系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念1.

基本物理概念1系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念電磁算法簡介系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程總結(jié)目

錄1.

基本物理概念2系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念電磁算法簡介系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程總結(jié)目

錄“系統(tǒng)級”一個多元概念全機收發(fā)信機干擾冗余度天線間互耦電氣總成中線束間的XT不同的行業(yè)、不同的專業(yè)背景有著不同的“系統(tǒng)級”定義自兼容：SI/PI/XT/EMI他兼容：CE/RE/CS/RS3系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念廣義電磁兼容：不需要的電磁效應(yīng)就是EMC問題印刷電路板PCB上走線間的相互串擾XT變頻電源對收音機的干擾EMI手機對人體的熱效應(yīng)SAR天線布局、收發(fā)信機間干擾雷擊瞬態(tài)電流沖擊破壞電子設(shè)備的正常工作核爆時強電磁脈沖的瞬態(tài)效應(yīng)EMP等等均屬于電磁兼容研究的范疇覆蓋極其寬泛的現(xiàn)象，只要涉及到“E”和/或“M”：CE/CS/RE/RS/SI/PI/TDR/ESD/Lightning/EMP/HIRF/SE/SSN/EMS/EMI/SAR/HAC/AntennaPlacement/RxTx

Interference…EMC的焦點就是敏感對象

–這永遠是EMC關(guān)注目標4系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念廣義EMC概念電尺寸度量準則當D/

<<1時，電路理論足夠精確否則，電路理論必須代之于電磁場理論這就是矛盾的統(tǒng)一。猶如：牛頓定律vs愛因斯坦相對論當物體運動速度<<光速時，牛頓定律足夠精確否則，牛頓定律必須代之于相對論理論表象vs分析精度電路理論下的多重表象和分析方法隨著頻率的增高而無法解釋和精度下降，如SSN/接地電磁場理論下現(xiàn)象的唯一性但隨著頻率的下降而無法快速求解，求解噪聲增加導致精度下降，如CE5系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念頻率決定分析方法何時用場？何時用路？可以用路理論的必要條件：物理對象的電尺寸遠小于波長，如<1/100必須用場理論的充分條件：物理對象的電尺寸可以與波長相比擬，如>1/101/100～10為絕大多數(shù)電類工程師的場路混用“模糊區(qū)”電力電子總是毫無例外地沿用傳統(tǒng)的路理論，還很精確

電路行為級用路：因為三極管電尺寸遠小于波長高速連接器工程師則沒有這么幸運，不得不采用惱人的場理論

微波工程師仍happily用著熟悉的場理論來做其微波電路

THz芯片用場（如太陽能電池）：因為芯片電尺寸已經(jīng)大于波長場還是路？頻率來決定路理論場理論110 100 1000 100001/101/100001/1000

1/100物理對象的電尺寸場路混用電子6系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念電工自控通訊微波窄帶還是寬帶有嚴格定義嗎？帶寬大小并沒有嚴格意義上的定義廣播通訊工程師認為：10%以上就是寬帶，如調(diào)頻97.7-98.1MHz，0.4/97.9=0.4%的帶寬；又如調(diào)幅帶寬為20kHz/535kHz=3.7%火控雷達工程師認為：30%以上是寬帶，如1.5/10GHz=15%帶寬電子對抗工程師認為：100%才算寬帶，如戰(zhàn)場半徑內(nèi)的壓制式干擾近乎100%的壓制帶寬電磁兼容工程師認為：EMC永遠是寬帶的！因為它總是倍頻程的為什么要區(qū)別窄帶和寬帶呢？實物測試|數(shù)值仿真：脈沖發(fā)生器vs掃頻儀

