國外電磁兼容仿真軟件及相關應用

計算機的飛速發(fā)展以及電磁場數值分析方法的不斷進步，使得電磁兼容性仿真預測對軍用裝備產品設計的指導意義愈加明顯。各種商用化軟件的不斷推出，更是加速了這一進程。在電子對抗、電磁兼容等領域，由于用戶的迫切要求，出現了專門指導該領域專業(yè)設計的軟件。美國、意大利、西班牙、俄羅斯、德國、英國、法國等世界先進國家的電磁兼容預測和分析技術已經形成一整套數字仿真和優(yōu)化設計軟件系統(tǒng)，而且一刻也沒有停止過數值算法的完善和創(chuàng)新研究。

1、國外發(fā)展概況

電磁仿真技術中運用的主要計算電磁學方法大致可分為2 類：精確算法和高頻近似方法。精確計算方法包括差分法（FDTD，FDFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多極子FMM 和多層快速多極子MLFMA）等，其中，在解決電大目標電磁問題中最有效的方法為多層快速多極子方法。高頻方法一般可歸作2 類：一類基于射線光學，包括幾何光學（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎上發(fā)展起來的一致性繞射理論（UTD）等；另一類基于波前光學，包括物理光學（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（MEC）以及增量長度繞射系數法（ILDC）等。PO 高頻方法由于計算效率較高，對大目標的適應能力強，因此被廣為采用。

基于這些方法，國外不僅形成了眾多的預測仿真系統(tǒng)和軟件，還建立了相應的EMC 數據庫，可開展：1）各種軍用平臺電磁兼容性設計，包括大型艦船平臺的天線布置設計、艙室內EMC 設計、系統(tǒng)內EMC 分析、系統(tǒng)間EMC 分析等；2）平臺間EMC 分析，包括艦船編隊的EMC 分析；3）EMP（電磁脈沖）仿真、各種載體EMP 效應及適應性分析；4）陸?？仗祀娢寰S現代化戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析。

目前國外主要的商業(yè)軟件主要如下：

1.1 EMC2000軟件

該軟件由法國某公司研制，采用的計算方法主要是MoM，FDTD，FVO（有限體積法），PO/GO，GTD，UTD，PTD，ECM（等效電流法），在算法上與Ship EDF基本相同（增加了FVO），兩者的分析功能非常接近。據介紹，EMC2000 可以對雷電、靜電、電磁脈沖對目標的沖擊效應進行仿真分析，可對復雜介質進行時域分析，對孔縫耦合進行計算，但沒有RCS 計算功能。

1.2 FEKO+Cable Mod軟件

該軟件由南非某公司研制，采用的數值算法主要是MoM，PO，UTD，FEM（有限元法）以及一些混合算法，在新版軟件中增加了多層快速多極子算法（MLFMA），Cable Mod 功能和多種脈沖源（高斯、三角、雙指數和斜波脈沖）的時域分析，可為飛機、艦船、衛(wèi)星、導彈、車輛等系統(tǒng)的全波電磁分析提供解決手段，包括電磁目標的散射分析（圖1）、機箱的屏蔽效能分析（圖2）、天線的設計與分析（圖3）、多天線布局分析（圖4）、系統(tǒng)的EMC/EMI 分析、介質實體的SAR 計算、微波器件的分析與設計、電纜束的耦合分析等。

1.3 Ansoft-HFSS軟件

該軟件由美國Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要應用于微波器件（如波導、耦合器、濾波器、隔離器、諧振腔）和微波天線設計（圖5）中，可獲得特征阻抗、傳播常數、S 參數及電磁輻射場、天線方向圖等參數和結果。該軟件與FEKO 最早進入中國市場，并在國內擁有一定數量的用戶。

1.4 CST-SD 軟件

德國CST 公司研制了基于有限積分技術（FIT，該技術類似于FDTD）的仿真軟件CST-SD，主要用于高階諧振結構的設計。它通過散射參數（S 參數）將復雜系統(tǒng)分離成更小的單元進行分析，具體應用范圍主要是微波器件，包括耦合器、濾波器、平面結構電路、各種微波天線和藍牙技術等。圖6 是該軟件對雙指數脈沖信號沿電纜進入機箱后的效應進行仿真分析的結果。

1.5 FIDELITY 軟件

FIDELITY 軟件由Zeland公司研制，主要采用非均勻網格FDTD技術，可分析復雜填充介質中的場分布問題，其仿真結果主要包括：S 參數、VSWR（駐波比）、RLC 等效電路、坡印亭矢量、近場分布和輻射方向圖，具體應用范圍主要包括微波/毫米波集成電路（MMIC）、RFDCB、RF 天線、HTS 電路和濾波器、IC 內部連接、電路封裝等。

1.6 IMST-Empire軟件

IMST-Empire軟件主要采用FDTD 法，是RF 元件設計的標準仿真軟件，它的應用范圍包括平面結構、連接線、波導、RF 天線和多端口集成，仿真參數主要是S參數、輻射場方向圖等。

