大系統(tǒng)強電磁脈沖綜合仿真解決方案

1、大系統(tǒng)強電磁脈沖綜合仿真解決方案一、必要性電磁兼容（EMC）已經(jīng)成為一個日益嚴重的環(huán)境污染源，這是因為：越來越多電器設(shè)備的投入使用IC時鐘頻率的越來越高輻射源輻射功率的增大設(shè)備抗干擾性的減弱無線通信的迅速發(fā)展諸如此類的原因使得同一環(huán)境中各種設(shè)備既能正常工作又互不干擾變得越 來越困難，同時這種電磁環(huán)境對人類的健康產(chǎn)生了越來越大的危害，系統(tǒng)（汽車、 飛機、艦船、導彈、衛(wèi)星等）中的機箱電磁泄露，設(shè)備之間的相互干擾導致彼此 的器件的誤動作，解決電磁兼容性問題已經(jīng)刻不容緩。解決電磁兼容性問題不能 只靠運氣和測試，測試的時間成本和費用成本都非常高，利用電磁分析工具可以 高效地解決電磁兼容問題，提高產(chǎn)品競爭

2、力。EMC問題成為電子設(shè)備設(shè)計流程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，并且貫穿設(shè)計流程 的各個階段。人們往往要將大量資金和時間花費在樣機生產(chǎn)和EMC測試的循環(huán) 流程中。而通常來說，整個測試需要花費很長的時間并要支付高額的測試費用， 不利于產(chǎn)品的快速研發(fā)。在90年代后期，國家已經(jīng)明確制訂了電子設(shè)備的電磁兼容性標準和規(guī)范以及 嚴格的認證措施，規(guī)范國內(nèi)外產(chǎn)品的電磁兼容性能。而傳統(tǒng)的設(shè)計流程依然遵循 經(jīng)驗設(shè)計一一樣機生產(chǎn)一一測試的模式，也就是常說的Try and Cut方法，一旦 測試不能通過，就必需按照設(shè)計流程重新開始！無疑，這樣做的代價是冗長的設(shè) 計周期和高昂的成本。在科學技術(shù)日益發(fā)展的今天，針對傳統(tǒng)設(shè)計模式解

3、決電磁兼容性問題的弊 端，利用計算機仿真技術(shù)在設(shè)計前期對系統(tǒng)電磁兼容性能進行模擬分析，即所謂 的design-level analysis，找出影響電磁兼容性能的關(guān)鍵因素，有針對性的加以 改進，將很多的設(shè)計風險扼殺在萌芽狀態(tài)，從而能大大縮短設(shè)計周期和節(jié)省設(shè)計 成本。二、選型分析目前國際上主流商業(yè) 機箱EMC的軟件有：美國Ansys公司旗下的ANSOFT-HFSS；美國REMCOM 公司的XFDTD；德國CST公司的CST MS工作室；在上述三款軟件中，HFSS是采用頻域有限元法(FEM)解決EMC問題。采 用有限元法，無法仿真超寬帶EMC問題，適合窄帶強諧振結(jié)構(gòu)仿真。在EMC分 析中，噪聲源非

4、常復雜，有限元法不能添加任意的激勵信號，因此無法真實模擬 外來諸多復雜噪聲源的影響。美國REMCOM公司的XFDTD采用時域有限差分法(FDTD)，能夠進 行寬帶仿真，時域算法可以仿真任意的激勵信號，軟件采用六面體網(wǎng)格，但對于 電磁兼容分析中的常常需要考慮的精細結(jié)構(gòu)沒有很好的算法，需要精確的網(wǎng)格剖 分才能求解，計算巨大系統(tǒng)模型中的精細結(jié)構(gòu)比較困難。采用的是強攻，即對所 有的模型需要劃分網(wǎng)格。在設(shè)備中常采取的各類屏蔽手段如導電橡膠、金屬絲網(wǎng)、 散熱孔縫等計算困難。CST的MS工作室采用先進的時域傳輸線矩陣法(TLM)，軟件首先用沖擊脈沖 作為激勵源，沖擊脈沖在時域的寬度趨于無限窄，從頻域來說，它