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時域算法vs頻域算法無源器件vs有源器件：天線、連接器

vs

混頻器、放大器無源器件S參數(shù)測試：脈沖發(fā)生器（時域）vs

掃頻儀（頻域）有源器件小信號S參數(shù)測試：同上

（基于線性化條件）有源器件大信號響應(yīng)測試：只能采用時域方法，因為非線性7系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念帶寬與時域頻域的關(guān)系實測中的時域

vs

頻域頻譜分析儀DUT2f/HzS21(f)掃頻源1 DUT2f/HzS21(f)頻譜分析儀S參數(shù)測量的時域方法脈沖發(fā)生器 1優(yōu)點：測量速度快；缺點：需要高速采樣示波器和頻譜儀S參數(shù)測量的頻域方法優(yōu)點：直觀易懂，省儀器；缺點：對于寬帶S參數(shù)測試測試時間長8系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念仿真中的時域

vs

頻域FFTDUT沖擊激勵

12f/HzS21(f)點頻信號1 DUT2f/HzS21(f)FFTS參數(shù)數(shù)值仿真的時域方法優(yōu)點：仿真速度快，算法本身效率高；缺點：邊帶有誤差、不適用于窄帶仿真。S參數(shù)數(shù)值仿真的頻域方法優(yōu)點：概念直觀易懂，網(wǎng)格自適應(yīng)；缺點：算法耗費資源大，不適應(yīng)于寬帶仿真。時域電磁電路算法頻域電磁電路算法9系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念實測

vs

仿真ShieldedPCBw/

cableBarePCBw/

cableReducedlowfrequency

emissionsIncreasedhighfrequencyemissions10系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念BarePCBw/

cableShieldedPCBw/

cableSimulated

emissionsCourtesyofContinentalCo

Ltd實測與仿真完全吻合是不現(xiàn)實的仿真是定性的和趨勢性的抓住主要矛盾是關(guān)鍵仿真能為定位EMC問題提供思路絕大多數(shù)EMC工程師僅有電路背景絕大多數(shù)EMC工程師沒有EMC測試經(jīng)驗幾乎所有EMC工程師沒有計算電磁學背景大學沒有EMC專業(yè)，而EMC已經(jīng)成為強制標準實測只能給出表象，整改是治表不治本，費時又費財仿真是一條必由之路、、、低頻段：路概念，經(jīng)典手段：接地、屏蔽、濾波高頻段：場概念，經(jīng)典手段不再這么奏效！真正知其所以然的EMC工程師一定需要電磁場和電磁波的專業(yè)背景知識，否則絕大多數(shù)僅知其然而不知其所以然，尤其是在解決高頻輻射和輻照問題時11系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念EMC仿真尚處于啟蒙階段1.

基本物理概念12系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念2.

電磁算法簡介系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程總結(jié)目

錄計算電磁學基本概念13系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念兩大類電磁算法：全波、高頻全波：FDTD,

FITD,

TLM,

FEM,

MoM,MLFMM高頻：GO,

PO,PTD,

GTD,UTD,

SBR兩個計算域分類：時域、頻域兩類算法的應(yīng)用范圍和優(yōu)劣兩種計算域應(yīng)用范圍和優(yōu)勢近似算法2D/2.5Dvs

3D電路vs電磁準靜vs全波精度保障條件是什么？時域、頻域采用解析公式一次求解整機EMC問題

–

不可行采用數(shù)值算法一次仿真整機EMC問題

–

同樣不可行電尺寸決定分析方法、決定電磁算法類型通信設(shè)備屬于1000波長以下，所以需采用全波電磁算法1-1000波長內(nèi)全波電磁算法FDTD、FEM、MoM、、、在仿真精度一定的條件下，F(xiàn)DTD、FEM、MoM三者的仿真速度和內(nèi)存分別正比于網(wǎng)格數(shù)N的1、2、3次方計算機資源總是有限的，可用的內(nèi)存資源和可以忍受的仿真時間是現(xiàn)實邊界條件

所以，基于電尺寸或更精確地說網(wǎng)格數(shù)的電磁仿真分級成為必然：板級、機箱級、線纜線束級、整機級同時還要兼顧電路工程師和電磁工程師的知識背景14系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念張敏

