國(guó)外電磁兼容仿真軟件及相關(guān)應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展以及電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法的不斷進(jìn)步，使得電磁兼容性仿真預(yù)測(cè)對(duì)軍用裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)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(duì)抗、電磁兼容等領(lǐng)域，由于用戶(hù)的迫切要求，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)指導(dǎo)該領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)計(jì)的軟件。美國(guó)、意大利、西班牙、俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等世界先進(jìn)國(guó)家的電磁兼容預(yù)測(cè)和分析技術(shù)已經(jīng)形成一整套數(shù)字仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，而且一刻也沒(méi)有停止過(guò)數(shù)值算法的完善和創(chuàng)新研究。

1、國(guó)外發(fā)展概況

電磁仿真技術(shù)中運(yùn)用的主要計(jì)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(jì)算方法包括差分法（FDTD，F(xiàn)DFD）、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(biāo)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)基于射線光學(xué)，包括幾何光學(xué)（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎(chǔ)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(zhǎng)度繞射系數(shù)法（ILDC）等。PO 高頻方法由于計(jì)算效率較高，對(duì)大目標(biāo)的適應(yīng)能力強(qiáng)，因此被廣為采用。

基于這些方法，國(guó)外不僅形成了眾多的預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)和軟件，還建立了相應(yīng)的EMC 數(shù)據(jù)庫(kù)，可開(kāi)展：1）各種軍用平臺(tái)電磁兼容性設(shè)計(jì)，包括大型艦船平臺(tái)的天線布置設(shè)計(jì)、艙室內(nèi)EMC 設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)EMC 分析、系統(tǒng)間EMC 分析等；2）平臺(tái)間EMC 分析，包括艦船編隊(duì)的EMC 分析；3）EMP（電磁脈沖）仿真、各種載體EMP 效應(yīng)及適應(yīng)性分析；4）陸海空天電五維現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分析。

目前國(guó)外主要的商業(yè)軟件主要如下：

1.1 EMC2000軟件

該軟件由法國(guó)某公司研制，采用的計(jì)算方法主要是MoM，F(xiàn)DTD，F(xiàn)VO（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(jù)介紹，EMC2000 可以對(duì)雷電、靜電、電磁脈沖對(duì)目標(biāo)的沖擊效應(yīng)進(jìn)行仿真分析，可對(duì)復(fù)雜介質(zhì)進(jìn)行時(shí)域分析，對(duì)孔縫耦合進(jìn)行計(jì)算，但沒(méi)有RCS 計(jì)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(shù)值算法主要是MoM，PO，UTD，F(xiàn)EM（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(shù)和斜波脈沖）的時(shí)域分析，可為飛機(jī)、艦船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、車(chē)輛等系統(tǒng)的全波電磁分析提供解決手段，包括電磁目標(biāo)的散射分析（圖1）、機(jī)箱的屏蔽效能分析（圖2）、天線的設(shè)計(jì)與分析（圖3）、多天線布局分析（圖4）、系統(tǒng)的EMC/EMI 分析、介質(zhì)實(shí)體的SAR 計(jì)算、微波器件的分析與設(shè)計(jì)、電纜束的耦合分析等。

1.3 Ansoft-HFSS軟件

該軟件由美國(guó)Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要應(yīng)用于微波器件（如波導(dǎo)、耦合器、濾波器、隔離器、諧振腔）和微波天線設(shè)計(jì)（圖5）中，可獲得特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁輻射場(chǎng)、天線方向圖等參數(shù)和結(jié)果。該軟件與FEKO 最早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，并在國(guó)內(nèi)擁有一定數(shù)量的用戶(hù)。

1.4 CST-SD 軟件

德國(guó)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。它通過(guò)散射參數(shù)（S 參數(shù)）將復(fù)雜系統(tǒng)分離成更小的單元進(jìn)行分析，具體應(yīng)用范圍主要是微波器件，包括耦合器、濾波器、平面結(jié)構(gòu)電路、各種微波天線和藍(lán)牙技術(shù)等。圖6 是該軟件對(duì)雙指數(shù)脈沖信號(hào)沿電纜進(jìn)入機(jī)箱后的效應(yīng)進(jìn)行仿真分析的結(jié)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(fù)雜填充介質(zhì)中的場(chǎng)分布問(wèn)題，其仿真結(jié)果主要包括：S 參數(shù)、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(yīng)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(nèi)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(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件，它的應(yīng)用范圍包括平面結(jié)構(gòu)、連接線、波導(dǎo)、RF 天線和多端口集成，仿真參數(shù)主要是S參數(shù)、輻射場(chǎng)方向圖等。

