5个领先的EDA工具解决EMC/EMI设计挑战

编者按:微波杂志采访了一些领先的电磁兼容性(EMC)/电磁干扰(EMI)电子设计自动化(EDA)软件供应商，请他们描述他们在EMC/EMI应用方面的功能以及针对这些市场的独特解决能力。

牵牛星/ FEKO
南非的斯泰伦博斯

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的关键应用包括发射、抗扰度、雷电效应、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

平台上的天线耦合是FEKO的最佳点之一图1)。这种飞机几何结构是EMC (CEMEMC)计算电磁学研讨会的一部分，对应于EV55的变形版本(EVEKTOR的知识产权，spol)。hif -SE联盟，hif -SE FP7欧盟项目)。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，可以轻松地将大量端口的结果可视化，并绘制共站点干扰矩阵，以直观地识别和分析关键耦合。此外，FEKO中的模型分解与等效天线和EMC源一起工作，以减少计算需求。

EMI设计挑战

FEKO解决了多个与EMI相关的关键用例。例如，从电缆线束到车辆挡风玻璃天线(以及其他类型的天线)的辐射场耦合，也与制定行业测试标准的CISPR-25 EMC标准有关(CISPR是国际无线电干扰特别委员会或comit国际无线电扰动特别委员会)。车内不同的电缆可能会传播噪声信号，这些电缆的辐射被耦合到不同的天线中，增加了噪声，从而降低了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，允许分析电缆的辐射(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，允许人们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，在10 m处模拟两个点的场，并计算每个点的垂直和水平极化。

独特的功能

FEKO易于使用，具有全面、准确、可靠和完全并行的一套真正杂交的求解器，包括矩量法(MoM)、多层快速多极法(MLFMM)、有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)、物理光学/大元素物理光学(PO/LE-PO)、射线发射几何光学(RL-GO)和均匀衍射理论(UTD)。这些求解器广泛用于解决天线设计和放置、EMC、雷达横截面(RCS)、生物电磁学、天线罩和射频器件等问题。根据问题的电气尺寸和复杂程度，只需要使用一种或另一种求解器。FEKO的集成电缆建模工具解决了涉及复杂电缆的EMC问题。电缆FEKO中的两种特殊方法是多导体传输线(MTL)和多导体传输线(MoM/MTL)组合，用于电缆下面的接地面不连续的实际问题。FEKO作为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，可以在不额外成本的情况下利用。非常复杂的计算机辅助设计(CAD)模型可以在更短的时间内(包括自动化)清理和网格化，这要归功于HyperMesh，一种领先的有限元分析预处理器。通过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，并且可以分析和设计激活电路，如DC/DC转换器。

有限元分析软件
Canonsburg, Pa。

同址平台集成无线电之间的射频干扰问题很难管理。随着物联网基础设施的不断整合，现代商业电子设备变得越来越复杂，功能越来越丰富，无线能力也越来越强。这种密集的无线能力导致了整个电子工业中射频干扰(RFI)问题的指数增长。无线电环境的例子是单一结构，如飞机、卫星、无线电子设备或更分散环境中的多个无线电，如办公室设置或室外小区通信站点中的许多无线设备。这些多个多频段射频系统需要和平共存，并在一起“发挥良好”，而不会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元件组成，它们可以共享一个共同的接地面或基准。单独的数字信号，虽然通常在低于无线电频率的时钟频率下工作，但可能包含谐波，通过它们共同的参考几何形状干扰无线电信道。开云体育官网登录平台网址后者，射频数字干扰通常被称为去感，并且是无线电子设备中更困难的设计挑战之一，因为它需要完整的系统理解来预测和/或检测(参见图3)。

ANSYS EMIT电磁干扰分析

ANSYS EMIT是一款业界领先的软件，用于在复杂环境中模拟RFI。EMIT与ANSYS HFSS和HFSS SBR+(前身为Delcross Savant)一起工作，将射频系统干扰分析与一流的电磁仿真相结合，用于对安装的天线对天线和无线电对无线电耦合进行建模。该解决方案可靠地预测了具有多个发射器和接收器的多天线环境中的RFI效果。EMIT的分析引擎可以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，在测试环境中诊断复杂环境中的RFI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。这些摘要显示了收发干扰信号的来源和路径(见图4)。

在发现干扰原因后，EMIT能够快速评估各种RFI缓解措施，从而得出最佳解决方案。包括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数据链允许直接从HFSS中安装的天线的物理3D模型在EMIT中创建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型电子设备中的接收器去感。

ANSYS RF Option中的ANSYS EMIT提供了一个用于管理系统性能数据的软件框架，包括射频系统库，用于模拟复杂多系统环境中RFI效果的计算引擎，用于快速自动识别RFI问题根源的动态分析工具，并允许工程师快速评估不同的“假设”分析以解决EMI问题。

计算机模拟技术(CST)
达姆施塔特,德国

EMC的挑战

CST EMC STUDIO是一款EMC仿真工具，行业领导者使用它来分析和优化产品的性能并符合EMC规范。CST“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，从通用时域和频域求解器到电缆和印刷电子产品的专用求解器。这些求解器都包含在一个界面中，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。专用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/磁化率。3D结构上的场和电流，包括附加电路，可以可视化，以帮助工程师识别耦合路径。

EMI的挑战

对辐射和雷电等环境电磁效应(E3)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的接缝、通风孔、复合材料和其他相关特征模型，这可以进一步加快模拟速度，同时保持准确性，并且还为CST CABLE STUDIO提供双向耦合，用于模拟场如何耦合并通过电缆和电缆线束传播。

