jī)箱等，利用專用的電磁場(chǎng)和電路仿真軟件，對(duì)各個(gè)設(shè)備在各種工況下的電磁輻射值進(jìn)行模擬分析。設(shè)備級(jí)電磁兼容分析，重點(diǎn)在于專用電磁場(chǎng)仿真工具和通用電磁場(chǎng)仿真工具的結(jié)合，電磁場(chǎng)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(chǎng)仿真工具可以方便的對(duì)線束，封裝，電機(jī)，變壓器等三維結(jié)構(gòu)建模或者提供方便的接口直接導(dǎo)入PCB版圖或連接器模型進(jìn)行分析，并與通用電磁場(chǎng)仿真工具配合實(shí)現(xiàn)集成化仿真；另一方面，電路和系統(tǒng)仿真工具可以導(dǎo)入或者建立有源器件的SPICE或IBIS行為級(jí)模型，并設(shè)置工作頻率和工作模式，與不同電磁場(chǎng)工具配合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)電磁輻射分析。

部件級(jí)

部件級(jí)電磁兼容仿真研究PCB單板、電機(jī)、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(gè)部件的電磁輻射或屏蔽隔離特性。部件級(jí)電磁兼容仿真主要使用各種專用電磁場(chǎng)仿真工具，導(dǎo)入或者建立部件模型，仿真電磁傳播和屏蔽特性，對(duì)部件設(shè)計(jì)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(tái)包括：封裝和PCB電磁場(chǎng)仿真環(huán)境；線纜連接器電磁場(chǎng)仿真和參數(shù)提取環(huán)境；電機(jī)和變壓器電磁場(chǎng)仿真，機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真環(huán)境；機(jī)箱結(jié)構(gòu)屏蔽和子系統(tǒng)電磁場(chǎng)兼容仿真環(huán)境；靜電防護(hù)和雷擊等瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真環(huán)境；復(fù)雜平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)環(huán)境；第三方設(shè)計(jì)軟件接口；以及高性能計(jì)算、參數(shù)掃描與優(yōu)化，工程管理（EKM）等選項(xiàng)。這個(gè)平臺(tái)可以覆蓋目前電子設(shè)備中，各個(gè)部分電磁兼容仿真需要。

ANSYS電磁場(chǎng)仿真平臺(tái)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(shè)計(jì)前和設(shè)計(jì)后的電磁兼容自動(dòng)優(yōu)化工具PI_Advisor；

機(jī)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(jī)和電源器件電磁場(chǎng)仿真工具M(jìn)axwell；

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

防靜電和雷擊可視化時(shí)域電磁場(chǎng)仿真工具HF-Transient；

自由空間電磁場(chǎng)積分和物理光學(xué)方程求解器HF-IE；

與第三方CAD和EDA設(shè)計(jì)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(jì)算模塊，可以利用網(wǎng)絡(luò)上的多臺(tái)計(jì)算機(jī)資源加速仿真；

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

ANSYS電磁兼容仿真軟件適用于進(jìn)行航空、航天、船舶、車輛、機(jī)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(shè)備布局，PCB的信號(hào)完整性、電源完整性和電磁兼容協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化，機(jī)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(shè)計(jì)，天線雜散干擾和目標(biāo)特性研究，雷擊和強(qiáng)電磁脈沖干擾防護(hù)，ESD防護(hù)等多各領(lǐng)域。仿真結(jié)果可以直接與GJB151A等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，從而在虛擬樣機(jī)階段評(píng)估設(shè)計(jì)的電磁兼容裕量。ANSYS電磁兼容仿真軟件擁有如下突出特點(diǎn)：

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

電磁場(chǎng)，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(diǎn)；

支持高性能計(jì)算，快速仿真大規(guī)模和寬帶復(fù)雜問題；

多物理場(chǎng)耦合仿真，協(xié)調(diào)電磁兼容與流體、散熱和結(jié)構(gòu)振動(dòng)、應(yīng)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(shè)計(jì)全流程中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)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(shí)還兼顧散熱和結(jié)構(gòu)震動(dòng)等多物理域可靠性設(shè)計(jì)；在流程層面，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)電磁兼容指標(biāo)的合理分配，系統(tǒng)與器件的協(xié)同設(shè)計(jì)，電磁兼容設(shè)計(jì)流程的固化和設(shè)計(jì)仿真經(jīng)驗(yàn)的積累；在實(shí)施部署上，能夠兼顧分散式個(gè)人設(shè)計(jì)模式和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)模式，提供集中的基于高性能計(jì)算的仿真資源分配能力和基于分布式云存儲(chǔ)的仿真知識(shí)管理模式。
責(zé)任編輯：彭菁