國外電磁兼容仿真軟件及相關(guān)應用

計算機的飛速發(fā)展以及電磁場(chǎng)數值分析方法的不斷進(jìn)步，使得電磁兼容性仿真預測對軍用裝備產(chǎn)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(jìn)程。在電子對抗、電磁兼容等領(lǐng)域，由于用戶(hù)的迫切要求，出現了專(zhuān)門(mén)指導該領(lǐng)域專(zhuān)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(jìn)國家的電磁兼容預測和分析技術(shù)已經(jīng)形成一整套數字仿真和優(yōu)化設計軟件系統，而且一刻也沒(méi)有停止過(guò)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(shù)中運用的主要計算電磁學(xué)方法大致可分為2 類(lèi)：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(wèn)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(lèi)：一類(lèi)基于射線(xiàn)光學(xué)，包括幾何光學(xué)（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎上發(fā)展起來(lái)的一致性繞射理論（UTD）等；另一類(lèi)基于波前光學(xué)，包括物理光學(xué)（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（MEC）以及增量長(cháng)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和軟件，還建立了相應的EMC 數據庫，可開(kāi)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(xiàn)布置設計、艙室內EMC 設計、系統內EMC 分析、系統間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現代化戰場(chǎng)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(jìn)行仿真分析，可對復雜介質(zhì)進(jìn)行時(shí)域分析，對孔縫耦合進(jìn)行計算，但沒(méi)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(shí)域分析，可為飛機、艦船、衛星、導彈、車(chē)輛等系統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(xiàn)的設計與分析（圖3）、多天線(xiàn)布局分析（圖4）、系統的EMC/EMI 分析、介質(zhì)實(shí)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(xiàn)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(chǎng)、天線(xiàn)方向圖等參數和結果。該軟件與FEKO 最早進(jìn)入中國市場(chǎng)，并在國內擁有一定數量的用戶(hù)。

1.4 CST-SD 軟件

德國CST 公司研制了基于有限積分技術(shù)（FIT，該技術(shù)類(lèi)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(guò)散射參數（S 參數）將復雜系統分離成更小的單元進(jìn)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(xiàn)和藍牙技術(shù)等。圖6 是該軟件對雙指數脈沖信號沿電纜進(jìn)入機箱后的效應進(jìn)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(wǎng)格FDTD技術(shù)，可分析復雜填充介質(zhì)中的場(chǎng)分布問(wèn)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(chǎng)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(xiàn)、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(xiàn)、波導、RF 天線(xiàn)和多端口集成，仿真參數主要是S參數、輻射場(chǎng)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(xiàn)矩陣法（TLM）。該軟件可對飛機、艦船平臺天線(xiàn)布置中的耦合度進(jìn)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(jìn)行分析，可以輔助面天線(xiàn)、貼片天線(xiàn)、天線(xiàn)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(lái)的大型綜合設計軟件，主要采用MoM 算法，可協(xié)助系統和電路工程師進(jìn)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(shí)域或頻域內實(shí)現對數字或模擬、線(xiàn)性或非線(xiàn)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(lǐng)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(wǎng)絡(luò )、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線(xiàn)電路、帶狀線(xiàn)濾波器、過(guò)孔（層的連接或接地）、耦合線(xiàn)分析、PCB 板電路分析、PCB 板干擾分析、橋式螺線(xiàn)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(xiàn)的精確分析、多層/平面的電路分析、單層或多層的平面天線(xiàn)分析、平面天線(xiàn)陣分析、平面耦合孔分析等。

1.10 IE3D仿真軟件

IE3D 是一個(gè)基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真工具，可以解決多層介質(zhì)環(huán)境下三維金屬結構的電流分布問(wèn)題，包括不連續性效應、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(chǎng)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(xiàn)、線(xiàn)電線(xiàn)及其它形式的RF 天線(xiàn)、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(gè)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(chǎng)仿真工具，是通過(guò)2個(gè)模擬器實(shí)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(wèn)題，“EMSight”模擬器處理任何多層平面結構的三維電磁場(chǎng)問(wèn)題。“VoltaireXL”模擬器內設一個(gè)元件庫，其中無(wú)源器件有電感、電阻、電容、諧振電路、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、同軸線(xiàn)等；非線(xiàn)性器件有雙極晶體管、場(chǎng)效應晶體管、二極管等。在建立電路模型時(shí)，可以調出所用的元件。“EMSight” 模擬器的特點(diǎn)是把修正譜域矩量法與直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面（GUI）技術(shù)結合起來(lái)，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(xiàn)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(chǎn)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(guò)孔和不連續分析，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(kāi)發(fā)的三維全波電磁仿真設計軟件。它采用了最先進(jìn)的最大正交化高階基函數（HOBFs）、四邊形網(wǎng)格技術(shù)等，減少了內存需求和計算時(shí)間。據介紹，該軟件可用201s 仿真一個(gè)58λ長(cháng)平臺的天線(xiàn)布局問(wèn)題。該軟件能解決的電磁問(wèn)題包括：各種電磁兼容天線(xiàn)設計、復雜平臺天線(xiàn)布局問(wèn)題、復雜平臺RCS 計算以及微波無(wú)源結構設計。