CST EMC STUDIO的另一个主要应用是天线耦合。在典型的天线对天线场景中，天线可能安装在飞机、船舶或建筑物等超大平台上，但耦合本身可能取决于天线的精确设计或平台上的接缝、通风口和电缆等细节。CST EMC STUDIO支持一种混合方法，其中天线可以使用合适的求解器(如时域求解器)详细模拟，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)作为耦合仿真的场源。以这种方式将求解器结合在一起，工程师可以获得两者的最佳效果，并且可以显着加快仿真时间。

除了计算子系统之间的耦合，例如平台上的天线或PCB上的信道，共址干扰分析还涉及到考虑每个子系统的频谱。开云体育官网登录平台网址干扰任务是CST EMC STUDIO 2017中的新功能，它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结合每个Rx/Tx系统的信息(参见图6)。使用此方法，干扰任务生成一个违规矩阵，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。

Keysight技术
加州圣罗莎

对于系统工程师来说，电磁干扰和电磁兼容并不是一个新问题。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，设计工程师面临的挑战不仅是处理传统的发射问题，还包括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是成功的系统设计的关键。

射频解感或射频问题

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，因为设计被压缩到非常小的区域。干扰会导致接收器灵敏度下降，也称为“射频去感”或“RFI”问题。例如，高速应用处理器、存储器、相机模块、DC-DC电源转换器和高速互连，如USB 3.1 Type C，可能会导致包含多频段天线的射频电路出现“自干扰”问题(参见图7)。

集成电路和电磁仿真是必要的

诊断射频去感和自干扰问题对当今的设计人员来说是一个真正的挑战。他们必须使用EM求解器对设备内的电磁场相互作用进行建模，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EM的设计环境是必须的。是德科技的先进设计系统(ADS)和EMPro提供了一个独特的集成软件设计平台，提供了一个解决方案。

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，天线之间的耦合会变得相当有问题(参见图8)。如果设计人员使用不同的频带，这种类型的耦合可能很重要，也可能不重要。设计人员还可以采用带通或带阻滤波器，这可能会减少不必要的能量耦合。需要对整个设备进行仔细的设计，包括板载天线与接地平面的协同设计。

由于天线间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)精确处理。可以通过调整天线的位置和/或调整天线性能(如增益与频率或辐射模式的关系)来减轻耦合问题。

使用是德科技设计工具，设计人员可以模拟电子电路和元件的辐射发射，确定这些发射是否在通用标准规定的水平内，如FCC Part 15, CISPR 22和MIL-STD-461F，以及它们是否符合要求-所有这些都在硬件开发之前。

除了验证EMI合规性之外，为准确计算排放水平而注入正确的噪声波形也至关重要。是德科技的工具为设计人员提供了许多不同的波形，无论是标准波形，用户定义的还是测量的波形。

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。使用提供集成电路和电磁仿真的正确设计工具至关重要。是德科技的设计工具不仅提供集成水平，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今天和未来面临的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性能是产品开发的一个组成部分，特别是当电子设备密集包装时，导致高频信号和快速瞬态产生辐射或传导(传输)发射，并有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式设计平台，通过集成设计工具解决了这些问题，这些设计工具将平面和任意3D EM分析直接纳入电路和系统级设计和仿真中。通过集成电路、系统和电磁联合仿真所提供的分析功能，通过以下两个示例进行说明，其中利用NI AWR软件的功能克服了几个EMC/EMI设计挑战。

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设计挑战，并提高公司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的电路板设计进行了严格的电磁兼容噪声分析，包括通过分析传输路径和辐射噪声来识别噪声源。

设计人员考虑了整个系统，其中包括给定环境中的发射源(发射器)和敏感受体。电磁干扰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、传输路径和辐射端，如图图9。

在该模型中，音频板采用了电源板和主板的双板配置，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，并通过测试系统中的测量进行了验证。然后将该模型与可能的板几何形状的EM模拟结合使用，以研究如何减轻EM问题(参见图10)。抗噪音措施的改进与试验次数的显著减少相结合，在保持声音质量的同时，大大降低了总体试验成本。

微波办公室和AXIEM的紧密耦合极大地加快了设计过程。对传输噪声分量的电磁兼容噪声分析揭示了导致音频系统音质退化的返回路径。AXIEM目前的观点很快就确定了热点;然后，对组件的更改可以在Microwave Office中快速实现，从而耦合回AXIEM结果，如图所示图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%，人工成本降低了至少60%，公用事业成本降低了至少50%。

射频微技术示例

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，用于防止移动服务频段干扰2015年米兰世博会上的关键安全控制基站。这种类型的问题不同于第一个例子，因为设计人员被要求开发一种高性能滤波器，以防止具有已知特征的干扰信号。我们面临的挑战是在不到一个月的时间内开发出这种过滤器。

RF Microtech公司面临的挑战是提供一个经过验证的双端口UWB滤波器的全波EM仿真，该滤波器可以抑制大于35 dB的所有五个移动服务频段。经过验证的电磁仿真必须在两周内交付，并在博览会开幕前交付完整的可部署设备。设计团队使用Microwave Office开发了沿传输线级联的五个独立陷波带滤波器(NBF)的电路模型(参见图12)。

每个独立滤波器被设计成一个四阶或五阶NBF，由若干级联的N个并联谐振器组成。单个滤波器规格要求谐振器具有高卸载q (bbb1000)和6 GHz以下无杂散模式。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使用NI AWR设计环境集成电路和EM设计工具克服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。