【導(dǎo)讀】隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和密集度的提高以及設(shè)計(jì)周期的不斷縮短，在設(shè)計(jì)周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問(wèn)題變得越來(lái)越不切合實(shí)際。在較高的頻率下，你通常用來(lái)計(jì)算EMC的經(jīng)驗(yàn)法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗(yàn)法則。
70% ~ 90%的新設(shè)計(jì)都沒(méi)有通過(guò)第一次EMC測(cè)試，從而使后期重設(shè)計(jì)成本很高，如果制造商延誤產(chǎn)品發(fā)貨日期，損失的銷售費(fèi)用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問(wèn)題，設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮在設(shè)計(jì)過(guò)程中及早采用協(xié)作式的、基于概念分析的EMC仿真。
較高的時(shí)鐘速率會(huì)加大滿足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領(lǐng)域，機(jī)殼諧振次數(shù)增加會(huì)增強(qiáng)電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問(wèn)題；專用集成電路（ASIC）散熱片也會(huì)加大電磁輻射。此外，管理機(jī)構(gòu)正在制定規(guī)章來(lái)保證越來(lái)越高的頻率下的順應(yīng)性。再則，當(dāng)工程師打算把輻射器設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中時(shí)，對(duì)集成無(wú) 線功能（如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMax、UWB）這一趨勢(shì)提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法
正常情況下，電氣硬件設(shè)計(jì)人員和機(jī)械設(shè)計(jì)人員在考慮電磁兼容問(wèn)題時(shí)各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們?cè)谠O(shè)計(jì)期間經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)法則，希望這些法則足以滿足其設(shè)計(jì)的器件要求。在設(shè)計(jì)達(dá)到較高頻率從而在測(cè)試中導(dǎo)致失敗時(shí)，這些電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)則有不少變得陳舊過(guò)時(shí)。
在設(shè)計(jì)階段之后，設(shè)計(jì)師制造原型并對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試。當(dāng)設(shè)計(jì)中考慮電磁兼容性太晚時(shí)，這一過(guò)程往往會(huì)出現(xiàn)種種EMC問(wèn)題。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行昂貴的修復(fù)通常是唯一可行的選擇。當(dāng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入具體設(shè)計(jì)再到驗(yàn)證階段時(shí)，設(shè)計(jì)修改常常會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。所以，對(duì)設(shè)計(jì)作出一次修改，在概念設(shè)計(jì)階段只耗費(fèi)100美元，到了測(cè)試階段可能要耗費(fèi)幾十萬(wàn)美元以上，更不用提對(duì)面市時(shí)間的負(fù)面影響了。
電磁兼容仿真的挑戰(zhàn)
為了在實(shí)驗(yàn)室中一次通過(guò)電磁兼容性測(cè)試并保證在預(yù)算內(nèi)按時(shí)交貨，把電磁兼容設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品生產(chǎn)周期不可分割的一部分是非常必要的。設(shè)計(jì)師可借助麥克斯韋（Maxwell）方程的3D解法就能達(dá)到這一目的。麥克斯韋方程是對(duì)電磁相互作用的簡(jiǎn)明數(shù)學(xué)表達(dá)。但是，電磁兼容仿真是計(jì)算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見的難題。
典型的EMC問(wèn)題與機(jī)殼有關(guān)，而機(jī)殼對(duì)EMC影響要比對(duì)EMC性能十分重要的插槽、孔和纜線等要大。精確建模要求模型包含大大小小的細(xì)節(jié)。這一要求導(dǎo)致很大的縱橫比（最大特征尺寸與最小特征尺寸之比），從而又要求用精細(xì)柵格來(lái)解析最精細(xì)的細(xì)節(jié)。壓縮模型技術(shù)可使您在仿真中包含大大小小的結(jié)構(gòu)，而無(wú)需過(guò)多的仿真次數(shù)。