5、能覆蓋無限寬 的頻率范圍；當以這個沖擊脈沖來激勵整個系統(tǒng)時，在時域得到的將是此脈沖與 系統(tǒng)函數(shù)即h(t)的卷積，對應于頻域，結(jié)果將是系統(tǒng)函數(shù)H(s)與沖擊脈沖的頻域 響應的乘積，由此我們得到H(S)，即整個系統(tǒng)的頻域響應。由于以上的求解原理， 只需要一次求解就可以得到系統(tǒng)在整個頻域的響應，如系統(tǒng)的屏蔽效能曲線。軟 件采用八叉樹網(wǎng)格體系，并含有縫隙、搭接、通風孔、風扇、散熱片等精簡模型， 不需要精細的網(wǎng)格就可以處理系統(tǒng)中的這些精細結(jié)構(gòu)，這些精細結(jié)構(gòu)會對設(shè)備的 電磁兼容特性產(chǎn)生比較大的影響。另外，MS的時域算法特點，決定了軟件中可 以輸入任意的激勵信號來模擬外來的噪聲源。此外，CST還提供專業(yè)的部

6、件級、系統(tǒng)級、平臺級電磁兼容仿真軟件，全部集成在一個仿真計算平臺下，為后續(xù)構(gòu)建整個系統(tǒng)平臺的EMC全面解決方案打 下基礎(chǔ)。三、廠商比較美國Ansys公司旗下的ANSOFT-HFSS；美國REMCOM 公司的XFDTD；德國CST公司的CST MS工作室；在上述三款軟件中，HFSS無法仿真電大尺寸模型，頻域有限元算法所能計算 的最大電尺寸為50個波長，采用的四面體網(wǎng)格，需要對模型的每個細節(jié)部位都進 行網(wǎng)格剖分，計算復雜模型對計算機的內(nèi)存要求會非常高，計算速度會非常慢。 而且其頻域算法，只能逐個頻點仿真，采用插值的方法計算寬帶問題。美國REMCOM公司的XFDTD與MS兩者從字面上都是采用的時域算

7、法， 但它們采用的實際計算方法截然不同。這就導致了兩者在仿真上性能很不相同。 主要體現(xiàn)在：美國REMCOM公司的XFDTD是基于有限差分法，能夠計算電大尺寸模 型，并能計算寬帶問題，一次計算給出整個頻帶上的所有結(jié)果。但沒有精簡模型， 需用對結(jié)構(gòu)的細節(jié)部位進行精密的網(wǎng)格剖分，因而計及縫隙、搭接等精細結(jié)構(gòu)時 計算速度慢，計算量也很大。CST的MS工作室采用傳輸線矩陣法（TLM），能夠快速地得出整個系統(tǒng)的 電磁兼容特性，包含機箱的屏蔽效能等。傳輸線矩陣法是時域算法，可以輸入任 意的時域信號作為激勵信號來模擬EMC分析時復雜的噪聲源。適用于寬帶信號 頻段的仿真，換言之，一次仿真便得出整個帶寬內(nèi)的電磁特

8、性。適用于電大尺寸 模型的求解，且允許大模型中含有極小的細節(jié)部位，軟件中自帶精簡模型庫，可 以對縫隙、搭接、通風孔、散熱片、電纜等模型進行精簡建模仿真，不需要對精 簡模型進行網(wǎng)格剖分，可以快速的獲得這些精細部位對整個系統(tǒng)性能的影響。綜上所述，CSTMS工作室是一款非常完善的EMC分析工具，可以分析機箱、 機柜、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在整個頻帶上的各種電磁兼容特性。詳細比較參考表格：ANSYS/Ansoft： HFSSREMCOM： XFDTDCST： MS機箱屏蔽效能模塊及其算法HFSS -基于 FEMXFDTD -基于 FDTDMS -基于TLM和精簡模型仿真速度/ 精度/規(guī)模較慢/較高/較小較快/較

