前期基于仿真的EMC設計分析

隨著產品復雜性和密集度的提高以及設計周期的不斷縮短，在設計周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問題變得越來越不切合實際。在較高的頻率下，你通常用來計算EMC的經驗法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經驗法則。結果，70% ~ 90%的新設計都沒有通過第一次EMC測試，從而使后期重設計成本很高，如果制造商延誤產品發貨日期，損失的銷售費用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問題，設計師應該考慮在設計過程中及早采用協作式的、基于概念分析的EMC仿真。
　　較高的時鐘速率會加大滿足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領域，機殼諧振次數增加會增強電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問題；專用集成電路（ASIC）散熱片也會加大電磁輻射。此外，管理機構正在制定規章來保證越來越高的頻率下的順應性。再則，當工程師打算把輻射器設計到系統中時，對集成無線功能（如Wi-Fi、藍牙、WiMax、UWB）這一趨勢提出了進一步的挑戰。
　　傳統的電磁兼容設計方法
　　正常情況下，電氣硬件設計人員和機械設計人員在考慮電磁兼容問題時各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們在設計期間經常使用經驗法則，希望這些法則足以滿足其設計的器件要求。在設計達到較高頻率從而在測試中導致失敗時，這些電磁兼容設計規則有不少變得陳舊過時。
　　在設計階段之后，設計師制造原型并對其進行電磁兼容性測試。當設計中考慮電磁兼容性太晚時，這一過程往往會出現種種EMC問題。對設計進行昂貴的修復通常是唯一可行的選擇。當設計從系統概念設計轉入具體設計再到驗證階段時，設計修改常常會增加一個數量級以上。所以，對設計作出一次修改，在概念設計階段只耗費100美元，到了測試階段可能要耗費幾十萬美元以上，更不用提對面市時間的負面影響了。
　　電磁兼容仿真的挑戰
　　為了在實驗室中一次通過電磁兼容性測試并保證在預算內按時交貨，把電磁兼容設計作為產品生產周期不可分割的一部分是非常必要的。設計師可借助麥克斯韋（Maxwell）方程的3D解法就能達到這一目的。麥克斯韋方程是對電磁相互作用的簡明數學表達。但是，電磁兼容仿真是計算電磁學的其它領域中并不常見的難題。
　　典型的EMC問題與機殼有關，而機殼對EMC影響要比對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節。這一要求導致很大的縱橫比（最大特征尺寸與最小特征尺寸之比），從而又要求用精細柵格來解析最精細的細節。壓縮模型技術可使您在仿真中包含大大小小的結構，而無需過多的仿真次數。
　　另一個難題是你必須在一個很寬的頻率范圍內完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計算電磁場所需的時間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法（TLM）等的時域方法可在時域內采用寬帶激勵來計算電磁場，從而能在一個仿真過程中得出整個頻段的數據。空間被劃分為在正交傳輸線交點處建模的單元。電壓脈沖是在每一單元被發射和散射。你可以每隔一定的時間，根據傳輸線上的電壓和電流計算出電場和磁場。
　　EMC仿真可得出精確的結果。圖1對裝在一塊底板上的三種模塊配置（即1塊、2塊和3塊模塊）的輻射功率計算值（紅色）與輻射功率實測結果（藍色）進行了比較，（參考文獻1）。輻射功率計算值以1nw 為基準，單位為dB 。你可以把多個模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測量中難以將多個模塊精確對準。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布局不同引起的。