另一個(gè)難題是你必須在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計(jì)算電磁場(chǎng)所需的時(shí)間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法（TLM）等的時(shí)域方法可在時(shí)域內(nèi)采用寬帶激勵(lì)來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)，從而能在一個(gè)仿真過(guò)程中得出整個(gè)頻段的數(shù)據(jù)。空間被劃分為在正交傳輸線交點(diǎn)處建模的單元。電壓脈沖是在每一單元被發(fā)射和散射。你可以每隔一定的時(shí)間，根據(jù)傳輸線上的電壓和電流計(jì)算出電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
EMC仿真可得出精確的結(jié)果。圖1對(duì)裝在一塊底板上的三種模塊配置（即1塊、2塊和3塊模塊）的輻射功率計(jì)算值（紅色）與輻射功率實(shí)測(cè)結(jié)果（藍(lán)色）進(jìn)行了比較。輻射功率計(jì)算值以1nw 為基準(zhǔn)，單位為dB 。你可以把多個(gè)模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測(cè)量中難以將多個(gè)模塊精確對(duì)準(zhǔn)。值得注意的是，由于三種配置的輸入功率都相同，所以輻射功率的諧振峰值和幅度的差異僅僅是由于系統(tǒng)布局不同引起的。
圖1：裝在一塊底板上的三種模塊配置的輻射功率計(jì)算值（紅色）與輻射功率實(shí)測(cè)結(jié)果
潛在應(yīng)用領(lǐng)域
EMC仿真可用于檢測(cè)元件和子系統(tǒng)，如散熱器接地的輻射分布對(duì)頻率特性影響，也可用于評(píng)價(jià)接地技術(shù)、散熱器形狀的影響及其它因數(shù)。此外，你還可比較不同通風(fēng)口尺寸與形狀以及金屬厚度的屏蔽效果。在該領(lǐng)域的最新應(yīng)用中，有一項(xiàng)研究工作是對(duì)采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過(guò)放置兩塊背靠背間隔很小的板來(lái)達(dá)到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評(píng)估。
EMC仿真也適用于系統(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以便計(jì)算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖、用來(lái)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)式測(cè)量情況的柱形近場(chǎng)電磁輻射以及用以實(shí)現(xiàn)可視化，有助于確定電磁兼容熱點(diǎn)位置的電流和電磁場(chǎng)分布。典型的系統(tǒng)級(jí)EMC應(yīng)用有：確保最大屏蔽效果的機(jī)殼設(shè)計(jì)，機(jī)殼內(nèi)元件分布位置的EMC 效果評(píng)估，系統(tǒng)內(nèi)外纜線耦合的計(jì)算以及纜線輻射效果的檢測(cè)。EMC仿真還有助于發(fā)現(xiàn)有害電磁波在機(jī)殼和子系統(tǒng)中的機(jī)理，如空腔諧振，穿過(guò)孔、插槽、接縫和其他機(jī)座開口處的電磁輻射，通過(guò)纜線的傳導(dǎo)輻射，與散熱器、其他元件的耦合，以及光學(xué)元件、顯示器、LED和其他安裝在機(jī)座上的元件固有的寄生波導(dǎo)。
接頭類型對(duì)EMC 的影響
你可以使用簡(jiǎn)單而快速建立的機(jī)殼模型來(lái)進(jìn)行接縫配置方面的設(shè)計(jì)折衷。圖2對(duì)對(duì)接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機(jī)殼接縫產(chǎn)生的輻射作出評(píng)估。通過(guò)比較相對(duì)的屏蔽水平，工程師就可以根據(jù)機(jī)殼的EMC預(yù)算和實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)配置的成本來(lái)做出決定。仿真過(guò)程中增加內(nèi)部元件僅僅對(duì)仿真時(shí)間產(chǎn)生很小的影響，所以設(shè)計(jì)師可以方便地在引起插槽諧振間耦合、諧振腔模式以及與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的交互作用的真實(shí)環(huán)境下對(duì)接縫屏蔽效果進(jìn)行評(píng)估。插槽泄漏的設(shè)計(jì)規(guī)則不適用于以上幾個(gè)因素，會(huì)導(dǎo)致成本高昂的過(guò)設(shè)計(jì)和欠設(shè)計(jì)。
圖2：對(duì)接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機(jī)殼接縫產(chǎn)生的輻射的評(píng)估
圖3：具有圓孔或方孔的不同厚度通風(fēng)板的屏蔽效果的計(jì)算結(jié)果
EMC仿真的典型應(yīng)用是評(píng)估通風(fēng)板的屏蔽效果。現(xiàn)在雖然有防止EMC泄漏的通風(fēng)板設(shè)計(jì)規(guī)則，但EMC仿真能精確地預(yù)測(cè)比較特殊的結(jié)構(gòu)，如具有大洞的背靠背通孔板、波導(dǎo)陣列等，并兼顧溫度和成本約束條件。圖3示出了具有圓孔或方孔的不同厚度通風(fēng)板的屏蔽效果的計(jì)算結(jié)果。該圖展示了這些通風(fēng)板厚度（左）和孔形狀（右）的屏蔽效果。
散熱器輻射的評(píng)估
圖4所示的EMC 仿真應(yīng)用可確定一個(gè)散熱器的電磁輻射。在這一簡(jiǎn)單模型中，一個(gè)就在該散熱器下面的寬帶信號(hào)源激勵(lì)散熱器，顯示了散熱器與其所連接的IC之間的電磁耦合作用。該圖示出了三種配置的輻射功率譜。很明顯，輻射電平與幾何形狀和頻率有關(guān)。雖然較小的散熱器接地可降低頻段低頻部分的輻射，但會(huì)使頻段中頻部分的輻射增大。
圖4：EMC 仿真應(yīng)用可確定一個(gè)散熱器的電磁輻射