1.14 Singula軟件

該軟件由加拿大IES 公司開(kāi)發(fā)，采用MoM＋PO的混合算法，可用于天線(xiàn)與天線(xiàn)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(xiàn)布局問(wèn)題。

1.15 FISC軟件

美國Illinois大學(xué)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(wàn)的電磁散射問(wèn)題。

1.16 XPATCH軟件

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

在計算射線(xiàn)直射效應（first bounce）時(shí)，最花時(shí)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(shù)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(chǎng)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(xiàn)，對每一條射線(xiàn)在目標上（或目標內）的反射和折射進(jìn)行跟蹤，直到射線(xiàn)離開(kāi)目標為止。射線(xiàn)的跟蹤是根據幾何光學(xué)原理進(jìn)行的，在反射點(diǎn)或折射點(diǎn)處的場(chǎng)由幾何光學(xué)確定，包括極化效應、多層媒質(zhì)效應等。在射線(xiàn)離開(kāi)目標時(shí)的最后一個(gè)反射點(diǎn)，應用物理光學(xué)積分計算遠區散射場(chǎng)（圖9）。疊加所有射線(xiàn)對遠區散射場(chǎng)的貢獻，即獲得總的遠區散射場(chǎng)或雷達散射截面。通常，對RCS 的計算而言，1個(gè)波長(cháng)的距離至少需要10 根射線(xiàn)。此軟件基于的方法的原理雖然簡(jiǎn)單，但需要有效的幾何CAD 技術(shù)和快速的射線(xiàn)跟蹤算法。

2、應用

2.1 汽車(chē)電磁兼容仿真

1）仿真理論

電磁兼容仿真預測的研究?jì)热葜饕墙㈦姶偶嫒萑?電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備的數學(xué)模型，并采用適當的數值計算方法求解這些模型，以評估系統各敏感設備是否滿(mǎn)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(chē)電磁兼容仿真預測最重要的一步，所建立的模型與實(shí)際樣車(chē)的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實(shí)用性。而且建模往往占據整個(gè)仿真過(guò)程70%以上的時(shí)間。針對不同類(lèi)型的汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題，建模也要有針對性。比如信號線(xiàn)間的串擾分析，車(chē)載天線(xiàn)方向圖的分析，車(chē)外輻射源對車(chē)身線(xiàn)束的干擾分析這些問(wèn)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(lèi)型的激勵源——點(diǎn)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(shí)際車(chē)況的模擬，可以使用示波器測量干擾源連接導線(xiàn)上的電壓/電流波形，從而建立干擾源的時(shí)域波形；或者使用近場(chǎng)探頭測量干擾源附近的電場(chǎng)分布，再作為仿真計算的激勵源。

(2)耦合路徑:主要是對汽車(chē)車(chē)身和線(xiàn)束模型化。要根據仿真的頻率范圍確定電磁面網(wǎng)格的劃分精度。計算頻率越高,網(wǎng)格劃分要求越精細。同時(shí)在干擾源和耦合路徑附近的車(chē)身電磁網(wǎng)格也要適當提高劃分精度。線(xiàn)束的建模一般是利用傳輸線(xiàn)理論建立電路模型。對于電信號影響不大的汽車(chē)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(guò)耦合路徑耦合的電磁干擾大小。對于傳導干擾，可以通過(guò)分析到達敏感設備的電壓/電流峰值、持續時(shí)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(guò)敏感設備處的場(chǎng)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(jiǎn)單例子進(jìn)行仿真，將仿真結果與測量結果進(jìn)行比較，并根據比較結果對模型進(jìn)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(shù)是開(kāi)展電磁兼容性問(wèn)題研究的重要手段和方法，即通過(guò)理論計算對設備或系統的兼容程度進(jìn)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(wèn)題。對于日用電器產(chǎn)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(jìn)行全面的數值仿真試驗，在產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)初期及早把握其電磁性能，從而降低和消除電磁干擾，提高設備和系統的抗電磁干擾能力；日用電器產(chǎn)品的電磁兼容性研究的基本問(wèn)題可歸納為：

(1)建立日用電器產(chǎn)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(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò )建設，實(shí)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(hù)可以查詢(xún)和鑒戒其他用戶(hù)的設計經(jīng)驗，從而指導企業(yè)產(chǎn)品EMC設計或整改。

(2)建立基于計算機仿真技術(shù)

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

在建立各種電器關(guān)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(jìn)的各種仿真工具作為軟件平臺，研制分析的程序，實(shí)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(jìn)行布線(xiàn)前的信號完整性（SI）仿真和電磁干擾(EMl)仿真，確保重點(diǎn)信號線(xiàn)(如關(guān)鍵的時(shí)鐘線(xiàn)、高速總線(xiàn)等)的信號完整性，為重點(diǎn)信號線(xiàn)選定匹配電阻、終端電阻、濾波電容等，并為布線(xiàn)設計提供重要的布線(xiàn)規則，提高布線(xiàn)質(zhì)量。再進(jìn)行線(xiàn)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。