對產(chǎn)品做EM（電磁）輻射仿真有助于確保通過FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）與CE（歐洲合格評定）測試，使項(xiàng)目跟上計(jì)劃進(jìn)度。每款產(chǎn)品都必須做EMC（電磁兼容）測試。FCC要求的測試是，保證產(chǎn)品EM輻射不會(huì)干擾無線電、電話與電視的工作。除了EM輻射測試以外，您的產(chǎn)品還必須具備電磁抗擾度，即一個(gè)確定EM脈沖的尖峰不會(huì)顯著干擾產(chǎn)品的性能（參考文獻(xiàn)1）。
做EM仿真需要復(fù)雜的軟件工具。這些仿真必須同時(shí)考慮到一個(gè)寬廣頻率范圍內(nèi)的大小特性（圖1）。另外，還必須選擇一種適當(dāng)?shù)姆抡娣椒ǎ梢允且环N時(shí)域技術(shù)，如FEM（有限元方法），或者一種基于頻率的方法，如MOM（矩量法）。對于大型問題，需要將仿真打碎為子域，或使用漸近方案技術(shù)。
一旦擁有了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和正確的軟件，還必須為軟件輸入物理與電氣數(shù)據(jù)，方法是采用數(shù)據(jù)庫輸入，或送入Gerber與DXF（圖形交換格式）文件格式的機(jī)械配置，并手工輸入介電常數(shù)與電路板堆疊結(jié)構(gòu)。最后，必須為軟件提供激勵(lì)數(shù)據(jù)，如用Spice或S參數(shù)數(shù)據(jù)，或使用對產(chǎn)品中某個(gè)子系統(tǒng)的近場仿真結(jié)果。
Spice與場求解器
不可能用Spice去仿真EMC，因?yàn)镾pice是一種針對Kichhoff方程的矩陣算術(shù)的計(jì)算型求解器，它采用的是分立元件的集總元素模型。最好的情況是，可以用Spice做一根有損傳輸線的建模，確定其對信號(hào)的影響，但無法給出輻射到空間中的場。對于這個(gè)問題，需要場求解器做仿真（參考文獻(xiàn)2）。場求解器采用有限元、網(wǎng)格和迭代法，為電路設(shè)計(jì)解算Maxwell方程。EM仿真軟件必須考慮設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及使用的材料（見附文1“計(jì)算機(jī)的能力”）。
嘗試用于仿真的最高頻率以及電路的大小決定了將要面對的場求解問題的規(guī)模。10MHz時(shí)的波長為30m，這意味著1cm的走線要比波長小得多（圖2）。軟件可能要使走線與較小區(qū)段相吻合，以迭代到一種方案。30m波長幾乎均勻地作用于1cm走線上。
設(shè)想打到一艘軍艦上的一個(gè)2cm波長10GHz雷達(dá)信號(hào)。場求解器軟件必須將軍艦分成數(shù)百個(gè)微小的網(wǎng)格，船體表面的每個(gè)平方厘米都要放入10個(gè)甚至100個(gè)網(wǎng)格。一艘金屬軍艦的表面并不是純粹反射，因此軟件必須做3維網(wǎng)格，這就有更多的計(jì)算元素，因?yàn)檫€要包括內(nèi)部區(qū)。運(yùn)行軟件的工作站需要數(shù)百G字節(jié)的內(nèi)存，用于存儲(chǔ)這些網(wǎng)格的中間計(jì)算結(jié)果，要解算覆蓋這么大面積的場需要花幾個(gè)月時(shí)間。可以將問題打碎成為很多域，用迭代解算法，從而解決存儲(chǔ)器問題，但這種方案花的時(shí)間更多。
當(dāng)你做EMC測試時(shí)，很小的機(jī)械特性也會(huì)帶來性能的大變化。蓋子上的一條縫，一根錯(cuò)誤的走線，或IC封裝上的一個(gè)鋁制散熱片，都可能使產(chǎn)品通不過EMC輻射測試。這些機(jī)械特性的作用就像天線一樣，因此它們也可能接收周圍的能量，使產(chǎn)品的電磁抗擾性能不佳。標(biāo)準(zhǔn)要求的符合性頻率是在960 MHz以上。因此，EMC的仿真是一個(gè)需要大量運(yùn)算的寬帶問題。你必須對這些頻率都做仿真；于是，仿真一個(gè)大型系統(tǒng)要花的時(shí)間是不可接受的。即使對一個(gè)相當(dāng)簡單的產(chǎn)品，問題的復(fù)雜性也足以讓人生畏。另外，還有很多現(xiàn)象也對EMI（電磁干擾）起作用，包括走線的電場輻射、電感的磁場，以及電纜輻射和接受的電磁場。
