設(shè)計早期對EMC的考慮

隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和密集度的提高以及設(shè)計周期的不斷縮短，在設(shè)計周期的后期解決電磁兼容性（EMC）問題變得越來越不切合實(shí)際。在較高的頻率下，你通常用來計算EMC的經(jīng)驗(yàn)法則不再適用，而且你還可能容易誤用這些經(jīng)驗(yàn)法則。結(jié)果，70% ~ 90%的新設(shè)計都沒有通過第一次EMC測試，從而使后期重設(shè)計成本很高，如果制造商延誤產(chǎn)品發(fā)貨日期，損失的銷售費(fèi)用就更大。為了以低得多的成本確定并解決問題，設(shè)計師應(yīng)該考慮在設(shè)計過程中及早采用協(xié)作式的、基于概念分析的EMC仿真。
　　較高的時鐘速率會加大滿足電磁兼容性需求的難度。在千兆赫茲領(lǐng)域，機(jī)殼諧振次數(shù)增加會增強(qiáng)電磁輻射，使得孔徑和縫隙都成了問題；專用集成電路（ASIC）散熱片也會加大電磁輻射。此外，管理機(jī)構(gòu)正在制定規(guī)章來保證越來越高的頻率下的順應(yīng)性。再則，當(dāng)工程師打算把輻射器設(shè)計到系統(tǒng)中時，對集成無線功能（如Wi-Fi、藍(lán)牙、WiMax、UWB）這一趨勢提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
　　傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計方法
　　正常情況下，電氣硬件設(shè)計人員和機(jī)械設(shè)計人員在考慮電磁兼容問題時各自為政，彼此之間根本不溝通或很少溝通。他們在設(shè)計期間經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)法則，希望這些法則足以滿足其設(shè)計的器件要求。在設(shè)計達(dá)到較高頻率從而在測試中導(dǎo)致失敗時，這些電磁兼容設(shè)計規(guī)則有不少變得陳舊過時。
　　在設(shè)計階段之后，設(shè)計師制造原型并對其進(jìn)行電磁兼容性測試。當(dāng)設(shè)計中考慮電磁兼容性太晚時，這一過程往往會出現(xiàn)種種EMC問題。對設(shè)計進(jìn)行昂貴的修復(fù)通常是唯一可行的選擇。當(dāng)設(shè)計從系統(tǒng)概念設(shè)計轉(zhuǎn)入具體設(shè)計再到驗(yàn)證階段時，設(shè)計修改常常會增加一個數(shù)量級以上。所以，對設(shè)計作出一次修改，在概念設(shè)計階段只耗費(fèi)100美元，到了測試階段可能要耗費(fèi)幾十萬美元以上，更不用提對面市時間的負(fù)面影響了。
　　電磁兼容仿真的挑戰(zhàn)
　　為了在實(shí)驗(yàn)室中一次通過電磁兼容性測試并保證在預(yù)算內(nèi)按時交貨，把電磁兼容設(shè)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(shè)計師可借助麥克斯韋（Maxwell）方程的3D解法就能達(dá)到這一目的。麥克斯韋方程是對電磁相互作用的簡明數(shù)學(xué)表達(dá)。但是，電磁兼容仿真是計算電磁學(xué)的其它領(lǐng)域中并不常見的難題。
　　典型的EMC問題與機(jī)殼有關(guān)，而機(jī)殼對EMC影響要比對EMC性能十分重要的插槽、孔和纜線等要大。精確建模要求模型包含大大小小的細(xì)節(jié)。這一要求導(dǎo)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(xì)柵格來解析最精細(xì)的細(xì)節(jié)。壓縮模型技術(shù)可使您在仿真中包含大大小小的結(jié)構(gòu)，而無需過多的仿真次數(shù)。
　　另一個難題是你必須在一個很寬的頻率范圍內(nèi)完成EMC的特性化。在每一采樣頻率下計算電磁場所需的時間可能是令人望而卻步的。諸如傳輸線方法（TLM）等的時域方法可在時域內(nèi)采用寬帶激勵來計算電磁場，從而能在一個仿真過程中得出整個頻段的數(shù)據(jù)?？臻g被劃分為在正交傳輸線交點(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間，根據(jù)傳輸線上的電壓和電流計算出電場和磁場。
　　EMC仿真可得出精確的結(jié)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(jié)果（藍(lán)色）進(jìn)行了比較，（參考文獻(xiàn)1）。輻射功率計算值以1nw 為基準(zhǔn)，單位為dB 。你可以把多個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模塊精確對準(zhǔn)。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(tǒng)布局不同引起的。

　　潛在應(yīng)用領(lǐng)域
　　EMC仿真可用于檢測元件和子系統(tǒng)，如散熱器接地的輻射分布對頻率特性影響，也可用于評價接地技術(shù)、散熱器形狀的影響及其它因數(shù)。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(yīng)用中，有一項(xiàng)研究工作是對采用大口徑通風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)并通過放置兩塊背靠背間隔很小的板來達(dá)到屏蔽效果這種方法進(jìn)行評估。
　　EMC仿真也適用于系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計和優(yōu)化，以便計算寬帶屏蔽效果、寬帶電磁輻射、3-D遠(yuǎn)場輻射圖、用來模擬轉(zhuǎn)臺式測量情況的柱形近場電磁輻射以及用以實(shí)現(xiàn)可視化，有助于確定電磁兼容熱點(diǎn)位置的電流和電磁場分布。典型的系統(tǒng)級EMC應(yīng)用有：確保最大屏蔽效果的機(jī)殼設(shè)計，機(jī)殼內(nèi)元件分布位置的EMC 效果評估，系統(tǒng)內(nèi)外纜線耦合的計算以及纜線輻射效果的檢測。EMC仿真還有助于發(fā)現(xiàn)有害電磁波在機(jī)殼和子系統(tǒng)中的機(jī)理，如空腔諧振，穿過孔、插槽、接縫和其他機(jī)座開口處的電磁輻射，通過纜線的傳導(dǎo)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(jī)座上的元件固有的寄生波導(dǎo)。
　　接頭類型對EMC 的影響
　　你可以使用簡單而快速建立的機(jī)殼模型來進(jìn)行接縫配置方面的設(shè)計折衷。圖2對對接接頭產(chǎn)生的輻射與重疊機(jī)殼接縫產(chǎn)生的輻射作出評估。通過比較相對的屏蔽水平，工程師就可以根據(jù)機(jī)殼的EMC預(yù)算和實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計配置的成本來做出決定。仿真過程中增加內(nèi)部元件僅僅對仿真時間產(chǎn)生很小的影響，所以設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)則不適用于以上幾個因素，會導(dǎo)致成本高昂的過設(shè)計和欠設(shè)計。