1.7 Micro-Stripe仿真軟件

該軟件由美國FLOMERICS 公司研制，主要采用傳輸線矩陣法（TLM）。該軟件可對飛機、艦船平臺天線布置中的耦合度進行計算，可以對電子設備防雷擊、電磁脈沖和靜電放電威脅進行分析，可以輔助面天線、貼片天線、天線陣的電磁設計。

1.8 ADS軟件

該軟件是美國安捷倫公司在HP EESOF系列的EDA 軟件基礎上發(fā)展完善起來的大型綜合設計軟件，主要采用MoM 算法，可協助系統(tǒng)和電路工程師進行各種形式的射頻設計，如離散射頻/微波模塊的集成、電路元件的仿真和模式識別。該軟件還提供了一種新的濾波器的設計，其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化。

1.9 Sonnet 仿真軟件

Sonnet 是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，是高頻電路、微波、毫米波領域設計和電磁兼容/電磁干擾分析的三維仿真工具。主要應用于：微帶匹配網絡、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔（層的連接或接地）、耦合線分析、PCB 板電路分析、PCB 板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導電路分析、毫米波集成電路（MMIC）設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI 和LTCC 轉換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層/平面的電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面耦合孔分析等。

1.10 IE3D仿真軟件

IE3D 是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，可以解決多層介質環(huán)境下三維金屬結構的電流分布問題，包括不連續(xù)性效應、耦合效應和輻射效應。仿真結果包括S 參數、VWSR（駐波比）、RLC 等效電路、電流分布、近場分布、輻射方向圖、方向性、效率和RCS等。IE3D 在微波/毫米波集成電路（MMIC）、RF 印制板電路、微帶天線、線電線及其它形式的RF 天線、HTS 電路及濾波器、IC 的內部連接及高速數字電路封裝方面是一個非常有用的工具。

1.11 Microwave Office軟件

該軟件也是基于矩量法的電磁場仿真工具，是通過2個模擬器實現對微波平面電路的模擬和仿真。“VoltaireXL”模擬器處理集總元件構成的微波平面電路問題，“EMSight”模擬器處理任何多層平面結構的三維電磁場問題。“VoltaireXL”模擬器內設一個元件庫，其中無源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線、帶狀線、同軸線等；非線性器件有雙極晶體管、場效應晶體管、二極管等。在建立電路模型時，可以調出所用的元件。“EMSight” 模擬器的特點是把修正譜域矩量法與直觀的圖形用戶界面（GUI）技術結合起來，使得計算速度加快許多。它可以分析射頻集成電路（RFIC）、微波單片集成電路（MMIC）、微帶貼片天線和高速印制電路（PCB）等的電氣特性。

1.12 ICE WAVE仿真軟件

該軟件是針對電子產品電磁兼容設計/電磁干擾分析的三維仿真工具，采用FDTD 全波數值方法。應用范圍包括：PCB 退耦、輻射、接地、過孔和不連續(xù)分析，以及微波元器件、鐵氧體、諧振腔、屏蔽盒的電磁分析。

1.13 WIPL-D軟件

該軟件是由WIPL-d.o.o.公司基于MoM算法開發(fā)的三維全波電磁仿真設計軟件。它采用了最先進的最大正交化高階基函數（HOBFs）、四邊形網格技術等，減少了內存需求和計算時間。據介紹，該軟件可用201s 仿真一個58λ長平臺的天線布局問題。該軟件能解決的電磁問題包括：各種電磁兼容天線設計、復雜平臺天線布局問題、復雜平臺RCS 計算以及微波無源結構設計。

1.14 Singula軟件

該軟件由加拿大IES 公司開發(fā)，采用MoM＋PO的混合算法，可用于天線與天線陣、波導與諧振腔、射頻電路與微波元器件、電磁散射與RCS、吸收率（SAR）等方面的電磁分析，可以分析復雜平臺短波和超短波天線布局問題。

1.15 FISC軟件

美國Illinois大學于2001年公布的電磁散射分析軟件FISC 適用于導彈（圖7）、飛機（圖8）、坦克等的電磁散射分析，采用的主要方法是多層快速多極子方法（MLFMA），據報道，可以求解未知量達1 千萬的電磁散射問題。

1.16 XPATCH軟件

該軟件由美國軍方研制，主要采用彈跳射線法（SBR），并與計算機圖形學技術緊密結合。在計算中，同時考慮了射線直射時的物理光學近似、物理繞射以及射線的多次反射效應（multi-bounce rays）。

在計算射線直射效應（first bounce）時，最花時間的是確定復雜目標的陰影部分和遮擋部分，該軟件采用Z-buffering 技術的硬件和軟件精確確定這2 部分。陰影部分和遮擋部分確定之后，直射場部分的貢獻可由PO 計算。為了計算多次反射效應，從入射波向目標發(fā)射一系列平行的射線，對每一條射線在目標上（或目標內）的反射和折射進行跟蹤，直到射線離開目標為止。射線的跟蹤是根據幾何光學原理進行的，在反射點或折射點處的場由幾何光學確定，包括極化效應、多層媒質效應等。在射線離開目標時的最后一個反射點，應用物理光學積分計算遠區(qū)散射場（圖9）。疊加所有射線對遠區(qū)散射場的貢獻，即獲得總的遠區(qū)散射場或雷達散射截面。通常，對RCS 的計算而言，1個波長的距離至少需要10 根射線。此軟件基于的方法的原理雖然簡單，但需要有效的幾何CAD 技術和快速的射線跟蹤算法。

