国外电磁兼容性仿真发展概况及相关应用介绍 - 全文

计算机的飞速发展以及电磁场数值分析方法的不断进步，使得电磁兼容性仿真预测对军用装备产品设计的指导意义愈加明显。各种商用化软件的不断推出，更是加速了这一进程。在电子对抗、电磁兼容等领域，由于用户的迫切要求，出现了专门指导该领域专业设计的软件。美国、意大利、西班牙、俄罗斯、德国、英国、法国等世界先进国家的电磁兼容预测和分析技术已经形成一整套数字仿真和优化设计软件系统，而且一刻也没有停止过数值算法的完善和创新研究。

1、国外发展概况

电磁仿真技术中运用的主要计算电磁学方法大致可分为2 类：精确算法和高频近似方法。精确计算方法包括差分法（FDTD，FDFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多极子FMM 和多层快速多极子MLFMA）等，其中，在解决电大目标电磁问题中最有效的方法为多层快速多极子方法。高频方法一般可归作2 类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在GTD 基础上发展起来的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（MEC）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。PO 高频方法由于计算效率较高，对大目标的适应能力强，因此被广为采用。

基于这些方法，国外不仅形成了众多的预测仿真系统和软件，还建立了相应的EMC 数据库，可开展：1）各种军用平台电磁兼容性设计，包括大型舰船平台的天线布置设计、舱室内EMC 设计、系统内EMC 分析、系统间EMC 分析等；2）平台间EMC 分析，包括舰船编队的EMC 分析；3）EMP（电磁脉冲）仿真、各种载体EMP 效应及适应性分析；4）陆海空天电五维现代化战场电磁环境分析。

目前国外主要的商业软件主要如下：

1.1 EMC2000软件

该软件由法国某公司研制，采用的计算方法主要是MoM，FDTD，FVO（有限体积法），PO/GO，GTD，UTD，PTD，ECM（等效电流法），在算法上与Ship EDF基本相同（增加了FVO），两者的分析功能非常接近。据介绍，EMC2000 可以对雷电、静电、电磁脉冲对目标的冲击效应进行仿真分析，可对复杂介质进行时域分析，对孔缝耦合进行计算，但没有RCS 计算功能。

1.2 FEKO+Cable Mod软件

该软件由南非某公司研制，采用的数值算法主要是MoM，PO，UTD，FEM（有限元法）以及一些混合算法，在新版软件中增加了多层快速多极子算法（MLFMA），Cable Mod 功能和多种脉冲源（高斯、三角、双指数和斜波脉冲）的时域分析，可为飞机、舰船、卫星、导弹、车辆等系统的全波电磁分析提供解决手段，包括电磁目标的散射分析（图1）、机箱的屏蔽效能分析（图2）、天线的设计与分析（图3）、多天线布局分析（图4）、系统的EMC/EMI 分析、介质实体的SAR 计算、微波器件的分析与设计、电缆束的耦合分析等。

1.3 Ansoft-HFSS软件

该软件由美国Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要应用于微波器件（如波导、耦合器、滤波器、隔离器、谐振腔）和微波天线设计（图5）中，可获得特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁辐射场、天线方向图等参数和结果。该软件与FEKO 最早进入中国市场，并在国内拥有一定数量的用户。

1.4 CST-SD 软件

德国CST 公司研制了基于有限积分技术（FIT，该技术类似于FDTD）的仿真软件CST-SD，主要用于高阶谐振结构的设计。它通过散射参数（S 参数）将复杂系统分离成更小的单元进行分析，具体应用范围主要是微波器件，包括耦合器、滤波器、平面结构电路、各种微波天线和蓝牙技术等。图6 是该软件对双指数脉冲信号沿电缆进入机箱后的效应进行仿真分析的结果。

1.5 FIDELITY 软件

FIDELITY 软件由Zeland公司研制，主要采用非均匀网格FDTD技术，可分析复杂填充介质中的场分布问题，其仿真结果主要包括：S 参数、VSWR（驻波比）、RLC 等效电路、坡印亭矢量、近场分布和辐射方向图，具体应用范围主要包括微波/毫米波集成电路（MMIC）、RFDCB、RF 天线、HTS 电路和滤波器、IC 内部连接、电路封装等。

1.6 IMST-Empire软件

IMST-Empire软件主要采用FDTD 法，是RF 元件设计的标准仿真软件，它的应用范围包括平面结构、连接线、波导、RF 天线和多端口集成，仿真参数主要是S参数、辐射场方向图等。

1.7 Micro-Stripe仿真软件

该软件由美国FLOMERICS 公司研制，主要采用传输线矩阵法（TLM）。该软件可对飞机、舰船平台天线布置中的耦合度进行计算，可以对电子设备防雷击、电磁脉冲和静电放电威胁进行分析，可以辅助面天线、贴片天线、天线阵的电磁设计。

