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应对EMC/EMI设计挑战的5个领先EDA工具
材料来源:《微波杂志》2017年7/8月刊           录入时间:2017/8/15 11:23:13

应对EMC/EMI设计挑战的5个领先EDA工具

5 Leading EDA Tools for EMC/EMI Design Challenges

编者注:《Microwave Journal》邀请了一些领先的EMC/EMI(电磁兼容/电磁干扰)EDA(电子设计自动化)软件供应商简要介绍了它们各自的EMC/EMI软件的特点和解决问题的独特能力。

Altair/FEKO

美国密歇根州TROY

FEKO助力大量工业领域的OEM厂商及其供应商解决其在产品设计、分析和测试验证过程中遇到的EMC问题。通过使用FEKO等仿真工具,减少了试制样品的数量和测试的次数,将传统的以测试驱动的开发流程转变为以仿真驱动设计。FEKO在EMC/EMI领域的重要应用包括了电磁辐射、电磁抗干扰、雷电效应、高强度辐射场(HIRF)、电磁脉冲(EMP)、电磁屏蔽、电磁辐射危害以及天线耦合等。

EMC仿真

基于平台上多天线间的隔离度问题(图1)是FEKO最擅长处理的问题之一。该飞机模型是EMC计算电磁学(CEMEMC)专题研讨会上展示的一个测试模型,属于EV55(属于HIRF-SE FP7 EU项目,EVEKTOR,spol.s r.o.和HIRF SE联盟拥有其版权)的变形版本。用户只需要根据求解问题的类型、电尺寸大小和复杂度等来选择FEKO中的一种求解器进行计算。FEKO中快速计算天线间互耦的一种方法是通过S参数,用户可以在不重复启动求解器的情况下通过一次计算可视化显示天线负载的变化对天线间耦合的影响,直观显示大量天线端口的耦合并绘制共址干扰矩阵来识别和分析耦合强度的等级。此外,FEKO的模型分解技术结合天线等效、EMC等效骚扰源可以降低对计算资源的需求。

 

1:由FEKO仿真得到飞机在1GHz时的内外空间磁场强度分布

EMI设计的挑战

用FEKO来解决EMI问题的案例非常多。例如,从车辆电缆束的辐射场耦合到挡风玻璃天线(和到其它形式的天线),这也与汽车行业的CISPR-25 EMC测试标准相关(CISPR是无线电干扰国际特别委员会,也是国际广播电台国际特别委员会)。噪声信号会通过车辆内不同的线缆传播,这些线缆的辐射场会耦合到不同的天线中,从而降低模拟或数字广播类系统的性能。为解决这个问题,FEKO包含了一个完整的综合线缆建模工具来分析线缆的辐射(和抗干扰)。这个工具与专门为真实风窗天线应用开发的风窗天线建模与求解技术适合于分析和解决这些挑战(图2)。图2b给出了车左侧与右侧10米远处两个位置的辐射电场,每一个位置点包括了仿真得到的垂直和水平极化场强值。

 

2:含风窗天线的车模,线束和引擎控制单元(ECU)的等效源(a)和车左右10米处的近场电场强度仿真结果和基于测量系统搭建的仿真模型(b

独特的性能

FEKO易于使用,并具有全面、准确、可靠、完全并行化、支持真正混合求解的求解器集合,包含矩量法(MoM)、多层快速多极子(MLFMM)、有限元(FEM)、时域有限差分(FDTD)、物理光学/大面元物理光学法(PO/LE-PO),射线几何光学(RL-GO)和一致性绕射理论(UTD)等。这些求解器已广泛用于天线设计和天线布局、EMC、雷达散射截面(RCS)、生物电磁、天线罩、射频器件等问题的仿真。根据求解问题的电尺寸和问题的复杂度,只需选择使用这一个或另一个求解器。FEKO的综合电缆建模工具解决了涉及复杂电缆的EMC问题。FEKO用于电缆分析的特殊算法是多导体传输线法(MTL)和MoM/MTL混合法,后者适用于电缆下方地面不连续时的分析场景。FEKO作为Altair HyperWorks计算机辅助工程平台的一部分,带来了一系列额外的差异化功能,由于Altair独特的授权系统,无需额外的成本就可以利用这些功能。借助于业内最著名的有限元分析前处理器模块HyperMesh,能够减少复杂CAD模型清理(含自动清理)和网格剖分的时间;使用HyperStudy,FEKO用户可以采用实验设计方法(Design of Experiments)来进行优化设计,包含其它物理特性分析;使用activate可以进行电路(如DC/DC转换器)的设计与分析。