2、應用

2.1 汽車電磁兼容仿真

1）仿真理論

電磁兼容仿真預測的研究內容主要是建立電磁兼容三要素:電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備的數學模型，并采用適當的數值計算方法求解這些模型，以評估系統(tǒng)各敏感設備是否滿足預定的電磁干擾裕度要求。

2）仿真流程和建模方法

完整的電磁仿真流程如下圖所示

建立正確的仿真模型是汽車電磁兼容仿真預測最重要的一步，所建立的模型與實際樣車的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實用性。而且建模往往占據整個仿真過程70%以上的時間。針對不同類型的汽車電磁兼容問題，建模也要有針對性。比如信號線間的串擾分析，車載天線方向圖的分析，車外輻射源對車身線束的干擾分析這些問題的建模就不盡相同。但不論是何種模型，核心都是要先確定潛在的干擾源、敏感設備及耦合路徑,然后再對這三要素一一建模。

(1)干擾源：現在的仿真軟件大都提供各種類型的激勵源——點源、平面波、高斯波、電流源、脈沖等，對理想模型的仿真可以根據需要直接采用。而對于實際車況的模擬，可以使用示波器測量干擾源連接導線上的電壓/電流波形，從而建立干擾源的時域波形；或者使用近場探頭測量干擾源附近的電場分布，再作為仿真計算的激勵源。

(2)耦合路徑:主要是對汽車車身和線束模型化。要根據仿真的頻率范圍確定電磁面網格的劃分精度。計算頻率越高,網格劃分要求越精細。同時在干擾源和耦合路徑附近的車身電磁網格也要適當提高劃分精度。線束的建模一般是利用傳輸線理論建立電路模型。對于電信號影響不大的汽車結構參數精度要求并不高，對結果影響不大的結構可以忽略。

(3)敏感設備:對敏感設備的建模主要是為了判斷其是否發(fā)生干擾。判據對比敏感設備的電磁兼容閾值和通過耦合路徑耦合的電磁干擾大小。對于傳導干擾，可以通過分析到達敏感設備的電壓/電流峰值、持續(xù)時間、周期等參數而判斷是否發(fā)生干擾；對于輻射干擾可以通過敏感設備處的場強的頻域分布判斷是否發(fā)生干擾。

建立模型后，采用易于得到測量結果的簡單例子進行仿真，將仿真結果與測量結果進行比較，并根據比較結果對模型進行反復修正，增強模型的匹配程度。

2.2 日用電器電磁兼容仿真

計算機仿真技術是開展電磁兼容性問題研究的重要手段和方法，即通過理論計算對設備或系統(tǒng)的兼容程度進行分析、評估，其目的是預先指導設計，盡早發(fā)現并解決 EMI問題。對于日用電器產品，必須了解并分析它的電磁環(huán)境，針對電磁兼容模型中的傳導、耦合(感性/容性)及輻射三種現象及其原理進行全面的數值仿真試驗，在產品設計開發(fā)初期及早把握其電磁性能，從而降低和消除電磁干擾，提高設備和系統(tǒng)的抗電磁干擾能力；日用電器產品的電磁兼容性研究的基本問題可歸納為：

(1)建立日用電器產品電磁兼容數據庫

建立和完善各種日用電器EMC測試和整改措施的數據庫，進行信息網絡建設，實現資源共享的數據存儲方式，為分析仿真提供數據資源，用戶可以查詢和鑒戒其他用戶的設計經驗，從而指導企業(yè)產品EMC設計或整改。

(2)建立基于計算機仿真技術

電磁兼容性預設計平臺日用電器產品的電磁兼容性仿真設計包括三大方面：電路仿真、電磁場仿真和系統(tǒng)仿真。三個方面環(huán)環(huán)相扣構成一個完整的仿真設計流程。涉及環(huán)節(jié)包括從器件→部件→單機→整機→子系統(tǒng)→分系統(tǒng)→系統(tǒng)的整個流程。

在建立各種電器關鍵模型的基礎上，以計算機工作站為硬件環(huán)境，以目前最先進的各種仿真工具作為軟件平臺，研制分析的程序，實現日用電器電磁環(huán)境的仿真，在完成原理圖設計后，采用仿真工具進行布線前的信號完整性（SI）仿真和電磁干擾(EMl)仿真，確保重點信號線(如關鍵的時鐘線、高速總線等)的信號完整性，為重點信號線選定匹配電阻、終端電阻、濾波電容等，并為布線設計提供重要的布線規(guī)則，提高布線質量。再進行線后的信號完整性分析、電磁兼容性分析、電源完整性分析以及可靠性計算和預測。