9、高/較大快/較高/大（三維負復雜模 型含精細結(jié)構(gòu)）仿真頻率 范圍0-40GHz0-40GHz0-100GHz操作用戶 友好性良優(yōu)，用戶上手很快，操 作簡單。優(yōu)，用戶上手很快，操作簡單。EMC局限 性由于HFSS基于FEM算法， 根本無法精確仿真帶有細小 搭接、散熱孔縫、Gasket燕 尾槽一類的電磁泄漏，這是 Ansys軟件在電磁兼容領(lǐng)域 中最為薄弱之處。幾乎無法真 正仿真帶有機箱機柜和線纜 線束在GJB151ARE102/RE103/RS103/RS105 所規(guī)定的頻段下的電磁輻射 和電磁敏感度。要考慮機箱內(nèi)板子的對外輻 射時，無法由SIwave直接給 出板子的電磁輻射，只能通過 導出板上的

10、窄帶電流給HFSS，由HFSS再仿真板子 加上機箱后的電磁輻射?；贔DTD算法，無法 精確仿真細小搭接、散 熱孔縫、Gasket燕尾槽 一類的電磁泄漏。CST MS采用TLM算法，是 專業(yè)的機箱機柜電磁仿真模 塊，在仿真機箱機柜上細小縫 隙、搭接、屏蔽薄膜、導電橡 膠等等電磁泄漏敏感結(jié)構(gòu)時 有著至今無法替代的強大功 能。要考慮機箱內(nèi)板子或者線纜 的對外輻射時，可以由PCBS （印制板分析軟件）直接給出 板子的電磁輻射，由CS （電 纜分析軟件）導出線纜的電流 分布，然后再在MS中加上機 箱等復雜系統(tǒng)后進行系統(tǒng)的 電磁輻射分析。CST提供了完整的板級、板子 +機箱機柜級的 RE102/RE10

11、3和RS103/RS105等仿真平臺。 整個CST軟件完全覆蓋板級、 線纜線束級、機箱機柜以及系 統(tǒng)級的電磁兼容仿真。所用的算法及其各個算法的 優(yōu)劣HFSS米用頻域有限兀算法- FEM。FEM的優(yōu)點：采用自適應網(wǎng) 格和寬帶掃頻，可以幾乎無需 用戶的干預就能夠得出精確 的仿真結(jié)果（倘若能仿真的 話）；FEM的缺點：適用于窄帶和 網(wǎng)格數(shù)不很多時的問題，由于 其仿真時間和占用內(nèi)存均與 網(wǎng)格數(shù)的平方成正比。另外， 有限元網(wǎng)格無法處理結(jié)構(gòu)尺 寸相差特別大的情況，如1米XFDTD采用時域 FDTD算法。優(yōu)點：特別適用于寬帶 和超寬帶電磁仿真，一 次仿真能夠得出全頻 帶的所有電磁特性；對 結(jié)構(gòu)要求低，幾乎能

12、夠 對任意結(jié)構(gòu)進行快速 劃分網(wǎng)格；在同等仿真 精度的條件下，仿真速 度明顯優(yōu)于FEM。缺點：對使用者的要求 高，尤其是其網(wǎng)格設(shè)置MS采用TLM法和精簡模型。TLM和精簡模型的優(yōu)劣：特 別適用于寬帶和超寬帶電磁 仿真，一次仿真能夠得出全頻 帶的所有電磁特性；對結(jié)構(gòu)要 求低，幾乎能夠?qū)θ我饨Y(jié)構(gòu)進 行快速劃分網(wǎng)格；在同等仿真 精度的條件下，仿真速度明顯 優(yōu)于FEM。能夠有效地仿真 細小結(jié)構(gòu)，如孔縫、搭接、屏 蔽網(wǎng)等，非常適用于機箱機柜 電磁屏蔽效能和輻射的仿真。其缺點是：與FITD相同，由機箱上有10絲的搭接，1絲的 屏蔽絲網(wǎng)或細小的孔縫等。需要技巧和經(jīng)驗。而不 像FEM是傻瓜機。于是時域算法，所以