ANSYS

美国宾夕法尼亚州卡农斯堡

管理同一平台上集成的无线电之间的RF干扰问题是一项艰巨挑战。随着现代化商业电子设备不断被集成到物联网基础设施之中,这些设备变得越来越复杂,并且拥有越来越丰富的特性和越来越多的无线功能。高密度无线功能导致整个电子产业中的射频干扰(RFI)问题呈指数级增长。各种无线电环境的实例包括:飞机、卫星、无线电子设备等单一结构;以及分散式环境中的多部无线电,如办公室环境或户外蜂窝通信站点中的众多无线设备。这些多种不同的多频带RF系统需要和平共存,彼此良好地配合,而且不能影响环境中其它系统的性能。与此同时,干扰问题并不仅限于明确的无线电信道。电子设备由RF、数字信号和组件构成,它们可能使用相同的接地层或参考。单就数字信号而言,其时钟频率通常低于射频,但数字信号中包含的谐波会通过两者共同的参考几何结构来干扰无线电信道。这种RF-数字干扰通常被称为灵敏度劣化,它是无线电子设备中更加困难的设计挑战之一,因为需要全面了解系统才能预测和/或检测出该问题(图3)。

 

图3:ANSYS EMIT能够分析多射频和射频-数字系统

用于EMI分析的ANSYS EMIT

ANSYS EMIT是一款用于仿真复杂环境RFI的业界领先软件。EMIT与ANSYS HFSS和HFSS SBR+(原Delcross Savant)协同工作,将RF系统干扰分析与同类最佳的电磁场仿真相结合,能够模拟已安装的天线与天线之间以及无线电与无线电之间的耦合。上述解决方案能够可靠地预测多天线环境(具有多个发射器和接收器)中的RFI影响。EMIT的分析引擎可用于计算重要的RF相互作用,包括非线性系统组件的影响。在测试环境中,要想诊断复杂环境的RFI不仅难度较大,而且成本高昂。为应对这一挑战,EMIT提供了动态链接的结果视图,通过图形化信号跟踪和诊断总结来帮助发现干扰原因。这些总结结果可显示发射到接收干扰信号的源头和路径(图4)。

 

图4:EMIT的相互作用图和场景矩阵,用于重构干扰路径和识别EMI的源头

在找到干扰原因后,EMIT就能快速评估各种RFI缓解措施,从而实现最优解决方案。将准确的物理效应与电磁场耦合相结合,这有助于提高RF系统仿真的保真度和可靠性。HFSS/EMIT数据链路允许在EMIT中直接通过HFSS已安装天线的物理3D模型创建RFI分析模型,从而为各种系统及环境的完整RFI解决方案实现无缝的端对端工作流程,包括大平台共址干扰、紧凑型电子设备的接收器灵敏度劣化等。

ANSYS RF Option中的ANSYS EMIT不仅为管理系统性能数据提供了软件框架,其中包括RF系统库、仿真复杂多系统环境中RFI影响的计算引擎、以及快速自动发现RFI问题原因的动态分析工具等,而且还能帮助工程师快速评估不同的假设分析,以高效解决EMI问题。

Computer Simulation Technology (CST)

德国达姆施塔特

电磁兼容(EMC)的挑战

CST电磁兼容(EMC)工作室是业界广泛使用的、用于产品的性能分析和优化并满足电磁兼容规范的电磁模拟工具。CST拥有“完备技术”,使得CST电磁兼容工作室可以针对不同问题提供相应的求解器,包括通用的时域和频域求解器,以及专门的电缆和印制板(PCB)等求解器。这些求解器都集成在一个界面中,用户可以方便地设计自己的工作流程。

CAD数据模型和EDA印制板布局布线(PCB)都可以导入CST电磁兼容工作室。专门的PCB仿真工具可以快速计算信号完整性和电源完整性(SI/PI),并识别印制板上违反电磁兼容设计规则的部分。通用的三维求解器则可以做细节仿真,计算辐射和传导性发射/敏感度,并显示3D模型上的电磁场和电流(包括连接的电路),以帮助工程师识别耦合路径。

