编者按:微波杂志我们要求一些领先的电磁兼容(EMC)/电磁干扰(EMI)电子设计自动化(EDA)软件供应商提供其EMC/EMI应用的特性描述，以及针对这些市场的独特解决能力。
牵牛星/ FEKO
Stellenbosch，南非
FEKO协助许多行业的原始设备制造商(OEM)及其供应商解决与设计、分析和验证相关的EMC问题。通过使用FEKO等软件应用程序，减少了原型和测试的数量，从而将开发过程从测量驱动转变为模拟驱动。FEKO用于EMC/EMI的主要应用包括发射、抗扰性、闪电效应、高强度辐射场(HIRF)、电磁脉冲(EMP)、屏蔽、辐射危害和天线耦合等。
EMC仿真
图1由FEKO计算的1 GHz飞机和磁场强度。
平台中的天线耦合是FEKO的一个亮点(参见图1)．该飞机几何结构是电磁兼容计算电磁学(CEMEMC)车间的一部分，对应于EV55的变形版本(EVEKTOR知识产权，spol)。s r.o.和HIRF SE财团，HIRF-SE FP7 EU项目)。根据问题及其电气尺寸和复杂性，用户只需要在FEKO中选择一个求解器。在FEKO中轻松计算天线耦合的一种方法是通过s参数，用户可以在不重新运行求解器的情况下看到改变天线负载的影响，轻松地可视化大量端口的结果，并绘制共站干扰矩阵以可视化地识别和分析关键耦合。此外，FEKO中的模型分解使用等效天线和EMC源来减少计算需求。
EMI设计挑战
FEKO解决了与EMI相关的多个关键用例。例如，汽车中从电缆线束到挡风玻璃天线(以及其他类型天线)的辐射场耦合，也与CISPR-25 EMC标准有关(CISPR是国际无线电干扰特别委员会或Comité International Spécial des微扰Radioélectriques)，该标准制定了行业测试标准。可能会有噪声信号通过汽车中的不同电缆传播，这些电缆的辐射耦合到不同的天线，从而增加噪声，从而降低模拟或数字无线电等系统的性能。为了解决这个问题，FEKO包括一个完整的集成电缆建模工具，可以分析电缆的辐射(和辐照)。该工具与专门设计用于模拟真实挡风玻璃天线的挡风玻璃天线方法一起，允许分析并找到与这些情况相关的解决方案(参见图2)．在图2b中，模拟了10m处两点的场，并计算了每个点的垂直和水平偏振。
图2带有挡风玻璃天线、电缆束和发动机控制单元(ECU)等效电源(a)的汽车模型，以及模拟电场，包括测量设置(b)。
独特的功能
FEKO使用简单，具有全面、准确、可靠和完全并行的真正杂交求解器集，包括矩量法(MoM)、多层快速多极子法(MLFMM)、有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)、物理光学/大单元物理光学(PO/LE-PO)、射线发射几何光学(RL-GO)和均匀衍射理论(UTD)。这些解算器广泛用于解决天线设计和放置、EMC、雷达截面(RCS)、生物电磁学、天线罩和射频设备等问题。根据问题的电气尺寸和复杂性，只需要使用一个或另一个求解器。FEKO的集成电缆建模工具解决了涉及复杂电缆的EMC问题。FEKO中电缆的两种特殊方法是多导体传输线(MTL)和MoM/MTL组合，它用于电缆下面的地平面不连续的实际问题。FEKO是Altair HyperWorks计算机辅助工程(CAE)平台的一部分，由于Altair独特的许可系统，FEKO带来了一组额外的和不同的功能，可以在没有额外成本的情况下利用这些功能。由于HyperMesh是一个领先的有限元分析预处理器，非常复杂的计算机辅助设计(CAD)模型可以在更短的时间内清理和网格化(包括自动化)。使用HyperStudy, FEKO用户可以进行实验设计，以进一步优化设计，包括其他物理分析，并使用激活电路，如DC/DC转换器，可以进行分析和设计。
图3可以用ANSYS EMIT分析的多无线电和无线电数字系统示例。