1.7 Micro-Stripe仿真軟件

該軟件由美國(guó)FLOMERICS 公司研制，主要采用傳輸線矩陣法（TLM）。該軟件可對(duì)飛機(jī)、艦船平臺(tái)天線布置中的耦合度進(jìn)行計(jì)算，可以對(duì)電子設(shè)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、貼片天線、天線陣的電磁設(shè)計(jì)。

1.8 ADS軟件

該軟件是美國(guó)安捷倫公司在HP EESOF系列的EDA 軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來(lái)的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，主要采用MoM 算法，可協(xié)助系統(tǒng)和電路工程師進(jìn)行各種形式的射頻設(shè)計(jì)，如離散射頻/微波模塊的集成、電路元件的仿真和模式識(shí)別。該軟件還提供了一種新的濾波器的設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)手段可在時(shí)域或頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)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(lǐng)域設(shè)計(jì)和電磁兼容/電磁干擾分析的三維仿真工具。主要應(yīng)用于：微帶匹配網(wǎng)絡(luò)、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過(guò)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(dǎo)電路分析、毫米波集成電路（MMIC）設(shè)計(jì)和分析、混合匹配的電路分析、HDI 和LTCC 轉(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)的電流分布問(wèn)題，包括不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)和輻射效應(yīng)。仿真結(jié)果包括S 參數(shù)、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、線電線及其它形式的RF 天線、HTS 電路及濾波器、IC 的內(nèi)部連接及高速數(shù)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(xiàn)對(duì)微波平面電路的模擬和仿真。“VoltaireXL”模擬器處理集總元件構(gòu)成的微波平面電路問(wèn)題，“EMSight”模擬器處理任何多層平面結(jié)構(gòu)的三維電磁場(chǎng)問(wèn)題。“VoltaireXL”模擬器內(nèi)設(shè)一個(gè)元件庫(kù)，其中無(wú)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(chǎng)效應(yīng)晶體管、二極管等。在建立電路模型時(shí)，可以調(diào)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的圖形用戶(hù)界面（GUI）技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使得計(jì)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(duì)電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)/電磁干擾分析的三維仿真工具，采用FDTD 全波數(shù)值方法。應(yīng)用范圍包括：PCB 退耦、輻射、接地、過(guò)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(kāi)發(fā)的三維全波電磁仿真設(shè)計(jì)軟件。它采用了最先進(jìn)的最大正交化高階基函數(shù)（HOBFs）、四邊形網(wǎng)格技術(shù)等，減少了內(nèi)存需求和計(jì)算時(shí)間。據(jù)介紹，該軟件可用201s 仿真一個(gè)58λ長(zhǎng)平臺(tái)的天線布局問(wèn)題。該軟件能解決的電磁問(wèn)題包括：各種電磁兼容天線設(shè)計(jì)、復(fù)雜平臺(tái)天線布局問(wèn)題、復(fù)雜平臺(tái)RCS 計(jì)算以及微波無(wú)源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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，可用于天線與天線陣、波導(dǎo)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(fù)雜平臺(tái)短波和超短波天線布局問(wèn)題。

1.15 FISC軟件

美國(guó)Illinois大學(xué)于2001年公布的電磁散射分析軟件FISC 適用于導(dǎo)彈（圖7）、飛機(jī)（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(jù)報(bào)道，可以求解未知量達(dá)1 千萬(wàn)的電磁散射問(wèn)題。

1.16 XPATCH軟件

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

在計(jì)算射線直射效應(yīng)（first bounce）時(shí)，最花時(shí)間的是確定復(fù)雜目標(biāo)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(xiàn)可由PO 計(jì)算。為了計(jì)算多次反射效應(yīng)，從入射波向目標(biāo)發(fā)射一系列平行的射線，對(duì)每一條射線在目標(biāo)上（或目標(biāo)內(nèi)）的反射和折射進(jìn)行跟蹤，直到射線離開(kāi)目標(biāo)為止。射線的跟蹤是根據(jù)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(yīng)、多層媒質(zhì)效應(yīng)等。在射線離開(kāi)目標(biāo)時(shí)的最后一個(gè)反射點(diǎn)，應(yīng)用物理光學(xué)積分計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)（圖9）。疊加所有射線對(duì)遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)的貢獻(xiàn)，即獲得總的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)或雷達(dá)散射截面。通常，對(duì)RCS 的計(jì)算而言，1個(gè)波長(zhǎng)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(jiǎn)單，但需要有效的幾何CAD 技術(shù)和快速的射線跟蹤算法。