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上海交通大學

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電子信息與電氣工程學院

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min.zhang@電磁仿真的分級概念高頻方法PO/GTD/UTD/RT/SBR低頻方法FDTD/FIT/TLM/FEM/MoM/BEM/MM/MLFMA通常，效率越高的算法，應(yīng)用范圍就越窄世界上尚無精度高、內(nèi)存低、速度快、且適用于所有情況的電磁算法，沒有萬能算法！電尺寸決定算法1101001000電尺寸D/波長MoMFEM15系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念PO/UTD/GO/SBRFDTD/FIT時域時域+自回朔濾波器頻域模式分析16系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念帶寬逐漸增大，Q值逐漸減小一般情況下，時域算法適用于寬帶問題仿真，頻域算法適用于窄帶問題，而模式分析則對超窄帶和點頻問題最適用。帶寬決定分析域1.

基本物理概念17系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念2.

電磁算法簡介3.

系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程4.

總結(jié)目

錄“電尺寸”的定義：被仿真物體的幾何線度（D）除以所討論最高頻率對應(yīng)的波長（L），即d=D/L就稱作為該物體的電尺寸。無量綱。通常稱之為xx個波長當金屬物體的電尺寸與波長相比擬時，該物體開始呈現(xiàn)較強的電磁輻射；當電尺寸等于大于半個波長時，該物體的輻射明顯加強當金屬物體的電尺寸遠小于波長時（d<<1），則其周邊主要呈現(xiàn)感應(yīng)場，即輻射場成分極低；該遠場輻射強度與其長度成線性正比關(guān)系當金屬物體的電尺寸遠大于波長時（d>>1），則其周邊主要是輻射場，遠場輻射強度正比于單位長度上的輻射強度任何電磁輻射的充要條件是帶電粒子做加速度運動。加速度越強，則輻射越強場點距源點小于一個波長處，主要是感應(yīng)場，稱之為近場；大于10個波長的區(qū)域中主要是輻射場，稱之為遠場；處于遠近場之間的為感應(yīng)輻射混合場區(qū)無源器件是“隨從”于有源器件的，隨著源的變化而變化，其變化規(guī)律則有麥克斯韋和基爾霍夫所規(guī)范。所以只要確定有源器件的特性，則整個系統(tǒng)的電磁特性就確定了有源器件包含：二極管、三極管、開關(guān)管、芯片、數(shù)模模塊、電源、壓控流控源等等18系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念電磁輻射的基本準則具體華為EMC的考慮19系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念首先自兼容（功能），再他兼容（質(zhì)量）自兼容SI/PI/SSN/XT/ESD/…經(jīng)典他兼容，涉及四方面問題大多穩(wěn)態(tài)問題：限值和效應(yīng)為頻譜曲線，如30MHz-6GHz的RE限值少量瞬態(tài)問題：瞬態(tài)沖擊效應(yīng)，ESD、雷電、擊穿、EMP等（時域）“C”采用電路算法仿真，“R”則必須采用電磁算法仿真C傳導（路）R輻射（場）E（發(fā)射）CERES（敏感度）CSRS放之四海而皆準：電磁輻射的充要條件是帶電粒子作加速度運動電流大、或頻率高、或電流既大且頻率又高的載流體是輻射源輻射看電流，而不是電壓。電壓再高但沒有電流，仍然是沒有輻射的Good