电磁干扰(EMI)的挑战

防止辐射和电磁环境效应(E3)如闪电等的影响,是一个重要的应用(图5)。传输线矩阵(TLM)求解器特别适用于这些应用,可以有效地模拟非常大的结构。它支持八度网格和紧凑模型(接缝、通风口、复合材料等等),这可以进一步加快仿真速度,同时保证准确性。它还提供了与CST电缆工作室的双向耦合,支持仿真外部电磁场耦合进入电缆和电缆束并在其中传播。

5闪电电击过程中飞机上的表面电流。

CST电磁兼容工作室的另一个主要应用是天线耦合。对于典型的天线间的互耦情况,天线可能安装在诸如飞机、船舶或建筑物等电极大载体上。互耦常常由某些细节引起,比如载体上天线的精确结构或接缝、通风口以及电缆的安排。CST电磁兼容工作室支持组合方案,比如可以使用适当的求解器(如时域求解器)仿真包含细节的三维天线模型,然后将其作为场源代入其它求解器(如积分方程求解器、TLM求解器或高频渐近求解器)。以这种组合方式,使用并结合每个求解器的优点,显著提高了仿真的效率。

除了计算子系统之间(如载体上的天线间或PCB上的通道间)的耦合之外,共址干扰分析还应考虑每个子系统的频谱。共址干扰冗余度模块是CST电磁兼容工作室2017版的一个新功能,提供了一个高效快捷且直观的工具用来检测潜在的电磁干扰问题。它使用仿真得到的耦合数据,结合收发系统(Rx/Tx)的相关信息,给出各个接收端口上的电磁干扰冗余度(图6)。共址干扰冗余度用违规矩阵表示,矩阵中用红色突显出可能导致电磁干扰问题的组合。用仿真虚拟样机来识别电磁干扰问题并测试解决方案,这种方法非常有效。

 

6:共址干扰冗余度模块显示了哪个射频系统组合引起了共址干扰

是德科技

美国加州圣罗莎

对系统工程师来说,EMI和EMC并不是新问题。然而,随着计算机、网络、存储和移动设备中数据速率的不断提高,设计工程师面临着更大的挑战,他们不仅要处理传统的发射问题,还要解决邻近电路和系统组件的耦合问题。采用适当的设计工具来克服这些挑战,是保障系统设计成功的关键。

射频灵敏度劣化或RFI问题

在EMC和EMI方面,设计人员面临的一个问题是子系统与天线之间的干扰。在移动设备中这个问题尤为突出,因为设计被压缩到非常小的区域内。干扰可能会导致接收机灵敏度降低,也称为“射频灵敏度劣化”或“RFI”问题。例如,高速应用处理器、存储器、相机模块、直流-直流电源转换器和高速互连(如USB 3.1 TypeC)可能会给包含多频段天线的射频电路造成“自扰”问题(7)。

 

7移动设备版图(a)和自扰与PCB上数字接口位置的关系(b)示例。

集成电路和EM仿真必不可少

诊断射频灵敏度劣化和自扰问题,对于当今的设计人员来说非常麻烦。他们必须借助EM求解程序对器件内的电磁场相互作用进行建模,并能够处理来自电路级和系统级设计工具的数字波形。要完成这些任务,必须使用综合电路与EM的设计环境。是德科技的先进设计系统(ADS)和EMPro提供了一个经过特别整合的软件设计平台,为解决以上问题奠定基础。

天线与天线耦合问题

由于许多天线挤在一个非常小的区域内,因此天线之间的耦合可能变成一个大问题(8)。如果设计人员使用不同的频段,这种类型的耦合可能会变大,也可能会变小。设计人员还可以使用带通或带阻滤波器,以便减少不必要的能量耦合。整个设备的设计需要非常精心细致,包括车载天线与接地面的协同设计。

8:移动电话中的蜂窝、无线局域网和蓝牙天线耦合。

由于天线与天线耦合主要发生在近场,因此可以采用FEM、MoM或FDTD引擎等传统EM仿真技术来进行精准处理。通过调整天线位置和/或增强天线性能(如增益与频率或辐射方向图),可以减轻耦合问题。

使用是德科技设计工具,设计人员将能够在开发硬件之前,先仿真电子电路和元器件的辐射发射,确定这些发射是否在通用标准(如FCC第15部分、CISPR 22和MIL-STD-461F)规定的水平内,以及它们是否符合规范。

除了验证EMI合规性之外,要准确计算发射水平,还必须注入正确的噪声波形。是德科技工具可让设计人员访问许多不同的波形,无论是标准波形、用户自定义的波形还是测得的波形。