2、應(yīng)用

2.1 汽車(chē)電磁兼容仿真

1）仿真理論

電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的研究?jī)?nèi)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(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解這些模型，以評(píng)估系統(tǒng)各敏感設(shè)備是否滿足預(yù)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(yù)測(cè)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(jié)果的精度與實(shí)用性。而且建模往往占據(jù)整個(gè)仿真過(guò)程70%以上的時(shí)間。針對(duì)不同類(lèi)型的汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題，建模也要有針對(duì)性。比如信號(hào)線間的串?dāng)_分析，車(chē)載天線方向圖的分析，車(chē)外輻射源對(duì)車(chē)身線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(shè)備及耦合路徑,然后再對(duì)這三要素一一建模。

(1)干擾源：現(xiàn)在的仿真軟件大都提供各種類(lèi)型的激勵(lì)源——點(diǎn)源、平面波、高斯波、電流源、脈沖等，對(duì)理想模型的仿真可以根據(jù)需要直接采用。而對(duì)于實(shí)際車(chē)況的模擬，可以使用示波器測(cè)量干擾源連接導(dǎo)線上的電壓/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(cè)量干擾源附近的電場(chǎng)分布，再作為仿真計(jì)算的激勵(lì)源。

(2)耦合路徑:主要是對(duì)汽車(chē)車(chē)身和線束模型化。要根據(jù)仿真的頻率范圍確定電磁面網(wǎng)格的劃分精度。計(jì)算頻率越高,網(wǎng)格劃分要求越精細(xì)。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(dāng)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(duì)于電信號(hào)影響不大的汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求并不高，對(duì)結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)可以忽略。

(3)敏感設(shè)備:對(duì)敏感設(shè)備的建模主要是為了判斷其是否發(fā)生干擾。判據(jù)對(duì)比敏感設(shè)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(duì)于傳導(dǎo)干擾，可以通過(guò)分析到達(dá)敏感設(shè)備的電壓/電流峰值、持續(xù)時(shí)間、周期等參數(shù)而判斷是否發(fā)生干擾；對(duì)于輻射干擾可以通過(guò)敏感設(shè)備處的場(chǎng)強(qiáng)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(cè)量結(jié)果的簡(jiǎn)單例子進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修正，增強(qiáng)模型的匹配程度。

2.2 日用電器電磁兼容仿真

計(jì)算機(jī)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(jì)算對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)的兼容程度進(jìn)行分析、評(píng)估，其目的是預(yù)先指導(dǎo)設(shè)計(jì)，盡早發(fā)現(xiàn)并解決 EMI問(wèn)題。對(duì)于日用電器產(chǎn)品，必須了解并分析它的電磁環(huán)境，針對(duì)電磁兼容模型中的傳導(dǎo)、耦合(感性/容性)及輻射三種現(xiàn)象及其原理進(jìn)行全面的數(shù)值仿真試驗(yàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)備和系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫(kù)

建立和完善各種日用電器EMC測(cè)試和整改措施的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源共享的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，為分析仿真提供數(shù)據(jù)資源，用戶(hù)可以查詢(xún)和鑒戒其他用戶(hù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而指導(dǎo)企業(yè)產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)或整改。

(2)建立基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

電磁兼容性預(yù)設(shè)計(jì)平臺(tái)日用電器產(chǎn)品的電磁兼容性仿真設(shè)計(jì)包括三大方面：電路仿真、電磁場(chǎng)仿真和系統(tǒng)仿真。三個(gè)方面環(huán)環(huán)相扣構(gòu)成一個(gè)完整的仿真設(shè)計(jì)流程。涉及環(huán)節(jié)包括從器件→部件→單機(jī)→整機(jī)→子系統(tǒng)→分系統(tǒng)→系統(tǒng)的整個(gè)流程。

在建立各種電器關(guān)鍵模型的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)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(tái)，研制分析的程序，實(shí)現(xiàn)日用電器電磁環(huán)境的仿真，在完成原理圖設(shè)計(jì)后，采用仿真工具進(jìn)行布線前的信號(hào)完整性（SI）仿真和電磁干擾(EMl)仿真，確保重點(diǎn)信號(hào)線(如關(guān)鍵的時(shí)鐘線、高速總線等)的信號(hào)完整性，為重點(diǎn)信號(hào)線選定匹配電阻、終端電阻、濾波電容等，并為布線設(shè)計(jì)提供重要的布線規(guī)則，提高布線質(zhì)量。再進(jìn)行線后的信號(hào)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(jì)算和預(yù)測(cè)。