一個(gè)典型的EM仿真策略是將問題切分成碎片，并且要看是相對測量還是絕對測量。你需要了解客戶使用產(chǎn)品的方式，將自己的EMC分析劃分成可管理的片斷，然后評估這些片斷相對于整個(gè)問題的關(guān)系。疊加原則可能很有助益。據(jù)說，對于全線性系統(tǒng)，兩個(gè)以上激勵(lì)在給定位置與時(shí)間上產(chǎn)生的凈響應(yīng)，等于每個(gè)激勵(lì)單獨(dú)造成的響應(yīng)之和。如果三個(gè)主要貢獻(xiàn)因素影響著你的EMI特征，那么可以單獨(dú)激勵(lì)每一個(gè)因素，必要時(shí)要使用不同的技術(shù)，然后將結(jié)果以RMS（均方根）方式加總，前提是它們不相關(guān)。不過，有時(shí)一個(gè)系統(tǒng)會(huì)影響到另一個(gè)系統(tǒng)，它們有相互作用。
仿真了PCB（印刷電路板）后，此仿真就表述為一個(gè)輻射模型，然后將其插入到一個(gè)較大組件中。雖然你可以用類似的信號(hào)來仿真PCB的輻射，但你可能有一些開關(guān)電源，它不僅有電場，也有磁場。圍繞這些元件有一個(gè)外殼，而產(chǎn)品伸出的電纜都是會(huì)輻射能量的天線，使產(chǎn)品無法通過EMC測試，并且也會(huì)接收能量，使電路無法通過抗擾度測試。你可能還要決定分立的輻射樣式如何加到總輻射水平上。這個(gè)決策可能揭示出非線性電路的可怕現(xiàn)實(shí)，如為了獲得好的效率而將RF功率放大器驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。疊加技術(shù)不適合于非線性系統(tǒng)，它會(huì)使你低估了來自電路的輻射。
技術(shù)的選擇
場求解器公司的數(shù)學(xué)與軟件專家們開發(fā)了很多方法，幫助你做EM仿真。你可以使用2維仿真程序，如HyperLynx和SIwave（信號(hào)完整性波形），評估一塊PCB的EMC。修正電路卡上的信號(hào)完整性與電源完整性問題通常 也就修正了EMC問題。你可以對低頻和較小的物理問題采用時(shí)域仿真。時(shí)域技術(shù)的主要好處是：它們能使用加快算術(shù)運(yùn)算的GPU（圖形處理單元）卡。
REMCom技術(shù)解決方案公司的培訓(xùn)、應(yīng)用及咨詢經(jīng)理James Stack報(bào)告說，增加一個(gè)GPU可將求解器速度提高30倍，而裝備了四個(gè)GPU卡的計(jì)算機(jī)可以將速度提高150倍。CST（計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)）公司的技術(shù)支持與工程副總裁David Johns稱，他的公司的時(shí)域求解器使用一只GPU時(shí)，解決問題的速度要快12倍。
不幸的是，在較高頻率時(shí)，時(shí)域技術(shù)不是求解EM場的最佳方式。對于較慢信號(hào)來說，F(xiàn)EM與時(shí)域場求解技術(shù)工作良好，而對較高速度和較大問題，就是MOM與漸近求解器大展身手的地方了（表1）。明智的方法是在一臺(tái)擁有大量內(nèi)存和多個(gè)CPU核心的PC工作站上，使用基于頻率的求解器。Feko和CST這類公司使用MLFMM（多級(jí)快速多極法）技術(shù)，它用少量計(jì)算功率即可解算出大型問題。當(dāng)問題更大，并且必須工作在高于10 GHz頻率時(shí)，就必須采用可以作漸近分析的專用求解器。在有些仿真中，一個(gè)物理域會(huì)影響另一個(gè)物理域（見附文2“多物理場對設(shè)計(jì)的影響”）。
來自Cadence、Mentor Graphics與Zuken公司的有些產(chǎn)品擁有為仿真軟件獲取電氣與物理信息的工具。當(dāng)用這些供應(yīng)商的工具做PCB設(shè)計(jì)時(shí)，供應(yīng)商會(huì)提供有關(guān)PCB層堆疊與材料的完整描述，于是，他們的信號(hào)完整性與場求解器工具就可以在仿真時(shí)使用這個(gè)數(shù)據(jù)。
另外要確保點(diǎn)工具可以接收你的PCB數(shù)據(jù)。CST與Sigrity公司可接受Cadence、Mentor、Zuken與Altium的數(shù)據(jù)庫，這些工具和很多其它工具還接受ODB（開放數(shù)據(jù)庫）++的PCB制造數(shù)據(jù)，它定義了PCB的物理結(jié)構(gòu)與材料。SPEAG與2Comu這些全波仿真供應(yīng)商都熟悉3維數(shù)據(jù)庫，可以接受輸入STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）、IGES（初始圖形交換規(guī)范）、DXF，以及其它機(jī)械實(shí)體建模輸出格式（圖3）。一旦進(jìn)入了仿真程序，程序會(huì)用與方法相關(guān)的算法匹配這些實(shí)體。