to

know：載流1mA一個波長的長直導線1米處的場強約為0dBV/m電流和頻率是構(gòu)成輻射源的兩個充要條件20系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念電流大小以限值為準，頻率高低以電尺寸為準，只有相對，無絕對包含芯片、印制板、線束的電磁輻射具有明顯的雜散特性必須采用全波電磁算法，而這類算法均需劃分網(wǎng)格由于趨膚效應(yīng)，故低頻可以忽略精細結(jié)構(gòu)，但金屬不再能屏蔽；而高頻時卻恰恰相反，可以將金屬視為PEC，而不可忽略精細結(jié)構(gòu)，如孔縫、搭接、屏蔽絲網(wǎng)、面板插座、指示燈、液晶顯示器等。1kHz銅的趨膚深度為2mm低頻時可采用準靜算法，但高頻時必須采用全波算法，10MHz為分水嶺系統(tǒng)級EMC預設(shè)計概念準備低頻高頻小電流無關(guān)緊要電場占優(yōu)大電流磁場占優(yōu)重點考慮系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程121系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念低壓大功耗高速芯片的輻射：基于CPM和CSM模型，無論陶瓷還是金屬殼封裝，采用全波電磁算法得到寬帶近場源，用于精細芯片結(jié)構(gòu)與印制板和機箱結(jié)構(gòu)間的去耦，以避免系統(tǒng)矩陣的嚴重病態(tài)和矩陣維度的激增印制板的輻射：抓住主要矛盾（大電流高頻率trace），切忌胡子眉毛一把抓，整板仿真是行不通的！試想A

vs

uA，輻射與電流的平方成正比，uA還需考慮嗎？如過流保護電路。純原理圖路仿真

vs

含PCB寄生參數(shù)的原理圖路仿真

得到有源器件上的電流波形（穩(wěn)態(tài)）

電流源置換有源器件作為激勵源X

以下分高低頻段低頻段：采用平面準靜算法提取PCB的分布參數(shù)模型，包含所有無源器件，在上述X的激勵下進行物理層路仿真，得出近場源，注：此時忽略了印制板邊緣輻射；高頻段：采用三維時域全波電磁算法直接對三維PCB結(jié)構(gòu)（全三維trace、散熱片、屏蔽隔板、無源器件等）進行仿真，得出沖擊響應(yīng)下的印制板近場源，此時包含了PCB邊緣等所有輻射源；或者直接帶機殼得出輻射廣義傳遞函數(shù)，再由X反歸一得出最終的印制板加機殼的輻射場強整個機箱保留所有結(jié)構(gòu)，除了芯片和印制板被刪除而代之以相應(yīng)的近場源，采用三維全波電磁算法進行輻射仿真。分真實近場源和廣義傳遞函數(shù)近場源系統(tǒng)級EMC預設(shè)計思路和流程222系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念機箱和線纜及連接器均屬無源器件，不是源，而是傳播途徑，近場源和端口電流是它們的源機箱內(nèi)線纜的輻射：線纜分高頻和低頻，高頻通常為同軸線，且屏蔽良好，絕大多數(shù)線纜輻射均是1GHz以下信號線或控制線的低頻輻射。故采用準靜電磁算法進行分布參數(shù)提取，搭建線纜原理圖進行路仿真，得出近場源，加上三維機箱結(jié)構(gòu)，通過廣義傳遞函數(shù)得出任意端口信號下機箱內(nèi)線纜對外的電磁輻射，一氣呵成。同理完成電磁輻照雙向RE/RS仿真機箱外線纜線束的電磁輻射和輻照的仿真完全同上流程另一種思路：先得出機箱屏效SE，所有上述芯片、印制板、線纜均在無機箱下仿真得到輻射強度，最后減去SE。注意：此方法成立的前提是機箱對所有的近場源只構(gòu)成微擾且遠離機箱電磁諧振的激發(fā)當一捆粗狂線束已經(jīng)占據(jù)了相當?shù)臋C箱空間時，基于微擾的電磁輻照算法將不再適用，必須采用自洽的全波電磁算法高頻段時精細的電磁泄漏結(jié)構(gòu)是不能忽略的，不劃分網(wǎng)格的、帶有統(tǒng)計特性的“精簡模型”是解決全波精確仿真vs病態(tài)方程的有效方法系統(tǒng)級EMC性能評估準則23系統(tǒng)級EMC預設(shè)計理論與概念金屬機箱的屏效大約在20-40dB，非金屬機殼（ABS、CF）不加金屬噴涂層的話則SE很低，CF略優(yōu)于ABS。噴涂層厚度和磨損直接影響SE高頻：金屬機箱內(nèi)輻射源（印制板、線纜等）遠低于設(shè)備外接線的輻