1.8 ADS软件

该软件是美国安捷伦公司在HP EESOF系列的EDA 软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，主要采用MoM 算法，可协助系统和电路工程师进行各种形式的射频设计，如离散射频/微波模块的集成、电路元件的仿真和模式识别。该软件还提供了一种新的滤波器的设计，其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化。

1.9 Sonnet 仿真软件

Sonnet 是一种基于矩量法的电磁仿真软件，是高频电路、微波、毫米波领域设计和电磁兼容/电磁干扰分析的三维仿真工具。主要应用于：微带匹配网络、微带电路、微带滤波器、带状线电路、带状线滤波器、过孔（层的连接或接地）、耦合线分析、PCB 板电路分析、PCB 板干扰分析、桥式螺线电感器、平面高温超导电路分析、毫米波集成电路（MMIC）设计和分析、混合匹配的电路分析、HDI 和LTCC 转换、单层或多层传输线的精确分析、多层/平面的电路分析、单层或多层的平面天线分析、平面天线阵分析、平面耦合孔分析等。

1.10 IE3D仿真软件

IE3D 是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下三维金属结构的电流分布问题，包括不连续性效应、耦合效应和辐射效应。仿真结果包括S 参数、VWSR（驻波比）、RLC 等效电路、电流分布、近场分布、辐射方向图、方向性、效率和RCS等。IE3D 在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF 印制板电路、微带天线、线电线及其它形式的RF 天线、HTS 电路及滤波器、IC 的内部连接及高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。

1.11 Microwave Office软件

该软件也是基于矩量法的电磁场仿真工具，是通过2个模拟器实现对微波平面电路的模拟和仿真。“VoltaireXL”模拟器处理集总元件构成的微波平面电路问题，“EMSight”模拟器处理任何多层平面结构的三维电磁场问题。“VoltaireXL”模拟器内设一个元件库，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等；非线性器件有双极晶体管、场效应晶体管、二极管等。在建立电路模型时，可以调出所用的元件。“EMSight” 模拟器的特点是把修正谱域矩量法与直观的图形用户界面（GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。它可以分析射频集成电路（RFIC）、微波单片集成电路（MMIC）、微带贴片天线和高速印制电路（PCB）等的电气特性。

1.12 ICE WAVE仿真软件

该软件是针对电子产品电磁兼容设计/电磁干扰分析的三维仿真工具，采用FDTD 全波数值方法。应用范围包括：PCB 退耦、辐射、接地、过孔和不连续分析，以及微波元器件、铁氧体、谐振腔、屏蔽盒的电磁分析。

1.13 WIPL-D软件

该软件是由WIPL-d.o.o.公司基于MoM算法开发的三维全波电磁仿真设计软件。它采用了最先进的最大正交化高阶基函数（HOBFs）、四边形网格技术等，减少了内存需求和计算时间。据介绍，该软件可用201s 仿真一个58λ长平台的天线布局问题。该软件能解决的电磁问题包括：各种电磁兼容天线设计、复杂平台天线布局问题、复杂平台RCS 计算以及微波无源结构设计。

1.14 Singula软件

该软件由加拿大IES 公司开发，采用MoM＋PO的混合算法，可用于天线与天线阵、波导与谐振腔、射频电路与微波元器件、电磁散射与RCS、吸收率（SAR）等方面的电磁分析，可以分析复杂平台短波和超短波天线布局问题。

1.15 FISC软件

美国Illinois大学于2001年公布的电磁散射分析软件FISC 适用于导弹（图7）、飞机（图8）、坦克等的电磁散射分析，采用的主要方法是多层快速多极子方法（MLFMA），据报道，可以求解未知量达1 千万的电磁散射问题。

1.16 XPATCH软件

该软件由美国军方研制，主要采用弹跳射线法（SBR），并与计算机图形学技术紧密结合。在计算中，同时考虑了射线直射时的物理光学近似、物理绕射以及射线的多次反射效应（multi-bounce rays）。

在计算射线直射效应（first bounce）时，最花时间的是确定复杂目标的阴影部分和遮挡部分，该软件采用Z-buffering 技术的硬件和软件精确确定这2 部分。阴影部分和遮挡部分确定之后，直射场部分的贡献可由PO 计算。为了计算多次反射效应，从入射波向目标发射一系列平行的射线，对每一条射线在目标上（或目标内）的反射和折射进行跟踪，直到射线离开目标为止。射线的跟踪是根据几何光学原理进行的，在反射点或折射点处的场由几何光学确定，包括极化效应、多层媒质效应等。在射线离开目标时的最后一个反射点，应用物理光学积分计算远区散射场（图9）。叠加所有射线对远区散射场的贡献，即获得总的远区散射场或雷达散射截面。通常，对RCS 的计算而言，1个波长的距离至少需要10 根射线。此软件基于的方法的原理虽然简单，但需要有效的几何CAD 技术和快速的射线跟踪算法。

