設計早期對EMC的考慮

隨著(zhù)產(chǎn)品復雜性和密集度的提高以及設計周期的不斷縮短，在設計周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問(wèn)題變得越來(lái)越不切合實(shí)際。在較高的頻率下，你通常用來(lái)計算EMC的經(jīng)驗法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗法則。結果，70% ~ 90%的新設計都沒(méi)有通過(guò)第一次EMC測試，從而使后期重設計成本很高，如果制造商延誤產(chǎn)品發(fā)貨日期，損失的銷(xiāo)售費用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問(wèn)題，設計師應該考慮在設計過(guò)程中及早采用協(xié)作式的、基于概念分析的EMC仿真。
　　較高的時(shí)鐘速率會(huì )加大滿(mǎn)足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領(lǐng)域，機殼諧振次數增加會(huì )增強電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問(wèn)題；專(zhuān)用集成電路（ASIC）散熱片也會(huì )加大電磁輻射。此外，管理機構正在制定規章來(lái)保證越來(lái)越高的頻率下的順應性。再則，當工程師打算把輻射器設計到系統中時(shí)，對集成無(wú)線(xiàn)功能（如Wi-Fi、藍牙、WiMax、UWB）這一趨勢提出了進(jìn)一步的挑戰。
　　傳統的電磁兼容設計方法
　　正常情況下，電氣硬件設計人員和機械設計人員在考慮電磁兼容問(wèn)題時(shí)各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們在設計期間經(jīng)常使用經(jīng)驗法則，希望這些法則足以滿(mǎn)足其設計的器件要求。在設計達到較高頻率從而在測試中導致失敗時(shí)，這些電磁兼容設計規則有不少變得陳舊過(guò)時(shí)。
　　在設計階段之后，設計師制造原型并對其進(jìn)行電磁兼容性測試。當設計中考慮電磁兼容性太晚時(shí)，這一過(guò)程往往會(huì )出現種種EMC問(wèn)題。對設計進(jìn)行昂貴的修復通常是唯一可行的選擇。當設計從系統概念設計轉入具體設計再到驗證階段時(shí)，設計修改常常會(huì )增加一個(gè)數量級以上。所以，對設計作出一次修改，在概念設計階段只耗費100美元，到了測試階段可能要耗費幾十萬(wàn)美元以上，更不用提對面市時(shí)間的負面影響了。
　　電磁兼容仿真的挑戰
　　為了在實(shí)驗室中一次通過(guò)電磁兼容性測試并保證在預算內按時(shí)交貨，把電磁兼容設計作為產(chǎn)品生產(chǎn)周期不可分割的一部分是非常必要的。設計師可借助麥克斯韋（Maxwell）方程的3D解法就能達到這一目的。麥克斯韋方程是對電磁相互作用的簡(jiǎn)明數學(xué)表達。但是，電磁兼容仿真是計算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見(jiàn)的難題。
　　典型的EMC問(wèn)題與機殼有關(guān)，而機殼對EMC影響要比對EMC性能十分重要的插槽、孔和纜線(xiàn)等要大。精確建模要求模型包含大大小小的細節。這一要求導致很大的縱橫比（最大特征尺寸與最小特征尺寸之比），從而又要求用精細柵格來(lái)解析最精細的細節。壓縮模型技術(shù)可使您在仿真中包含大大小小的結構，而無(wú)需過(guò)多的仿真次數。
　　另一個(gè)難題是你必須在一個(gè)很寬的頻率范圍內完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計算電磁場(chǎng)所需的時(shí)間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線(xiàn)方法（TLM）等的時(shí)域方法可在時(shí)域內采用寬帶激勵來(lái)計算電磁場(chǎng)，從而能在一個(gè)仿真過(guò)程中得出整個(gè)頻段的數據?？臻g被劃分為在正交傳輸線(xiàn)交點(diǎn)處建模的單元。電壓脈沖是在每一單元被發(fā)射和散射。你可以每隔一定的時(shí)間，根據傳輸線(xiàn)上的電壓和電流計算出電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
　　EMC仿真可得出精確的結果。圖1對裝在一塊底板上的三種模塊配置（即1塊、2塊和3塊模塊）的輻射功率計算值（紅色）與輻射功率實(shí)測結果（藍色）進(jìn)行了比較，（參考文獻1）。輻射功率計算值以1nw 為基準，單位為dB 。你可以把多個(gè)模塊配置的諧振峰值位置存在的小差異歸因于在測量中難以將多個(gè)模塊精確對準。值得注意的是，由于三種配置的輸入功率都相同，所以輻射功率的諧振峰值和幅度的差異僅僅是由于系統布局不同引起的。

　　潛在應用領(lǐng)域
　　EMC仿真可用于檢測元件和子系統，如散熱器接地的輻射分布對頻率特性影響，也可用于評價(jià)接地技術(shù)、散熱器形狀的影響及其它因數。此外，你還可比較不同通風(fēng)口尺寸與形狀以及金屬厚度的屏蔽效果。在該領(lǐng)域的最新應用中，有一項研究工作是對采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過(guò)放置兩塊背靠背間隔很小的板來(lái)達到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評估。
　　EMC仿真也適用于系統級電磁兼容設計和優(yōu)化，以便計算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠場(chǎng)輻射圖、用來(lái)模擬轉臺式測量情況的柱形近場(chǎng)電磁輻射以及用以實(shí)現可視化，有助于確定電磁兼容熱點(diǎn)位置的電流和電磁場(chǎng)分布。典型的系統級EMC應用有：確保最大屏蔽效果的機殼設計，機殼內元件分布位置的EMC 效果評估，系統內外纜線(xiàn)耦合的計算以及纜線(xiàn)輻射效果的檢測。EMC仿真還有助于發(fā)現有害電磁波在機殼和子系統中的機理，如空腔諧振，穿過(guò)孔、插槽、接縫和其他機座開(kāi)口處的電磁輻射，通過(guò)纜線(xiàn)的傳導輻射，與散熱器、其他元件的耦合，以及光學(xué)元件、顯示器、 LED和其他安裝在機座上的元件固有的寄生波導。
　　接頭類(lèi)型對EMC 的影響
　　你可以使用簡(jiǎn)單而快速建立的機殼模型來(lái)進(jìn)行接縫配置方面的設計折衷。圖2對對接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機殼接縫產(chǎn)生的輻射作出評估。通過(guò)比較相對的屏蔽水平，工程師就可以根據機殼的EMC預算和實(shí)現特定設計配置的成本來(lái)做出決定。仿真過(guò)程中增加內部元件僅僅對仿真時(shí)間產(chǎn)生很小的影響，所以設計師可以方便地在引起插槽諧振間耦合、諧振腔模式以及與內部結構的交互作用的真實(shí)環(huán)境下對接縫屏蔽效果進(jìn)行評估。插槽泄漏的設計規則不適用于以上幾個(gè)因素，會(huì )導致成本高昂的過(guò)設計和欠設計。