定義機(jī)械形狀以及物理設(shè)計(jì)的介電常數(shù)只是EMC分析問題的一個(gè)部分。當(dāng)使用時(shí)域技術(shù)時(shí)，只能將正確的時(shí)域波形置于走線的末端。IBIS（I/O緩沖信息規(guī)范）是一個(gè)驅(qū)動(dòng)管腳波形的時(shí)域查找表，它可以描述一只管腳上信號(hào)的上升與下降。你還必須定義管腳上的數(shù)據(jù)；PBRS（偽二進(jìn)制序列）通常適用于表述一個(gè)功能產(chǎn)品上信號(hào)的頻譜成分。
你可以使用IBIS-AMI（算術(shù)建模接口）來定義正在使用中芯片的預(yù)加重電路和均衡器，但它不能定義產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)將出現(xiàn)的實(shí)際波形。一般情況下，只將一個(gè)PBRS用到IBIS-AMI塊中。同時(shí)，你的設(shè)計(jì)可能以有數(shù)百個(gè)可能互相作用的走線（圖4）。
S參數(shù)是在高頻下，表述EM噪聲源的頻譜成分的最佳方式。一個(gè)PCB塊的S參數(shù)表述仍然無法給出該塊將輸出的頻譜成分，除非你用產(chǎn)品正常使用時(shí)的典型信號(hào)正確地激勵(lì)了這個(gè)塊。使用針對EMC的EM仿真確實(shí)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)“先有蛋還是先有雞”的問題。有時(shí)，正確表示輻射頻譜的唯一東西是裝在真正機(jī)箱內(nèi)的一塊工作電路板。這種情況下，當(dāng)可以對其作簡單測試時(shí)，問題的仿真可能就沒有意義了，但做仿真仍很重要。你必須知道自己的仿真在哪里偏離了實(shí)際結(jié)果，并在仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間作一個(gè)校正，這樣可以改進(jìn)自己的模型、網(wǎng)格或技術(shù)。這種方案也許無法為正在做的產(chǎn)品節(jié)省時(shí)間，但可以為下一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)省數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間。從一個(gè)Spice仿真中獲得的結(jié)果創(chuàng)建了一個(gè)近場模型，以后可以將其輸入到一個(gè)3維求解器中，這是一種保持對自己EMC問題控制能力的好方法。
EM仿真的工具
沒有一個(gè)獨(dú)立軟件可以做EMC分析。你應(yīng)該將一組軟件工具結(jié)合起來，幫助應(yīng)對EMC的問題。例如，板級(jí)工具可以保證信號(hào)走向符合你的意愿，而不致輻射到空間去。所有企業(yè)級(jí)PCB公司都有很好的場求解工具，能輔助獲得信號(hào)的完整性（參考文獻(xiàn)3）。Mentor Graphics公司的HyperLynx工具可能最具知名度，但Cadence、Ansoft與Zuken也有強(qiáng)大的工具，可用于有數(shù)百條或數(shù)千條走線的PCB。SiSoft公司提供類似于HyperLynx的信號(hào)完整性工具。Sigrity Systems公司提供的軟件可作為一種點(diǎn)工具，插入到PCB流程中。此工具可發(fā)現(xiàn)電源完整性與信號(hào)完整性問題互相影響的方式(見附文3“SI與電源完整性也很重要”）。一旦擁有了一塊設(shè)計(jì)良好的PCB，就必須像一名RF板設(shè)計(jì)師那樣去處理問題。
RF設(shè)計(jì)軟件公司包括Agilent ADS、AWR Microwave Office、Ansoft、Sonnet、CST，以及很多其它公司，它們都可以幫助你應(yīng)對難以處理的EMC分析工作。大多數(shù)這些公司還提供插入式軟 件，如Agilent的ADS中的EMPro軟件，它可以完成EM建模。這些工具還考慮了金屬箱以及電路周圍的屏蔽，可以對設(shè)計(jì)的電氣與機(jī)械之間的關(guān)系作出評估，這是RF設(shè)計(jì)的內(nèi)在需求。RF設(shè)計(jì)者都知道，機(jī)蓋打開后，電路的性能就有變化。RF設(shè)計(jì)工具可以對機(jī)殼的散熱開口建模，告訴你在某個(gè)頻率下，從開口中發(fā)出的輻射量。