有限元分析软件
Canonsburg, Pa。
同一位置平台集成无线电之间的射频干扰问题很难管理。随着与物联网基础设施的不断集成，现代商业电子设备变得越来越复杂，无线功能也越来越丰富。这种密集的无线能力导致整个电子行业的射频干扰(RFI)问题呈指数级增长。无线电环境的例子是一个单一的结构，如飞机、卫星、无线电子设备或在一个更分散的环境中的多个无线电，如办公室环境或室外小区通信站点中的许多无线设备。这些多频段射频系统需要和平共处，并在一起“发挥良好”，而不降低环境中其他系统的性能。而且干扰问题并不局限于明确的无线电频道。开云体育官网登录平台网址电子设备由射频和数字信号和组件组成，它们可以共享一个公共地平面或基准。数字信号本身，虽然通常工作在时钟频率低于无线电频率，可以包含谐波干扰无线电信道通过他们共同的参考几何。开云体育官网登录平台网址后者，rf数字干扰通常被称为去感知，并且是无线电子设备中更困难的设计挑战之一，因为它需要一个完整的系统理解来预测和/或检测(参见图3)．
图4来自EMIT的交互图和场景矩阵，用于重建干扰路径并确定EMI的根本原因。
ANSYS EMIT电磁干扰分析
ANSYS EMIT是业界领先的复杂环境下RFI仿真软件。EMIT与ANSYS HFSS和HFSS SBR+(前身为Delcross Savant)合作，将射频系统干扰分析与一流的电磁仿真相结合，用于建模已安装的天线到天线和无线电到无线电耦合。该解决方案可靠地预测了具有多个发射机和接收机的多天线环境中RFI的影响。EMIT的分析引擎计算重要的射频相互作用，包括非线性系统组件效应。众所周知，在复杂环境中诊断RFI在测试环境中执行是非常困难和昂贵的。为了应对这一挑战，EMIT提供了一个动态链接的结果视图，通过图形信号回溯和诊断摘要来帮助识别干扰的根本原因。这些摘要显示了发射机到接收机干扰信号的起源和路径图4)．
发现干扰原因后，EMIT能够快速评估各种RFI缓解措施，以得出最佳解决方案。包含与电磁耦合相关的精确物理效应将提高射频系统仿真的保真度和可靠性。HFSS/EMIT数据链允许在EMIT中直接从HFSS中安装的天线的物理3D模型创建RFI分析模型，为系统和环境的完整RFI解决方案提供无缝的端到端工作流程，范围从大型平台共站干扰到紧凑电子设备中的接收器去感知。
ANSYS RF选项中的ANSYS EMIT提供了一个软件框架，用于管理系统性能数据，包括RF系统库，用于模拟复杂多系统环境中的RFI效应的计算引擎，用于快速自动识别RFI问题根本原因的动态分析工具，并允许工程师快速评估不同的“假设”分析，以解决EMI问题。
图5雷击时飞机表面的电流。
计算机仿真技术(CST)
达姆施塔特,德国
EMC的挑战
CST EMC STUDIO是一个电磁仿真工具，业界领导者使用它来分析和优化产品的性能和符合EMC规范。CST的“完整技术”方法意味着CST EMC STUDIO包括一系列适用于许多不同场景的求解器，从通用的时间和频域求解器到电缆和印刷电子产品的专用求解器。这些解算器都包含在一个接口中，允许独特的集成工作流。
来自EDA工具的CAD数据和印刷电路板(PCB)布局都可以导入CST EMC STUDIO。专门的PCB仿真工具可以快速计算信号完整性和功率完整性(SI/PI)，并识别违反EMC设计规则的情况，而通用3D求解器可以详细模拟辐射和传导发射/灵敏度。三维结构(包括附加电路)上的场和电流可以可视化，以帮助工程师识别耦合路径。
图6干扰任务显示了射频系统的哪些组合可能导致共站干扰。
EMI的挑战
对辐射和环境电磁效应(E3)如闪电的免疫是一个重要的应用(见图5)．传输线矩阵(TLM)求解器特别适合于这些应用，可以有效地模拟非常大的结构。它支持八叉树网格和紧凑模型的接缝，通风口，复合材料和其他相关功能，可以进一步加速模拟，同时保持精度，还为CST CABLE STUDIO提供双向耦合，以模拟电场如何耦合并通过电缆和电缆束传播。