整合是关键

 

随着数据速率不断提高,系统设计人员将面临更大的EMI和EMC设计挑战。使用能够提供集成电路和EM仿真的正确设计工具至关重要。是德科技的设计工具不仅能够提供这种综合能力,还能处理一系列的设计问题,这使得它们成为系统工程师的理想选择,帮助工程师克服当今和未来面临的EMC和EMI设计挑战。

NI AWR

美国加州El Segundo

解决EMC/EMI性能问题是产品开发中不可或缺的一部分,特别是当电子元件密集封装时,会出现高频信号和快速瞬变,产生辐射或传导(传输)干扰,进而产生不利影响。NI AWR Design Environment是一个用于高频电路和系统产品开发的开放设计平台,通过将平面和任意三维EM分析直接纳入电路和系统级设计和仿真内部来解决这些问题。以下两个示例说明了集成电路、系统和EM协同仿真所提供的分析功能,这两个示例均利用NI AWR软件的功能来克服多个EMC/EMI设计挑战。

三菱案例

三菱电机公司的设计人员使用NI AWR Design Environment来解决EMC/EMI设计挑战,并提高了公司生产的DIATONE汽车音响系统的音质。设计团队采用Microwave Office电路设计软件和AXIEM平面电磁分析软件,对导航系统的电路板设计进行严格的EMC噪声分析,包括通过传输路径和辐射噪声分析来识别噪声源。

设计人员考虑了整个系统,其中包括给定环境中的发射源(发射体)和敏感受体。EMI来源于集成电路产生的电磁波。高频噪声建模包括三个基本要素:噪声源、传输路径和辐射端(图9)。

9EMC辐射噪声分析模型。

在这个模型中,音频板采用双板配置,即一块电源板和一块主板,其中主板包含微控制器、数字信号处理器和数模转换器。设计人员开发了一个精确的噪声源模型,并在测试系统中进行了测量和验证。然后将该模型与可能的电路板几何EM仿真结合使用,以研究如何减少电磁干扰(图10)。抗噪措施的优化以及试验次数的大幅减少,大大降低了整体试验成本,而且仍可确保同样的音质。

10EMC辐射噪声分析模型(a)以及在采取抗噪措施后消除谐振(b)

Microwave Office和AXIEM的紧密集成大大加速了设计过程。通过对传输噪声分量进行EMC噪声分析,我们发现了一条回波路径,这会降低音频系统的声音质量。电磁热点可以通过AXIEM的电流图快速识别;然后使用Microwave Office快速对分量进行更改,这一更改反过来又会体现在AXIEM的结果中(图11)。通过EMC噪声分析,试验成本降低了至少60%,零件成本降低了至少30%,人力成本降低了至少60%,而且公用事业成本也降低了至少50%。

 

11:电路分析与EM建模的集成帮助工程师快速发现并解决问题。

RF MICROTECH案例

RF Microtech使用NI AWR Design Environment设计了一个非常大且复杂的超宽带(UWB)滤波器,可防止移动服务频段干扰Expo Milano 2015的重要安全控制站,从而成功解决了又一个EMI/EMC设计挑战。这个问题不同于第一个例子,因为设计人员要求根据特性已知的干扰信号开发高性能滤波器。他们面临的挑战是要在不到一个月的时间内开发此滤波器。

RF Microtech面临的另一个挑战是对双端口UWB滤波器进行全波EM仿真并进行验证,该滤波器可以滤除超过35dB的所有五个移动业务频段。电磁仿真和验证必须在两周内完成,且在展会开放时完成完整的可部署设备。设计团队使用Microwave Office来开发传输线路上五个独立陷波滤波器(NBF)级联的电路模型(图12)。

12:陷波滤波器的电路模型

每个独立滤波器设计为由N个并联谐振器多级级联而成的第四或第五阶NBF。每个滤波器的规格要求使用具有高无载Q值(>1000)且6GHz以下无杂散模式的谐振器。在确定滤波器的最佳几何结构后,RF Microtech使用ANSYS HFSS全波电磁分析工具来验证传输线和滤波器部分。

这两个案例说明了如何通过NI AWR Design Environment集成电路和EM设计工具来克服EMC/EMI性能问题,帮助设计团队大幅度缩短设计周期和削减成本,并及时提供高质量的解决方案。


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