當(dāng)PCB工作時(shí)，其激發(fā)作用產(chǎn)生的隨機(jī)場是一個(gè)更難應(yīng)對的問題，但場求解器公司CST與Ansoft都演示了解決它的方法。你要對多根走線使用真實(shí)波形的時(shí)域仿真，去做一個(gè)仿真。然后獲取來自PCB輻射的一個(gè)近場表述。在源的短距離上，電場與磁場并不直接相關(guān)，因?yàn)樗鼈円ㄟ^空間作波形傳播。然后，將這個(gè)近場結(jié)果插入到全波求解器中，就可以計(jì)算出產(chǎn)品外殼、電纜和其它機(jī)械特性的作用（圖5）。
軟件不會(huì)思考
采用場求解器的EM仿真并不能提供一劑對EMC的萬用靈藥。此外，它們也不是解決設(shè)計(jì)災(zāi)難的魔幻精靈。場求解器供應(yīng)商強(qiáng)調(diào)，計(jì)算機(jī)仿真只是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的一部分，而不是當(dāng)你的產(chǎn)品未通過FCC測試時(shí)才想起使用的補(bǔ)償措施。不能期望一次計(jì)算機(jī)仿真就能找出所有需要改進(jìn)的區(qū)域。但是，如果你在設(shè)計(jì)過程中，對設(shè)計(jì)各個(gè)部分使用并了解了仿真，將產(chǎn)品交給FCC和CE測試時(shí)就更坦然。很多情況下，計(jì)算機(jī)仿真中最有價(jià)值的事是教給你在一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品中EM場的非直觀行為。做結(jié)構(gòu)、材料和屏蔽工作有助于你理解正在發(fā)生的事情，并且可以設(shè)計(jì)出符合規(guī)范要求的產(chǎn)品。
當(dāng)信號(hào)頻率在GHz量級(jí)時(shí)，一片F(xiàn)PGA上的鰭狀散熱片也會(huì)成為一個(gè)相位陣列天線，在產(chǎn)品中輻射能量。機(jī)殼上的散熱口亦是相位天線。即使你沒有時(shí)間或預(yù)算去徹底地仿真一個(gè)電路板向3m以外輻射的電信號(hào)，但仍然可以使用全波仿真。對散熱片的寬帶仿真會(huì)告訴你散熱片的諧振頻率，以及諧振的頻譜樣式。你還可以對開口機(jī)殼作一個(gè)寬帶激勵(lì)。如果散熱片的頻率與位置會(huì)跟隨機(jī)殼的諧振，那么這些頻率就會(huì)產(chǎn)生麻煩。修正方法可能很簡單，如將散熱片旋轉(zhuǎn)90度，或改變鰭片或機(jī)殼上開口的間距。
場求解器程序有陡峭的學(xué)習(xí)曲線，尤其是對那些不熟悉3維仿真的工程師（圖6）。一旦了解了軟件，就必須學(xué)習(xí)如何輸入自己的物理結(jié)構(gòu)與電氣激勵(lì)。這似乎是一個(gè)沒有盡頭的任務(wù)，但一旦你通過一次仿真，準(zhǔn)確地預(yù)測了自己產(chǎn)品的性能，就會(huì)看到使用仿真的吸引力（圖7）。仿真可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)評估設(shè)計(jì)，而不需要花數(shù)月時(shí)間。它們并不能保證你的產(chǎn)品通過輻射與抗擾度測試，但確實(shí)能使你具備了一個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢，強(qiáng)于那些只簡單采用“試驗(yàn)性”方法，試圖使自己產(chǎn)品通過FCC與CE認(rèn)證的公司。你在產(chǎn)品的末期作測試，而此時(shí)是否交付產(chǎn)品取決于公司的情況。
聰明的工程師們會(huì)使用軟件仿真，在設(shè)計(jì)的早期作EMC評估，從而在關(guān)鍵的產(chǎn)品發(fā)布期間避免出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)的EMC問題。他們?nèi)孕枰髟O(shè)計(jì)與日程變更，但有充裕的時(shí)間高效地解決問題，而不致延遲產(chǎn)品的面市。
參考文獻(xiàn)
1. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
2. Rako, Paul, "Beyond Spice: Fieldsolver software steps in for modeling high-frequency, space-constrained circuits," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