2、应用

2.1 汽车电磁兼容仿真

1）仿真理论

电磁兼容仿真预测的研究内容主要是建立电磁兼容三要素：电磁干扰源、耦合路径和敏感设备的数学模型，并采用适当的数值计算方法求解这些模型，以评估系统各敏感设备是否满足预定的电磁干扰裕度要求。

2）仿真流程和建模方法

完整的电磁仿真流程如下图所示

建立正确的仿真模型是汽车电磁兼容仿真预测最重要的一步，所建立的模型与实际样车的匹配程度将直接决定仿真结果的精度与实用性。而且建模往往占据整个仿真过程70%以上的时间。针对不同类型的汽车电磁兼容问题，建模也要有针对性。比如信号线间的串扰分析，车载天线方向图的分析，车外辐射源对车身线束的干扰分析这些问题的建模就不尽相同。但不论是何种模型，核心都是要先确定潜在的干扰源、敏感设备及耦合路径，然后再对这三要素一一建模。

（1）干扰源：现在的仿真软件大都提供各种类型的激励源——点源、平面波、高斯波、电流源、脉冲等，对理想模型的仿真可以根据需要直接采用。而对于实际车况的模拟，可以使用示波器测量干扰源连接导线上的电压/电流波形，从而建立干扰源的时域波形；或者使用近场探头测量干扰源附近的电场分布，再作为仿真计算的激励源。

（2）耦合路径：主要是对汽车车身和线束模型化。要根据仿真的频率范围确定电磁面网格的划分精度。计算频率越高，网格划分要求越精细。同时在干扰源和耦合路径附近的车身电磁网格也要适当提高划分精度。线束的建模一般是利用传输线理论建立电路模型。对于电信号影响不大的汽车结构参数精度要求并不高，对结果影响不大的结构可以忽略。

（3）敏感设备：对敏感设备的建模主要是为了判断其是否发生干扰。判据对比敏感设备的电磁兼容阈值和通过耦合路径耦合的电磁干扰大小。对于传导干扰，可以通过分析到达敏感设备的电压/电流峰值、持续时间、周期等参数而判断是否发生干扰；对于辐射干扰可以通过敏感设备处的场强的频域分布判断是否发生干扰。

建立模型后，采用易于得到测量结果的简单例子进行仿真，将仿真结果与测量结果进行比较，并根据比较结果对模型进行反复修正，增强模型的匹配程度。

2.2 日用电器电磁兼容仿真

计算机仿真技术是开展电磁兼容性问题研究的重要手段和方法，即通过理论计算对设备或系统的兼容程度进行分析、评估，其目的是预先指导设计，尽早发现并解决 EMI问题。对于日用电器产品，必须了解并分析它的电磁环境，针对电磁兼容模型中的传导、耦合（感性/容性）及辐射三种现象及其原理进行全面的数值仿真试验，在产品设计开发初期及早把握其电磁性能，从而降低和消除电磁干扰，提高设备和系统的抗电磁干扰能力；日用电器产品的电磁兼容性研究的基本问题可归纳为：

（1）建立日用电器产品电磁兼容数据库

建立和完善各种日用电器EMC测试和整改措施的数据库，进行信息网络建设，实现资源共享的数据存储方式，为分析仿真提供数据资源，用户可以查询和鉴戒其他用户的设计经验，从而指导企业产品EMC设计或整改。

（2）建立基于计算机仿真技术

电磁兼容性预设计平台日用电器产品的电磁兼容性仿真设计包括三大方面：电路仿真、电磁场仿真和系统仿真。三个方面环环相扣构成一个完整的仿真设计流程。涉及环节包括从器件→部件→单机→整机→子系统→分系统→系统的整个流程。

在建立各种电器关键模型的基础上，以计算机工作站为硬件环境，以目前最先进的各种仿真工具作为软件平台，研制分析的程序，实现日用电器电磁环境的仿真，在完成原理图设计后，采用仿真工具进行布线前的信号完整性（SI）仿真和电磁干扰（EMl）仿真，确保重点信号线（如关键的时钟线、高速总线等）的信号完整性，为重点信号线选定匹配电阻、终端电阻、滤波电容等，并为布线设计提供重要的布线规则，提高布线质量。再进行线后的信号完整性分析、电磁兼容性分析、电源完整性分析以及可靠性计算和预测。