13、設(shè)置比 FEM要復雜。EMC仿真流程的集 成度SIwave板級+ HFSS的三 維，即SIwave兩者是各自獨 立的軟件，需要數(shù)據(jù)的導入導 出，即有縫協(xié)同。換言之，集 成度較差。無板級軟件，需要和其 他軟件打包。CST所有模塊均集成于一個 平臺，個模塊間無縫連接，不 牽扯到兩個軟件間的數(shù)據(jù)導 入導出。集成度高。技術(shù)支持優(yōu)中（代理商）優(yōu)（全中文用戶手冊）、案例技術(shù)人員 的理論水 平良（多年中國銷售技術(shù)支持、 碩士）中優(yōu)（教授級、博士、10年以 上CST總部軟件開發(fā)經(jīng)驗）國內(nèi)知名 度高（早在1994年就進入中國 市場）較低高（在2007年底被CST收購）EMC仿真 的性價比中（窄帶，不能有效地仿真

14、機 箱的電磁輻射和屏蔽效能）中（包含三維結(jié)構(gòu)、時 域?qū)拵В└撸òS結(jié)構(gòu)、機箱屏蔽 效能和輻射仿真功能極強，時 域?qū)拵В┰谥袊?二次開發(fā) 能力和項目合作較少（沒有源代碼，更沒有了 解源代碼的技術(shù)人員）少很多（已經(jīng)完成多項縱向基金 開發(fā)課題，包含科技部、上海 市、航天部等；擁有了解開發(fā) 過CST底層源代碼的技術(shù)人 員）軟件版本維護和升級每年一個大版本，大版本新增 功能不多。如：HFSS十幾年 來至今一直就一個FEM算 法。每年一個大版本，大版本更新 速度較快。自2006年以來， 已先后在CST MWS中加入 FEM、MoM、MLFMM，且 新增 PCBS、CS、MS 等 EMC 模塊。支持軟

15、件在線的自動升級功 能。總體評價Ansys/Ansoft是一款在中國 最有知名度的電磁仿真軟件。它在板級SI/PI仿真方面是很 優(yōu)秀的，但一旦加入機箱等結(jié) 構(gòu)，在仿真EMC（電磁兼容/ 電磁輻射）問題時功能明顯不 足，沒有很強的競爭力。CST進入中國較晚，知名度略 不如Ansoft。它覆蓋整個 Ansoft的產(chǎn)品線。在包含有機箱等三維結(jié)構(gòu)下 的EMC仿真中，CST有絕對 的優(yōu)勢。這一點只要以一個實 際機箱為例，即可立即見分 曉。做EMC仿真，CST的綜 合實力最強。做SI/PI/EMC 仿真，CST的綜合實力最強。四、產(chǎn)品的基本功能、性能指標時域傳輸線矩陣法(TLM)專業(yè)級電磁兼容仿真軟件導入

16、CST印制板工作室和CST電纜工作室空間三維寬帶電流分布，完成系統(tǒng) 級時域?qū)拵MI仿真內(nèi)置無需劃分網(wǎng)格的精簡模型：多層復合材料板、散熱孔縫陣列、導電屏 蔽膠條、搭接、屏蔽網(wǎng)和屏蔽膜、緊固螺絲等，使得仿真速度有數(shù)量級地提 高獨特的Octree/Lumping網(wǎng)格技術(shù)，支持非結(jié)構(gòu)性子網(wǎng)，網(wǎng)格壓縮率大于80% 內(nèi)置材料庫，自定義材料內(nèi)置國軍標雷擊、強電磁脈沖EMP激勵強度和波形 專業(yè)GJB1389和GJB151A系統(tǒng)整機和分系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)電磁效應仿真軟件強電磁脈沖下三維結(jié)構(gòu)中電纜線上的感應電壓電流支持任意三維基于轉(zhuǎn)移阻抗的屏蔽同軸線和燕尾槽支持電、磁、吸收和仿真區(qū)域外半波暗室地面等邊界條件支持電