CST EMC STUDIO的另一个主要应用是天线耦合。在典型的天线到天线的场景中，天线可能被安装在非常大的平台上，如飞机、船舶或建筑物，但耦合本身可能取决于细节，如天线或平台中的接缝、通风口和电缆的准确设计。CST EMC STUDIO支持一种混合方法，其中可以使用合适的求解器(如时域求解器)详细模拟天线，然后使用不同的求解器(如积分方程求解器、TLM求解器或渐近求解器)作为场源进行耦合模拟。以这种方式组合求解器可以为工程师提供两者的最佳效果，并可以显著加快模拟时间。
除了计算子系统之间的耦合，例如平台上的天线或PCB上的通道，共站干扰分析还包括考虑每个子系统的频谱。开云体育官网登录平台网址CST EMC STUDIO 2017新增的干扰任务提供了一种直接的方法来调查潜在的EMI问题，使用来自模拟的耦合数据与每个Rx/Tx系统的信息相结合(参见图6)．使用此方法，干扰任务生成一个违例矩阵，突出显示可能导致EMI问题的组合。这是在虚拟样机上识别EMI问题和测试缓解方法的一种非常有效的方法。
图7移动设备布局(a)和自干扰与PCB上数字接口位置(b)的例子。
Keysight技术
加利福尼亚州圣罗莎
EMI和EMC对于系统工程师来说并不是什么新问题。然而，随着计算机、网络、存储和移动设备的数据速率不断提高，设计工程师面临着更大的挑战，不仅要处理传统的排放问题，还要处理与附近电路和系统组件的耦合问题。使用适当的设计工具克服这些挑战对于成功的系统设计是至关重要的。
射频失感或射频干扰问题
当涉及到EMC和EMI时，设计人员面临的问题之一是子系统和天线之间的干扰。在移动设备中，这是一个特别严重的问题，因为移动设备的设计被压缩到非常小的区域。干扰会导致接收机灵敏度下降，也称为“RF去感”或“RFI”问题。例如，高速应用处理器、内存、相机模块、DC-DC电源转换器和高速互连，如USB 3.1 Type C，可能会导致包含多波段天线的射频电路出现“自干扰”问题图7)．
图8蜂窝，无线局域网和蓝牙天线在移动电话耦合。
集成电路和电磁仿真是必要的
诊断射频失感和自干扰问题是当今设计人员面临的真正挑战。他们必须使用EM求解器模拟设备内的电磁场相互作用，并能够处理来自电路和系统级设计工具的数字波形。对于这些任务，集成电路和电磁的设计环境是必须的。Keysight的高级设计系统(ADS)和EMPro提供了一个独特的集成软件设计平台，提供了解决方案。
天线对天线耦合问题
由于许多天线挤在一个非常小的空间里，天线之间的耦合可能会成为相当大的问题图8)．如果设计人员使用不同的频段，这种类型的耦合可能会或可能不会那么重要。设计人员还可以使用带通或带阻滤波器，这可以减少不必要的能量耦合。整个设备需要精心设计，包括与地平面的机载天线协同设计。
由于天线对天线耦合主要是近场问题，因此可以使用传统的电磁仿真技术(如FEM、MoM或FDTD引擎)准确地处理。耦合问题可以通过调整天线位置和/或调整天线性能来缓解，例如增益与频率或辐射模式的关系。
使用Keysight设计工具，设计人员可以模拟电子电路和组件的辐射发射，确定这些发射是否在通用标准(如FCC Part 15, CISPR 22和MIL-STD-461F)规定的水平内，以及它们是否符合标准——所有这些都是在硬件开发之前。
除了验证EMI合规性外，为准确计算排放水平注入正确的噪声波形也是至关重要的。Keysight工具为设计人员提供了许多不同的波形，无论是标准波形、用户定义波形还是测量波形。
整合是关键