1. Rako, Paul, "Swimming in the channel," EDN, March 18, 2010, pg 34.
附文1：計(jì)算機(jī)的能力
當(dāng)你評估那些幫助你做EMC（電磁兼容性）的軟件包時(shí)，一定要搞清楚軟件包所輸入物理模型的格式，以及它們使用了哪種PCB（印刷電路板）軟件包。向供應(yīng)商咨詢軟件表述激勵(lì)函數(shù)的方法，確認(rèn)你可以創(chuàng)建這些表述。最后，采購適當(dāng)類型的工作站。如果你有針對時(shí)域仿真的時(shí)間和預(yù)算，工作站就應(yīng)該有多只GPU（圖形處理單元）。如果你要做較快的頻率求解，則需要多核和多CPU機(jī)器，并且要有大的內(nèi)存，以存儲(chǔ)仿真過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)解算復(fù)雜的產(chǎn)品，比如計(jì)算機(jī)般規(guī)模的系統(tǒng)。一個(gè)關(guān)鍵的性能是計(jì)算機(jī)一晚能夠解算多大的問題。你可以花白天時(shí)間作設(shè)置，指定結(jié)構(gòu)，然后在下班回家前讓場求解器運(yùn)行起來。第二天早晨，你就能夠查看結(jié)果，決定是否變更設(shè)計(jì)或重做仿真。只是要記住，處理EMC問題的工作沒有部門界限。修正既有機(jī)械方面的也有電氣方面的，而做EMC工作的團(tuán)隊(duì)需要有權(quán)修改一切，從而解決問題。
附文2：多物理場對設(shè)計(jì)的影響
有了經(jīng)驗(yàn) 和深思熟慮，就可以結(jié)束自己的EMC（電磁兼容性）分析，在過程的各個(gè)時(shí)點(diǎn)上，使用軟件確保通過FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）與CE（歐洲合格評定）測試。不過要記住，驚訝總是隨時(shí)可能降臨。“多物理場”這個(gè)術(shù)語表示了仿真中各個(gè)域的相互作用，在EMC中經(jīng)常見到。例如，如果RF能量加熱一個(gè)呈現(xiàn)居里點(diǎn)的材料，則仿真時(shí)不僅必須考慮材料周圍空間的電氣特性，還包括材料上的熱效應(yīng)。然后還必須計(jì)算材料磁特性改變所導(dǎo)致的電場變化。
當(dāng)產(chǎn)品機(jī)箱上的開口影響到產(chǎn)品的熱性能和溢出RF量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)更常見的多物理場問題。在這些情況下，機(jī)械工程師與電氣工程師有不同意見，前者認(rèn)為要在機(jī)箱上采用大開口以降低熱量，而后者則力主無開口，以衰減EMI（電磁干擾）。Ansys與Comsol公司有多物理場功能的軟件可以在這些相互沖突的部門愿望之間找到折中方案。通過軟件對最優(yōu)冷卻點(diǎn)的仿真，至少能為EMC性能提供一些裕度，平息爭執(zhí)，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)能繼續(xù)下去。同樣，軟件并不能保證你通過FCC測試，但它提供了一種折中方法，使兩個(gè)小組可以評估進(jìn)一步的工作。
附文3：SI與電源完整性也很重要
場求解器很適合用于評估電路的SI（信號(hào)完整性）。求解器還有助于解決PCB（印刷電路板）上的電源完整性問題。這些問題與EMC（電磁兼容）關(guān)聯(lián)的原因是，解決了SI與電源完整性問題，通常也就解決了輻射與電磁敏感性的問題。
Ansoft公司產(chǎn)品管理集團(tuán)總監(jiān)Lawrence Williams稱，SI、電源完整性以及EMC都可歸為一個(gè)“產(chǎn)品完整性”大類之下。一般可以用一個(gè)較簡單的2維求解器，輔助設(shè)計(jì)出有良好信號(hào)完整性的PCB。但EMC是一個(gè)3維、全波的場求解器問題，如果優(yōu)化了電路板上的信號(hào)完整性與電源完整性，就減少了它的輻射。
十幾年前，Mentor Graphics公司的HyperLynx工具就預(yù)測出了一塊復(fù)雜PCB在FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）測試中的性能。自那以后，Mentor Graphics公司從Zeeland收購了3維場求解軟件，并加入到HyperLnyx中。這個(gè)方案將幫助解算承載6 GHz以上信號(hào)的過孔和連接器短腳。在這個(gè)速度上，即使PCB也需要采用3維求解器。正如信號(hào)完整性對EMC的關(guān)系一樣，降低了輻射通常也就減少了抗擾度方面的問題。