17、路和波導端口、平面波以及遠場近場源激勵支持三維結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化支持任意時域波形激勵信號支持多端口、多模式的單獨、分別及同時激勵直接形象地顯示1米、3米、10米法場強桶狀分布圖GJB5240機箱屏效快速標定含印制板插板和互連線纜的工程機箱電磁諧振快速仿真支持多路多核和高速GPU并行計算對導入的CAD結(jié)構(gòu)無需任何修復即可直接進行電磁仿真各類、參量輸出和遠場輸出支持CST DS協(xié)同場路仿真五、工作原理CST機箱機柜EMC分析軟件基于傳輸線矩陣（TLM）的算法，能快速準確 仿真機箱機柜等結(jié)構(gòu)的EMC特性，軟件首先用沖擊脈沖作為激勵源，沖擊脈沖 在時域的寬度趨于無限窄，從頻域來說，它能覆蓋無限寬的頻率范

18、圍；當以這個 沖擊脈沖來激勵整個系統(tǒng)時，在時域得到的將是此脈沖與系統(tǒng)函數(shù)即h（t）的卷 積，對應于頻域，結(jié)果將是系統(tǒng)函數(shù)H（s）與沖擊脈沖的頻域響應的乘積，由此 我們得到H（S），即整個系統(tǒng)的頻域響應。由于以上的求解原理，只需要一次求 解就可以得到系統(tǒng)在整個頻域的響應，如系統(tǒng)的屏蔽效能曲線。在進行系統(tǒng)級EMC分析時，由于機箱本身的尺寸往往很大，同時機箱本身 會有一些孔、縫隙等細微結(jié)構(gòu)（這些細微結(jié)構(gòu)對EMC分析來說往往是至關(guān)重要 的），這么大的尺寸比對用仿真軟件所采用的網(wǎng)格劃分技術(shù)來說，提出了嚴峻的 挑戰(zhàn)。在這種情況下，從一定程度上來說求解技術(shù)尤其是網(wǎng)格劃分技術(shù)對仿真的 準確性和速度起著決定性作

19、用。CST MS工作室采用獨特的精簡模型及嵌入式網(wǎng) 格技術(shù)，并采用獨特的Octree網(wǎng)格合并技術(shù)，在保證計算準確性的前提下，大 大提高了計算速度。CST MS工作室內(nèi)嵌美軍標雷擊標準 MIL-STD-464A，200kA沖擊電流從F-15鷹式戰(zhàn)斗機的機頭部擊入、左機翼擊出，CST MS可以方便地得出機翼（或 者駕駛艙）內(nèi)磁場強度以及機翼內(nèi)一根屏蔽電纜上所激勵起來的瞬態(tài)電流。鋁蒙 皮、起落架縫隙、駕駛艙導電涂層均采用精簡模型替代。傳輸線矩陣法（TLM）傳輸線矩陣法（Transmission Line Matrix Method錯誤！未找到引用源。，簡 稱TLM）與時域有限差分法類似，是一種在時域中求解電磁場問題的數(shù)值方法。 它基于惠更斯原理的離散模型把被研究的媒質(zhì)在空間和時間上進行雙重離散化， 然后選取適當?shù)某跏紬l件和邊界條件，利用由傳輸線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來模擬離散化空 間，通過空間電磁場方程與傳輸線網(wǎng)絡(luò)電壓電流方程之間的相似性，確定網(wǎng)絡(luò)響 應，以求得電磁場的時域解。最后通過傅立葉變換得到待求空間的頻域解，從而 提取各種電磁參數(shù)。傳輸線矩陣法具有一些非常突出的特點，主要包括以下幾個方面。（1）廣泛的適用性與通用性。這是傳輸線矩陣法最主要的優(yōu)點。TLM網(wǎng)絡(luò) 能夠很好地反映電磁場的性質(zhì)以及電磁波在邊界上和各種媒質(zhì)中的關(guān)