随着数据速率的不断提高，系统设计人员可能会面临更大的EMI和EMC设计挑战。使用正确的设计工具，提供集成电路和电磁仿真是必不可少的。Keysight的设计工具不仅提供了这种级别的集成，而且旨在处理一系列设计问题，使其成为帮助系统工程师克服他们现在和未来面临的EMC和EMI设计挑战的理想选择。
倪心田;
加州埃尔塞贡多
解决EMC/EMI性能问题是产品开发的重要组成部分，特别是当电子产品密集封装时，高频信号和快速瞬变会产生辐射或传导(传输)发射，并可能相互产生不利影响。NI AWR设计环境是一个用于高频电路和系统产品开发的开放设计平台，它通过集成设计工具解决了这些问题，该工具将平面和任意三维电磁分析直接纳入电路和系统级设计和仿真中。下面两个例子说明了通过集成电路、系统和电磁联合仿真提供的分析功能，其中NI AWR软件的功能被利用来克服几个EMC/EMI设计挑战。
图9电磁兼容辐射噪声分析模型。
三菱的例子
三菱电机公司的设计师使用NI AWR设计环境来解决他们的EMC/EMI设计难题，并改善公司DIATONE汽车音响系统的音质。设计团队使用Microwave Office电路设计软件和AXIEM平面电磁分析软件对导航系统电路板设计进行了严格的EMC噪声分析，包括通过分析传输路径和辐射噪声来识别噪声源。
设计师考虑了整个系统，其中包括一个特定环境中的发射源(发射器)和敏感受体。EMI来自集成电路产生的电磁波。高频噪声建模包括三个基本组成部分:噪声源、传播路径和辐射端，如图所示图9．
在该模型中，音频板采用电源板和包含微控制器、数字信号处理器和数模转换器的主板的双板配置设计。设计人员开发了一个精确的噪声源模型，并通过测试系统中的测量进行了验证。然后，该模型与可能的电路板几何形状的EM模拟一起使用，以研究如何减轻EM问题(参见图10)．抗噪声措施的改进，以及试验次数的显著减少，使得总体试验成本大幅降低，同时仍保持音质。
图10EMC辐射噪声分析模型(a)和设计中实施抗噪声措施后的共振消除(b)。
图11集成电路分析与电磁建模加快了问题的识别和解决。
Microwave Office和AXIEM的紧密耦合极大地加快了设计过程。对传输噪声成分的EMC噪声分析揭示了导致音频系统音质下降的返回路径。AXIEM的当前视图迅速识别出热点;对组件的更改可以在Microwave Office中快速实现，然后将其耦合回AXIEM结果，如图所示图11．通过EMC噪声分析，试验成本至少降低了60%，零部件成本至少降低了30%，人工成本至少降低了60%，公用事业成本至少降低了50%。
图12缺口带滤波器的电路模型。
射频微技术实例
RF Microtech利用NI AWR设计环境成功解决了另一个EMI/EMC设计挑战，设计了一个非常大且复杂的超宽带(UWB)滤波器，用于防止移动业务频段干扰2015年米兰世博会的关键安全控制基站。这种类型的问题与第一个例子不同，设计人员被要求从已知特征的干扰信号中开发高性能滤波器。挑战在于要在不到一个月的时间内开发出这种过滤器。
RF Microtech接受了一项挑战，要求提供一种经过验证的双端口UWB滤波器的全波EM模拟，该滤波器可以拒绝所有5个大于35 dB的移动服务频段。经过验证的EM模拟必须在两周内交付，完整的可部署设备必须在博览会开幕前交付。设计团队使用Microwave Office开发了一个电路模型，由五个独立的缺口带滤波器(NBF)沿传输线级联图12)．
每个独立滤波器被设计成一个四阶或五阶NBF，由几个级联的N个并联谐振器组成。个别滤波器规格要求谐振器具有高空载Qs(>1000)和6 GHz以下无杂散模式。在确定最佳滤波器几何形状后，在ANSYS HFSS全波电磁分析工具中对传输线和滤波器截面进行了验证。
这两个用例说明了如何通过使用NI AWR设计环境集成电路和EM设计工具来克服EMC/EMI性能问题，使设计团队能够大幅缩短设计周期和成本，并按时交付高质量的解决方案。
