5G仿真解决方案 | EMC仿真之独孤九剑

EMC仿真必须先破妄！切记有三不：

~得此锦囊，阅读需谨慎~

     

不能指望仿真得到精确的绝对数值

不能指望通过仿真回答你测试能过还是不过

不能指望一来就把完整系统和实际结构实际版图放进去仿真得出最终结果

何指又何不指呢？且让我娓娓道来...

EMC是无用信号的干扰，和有用信号相比，通常量级很小，任何一点细微扰动都会影响结果，故在测试时的幅度跳动都很大，波动1~2dB都是很正常的。那仿真要在绝对数值上和测试完全对上就会更加困难，能达到数量级的吻合就已经很不错了。所以EMC仿真一般都只看趋势，看Delta（差值）。能够确定这个改动是变好还是变坏，改善几个dB，已经足以指导工程设计，让胸口的红领巾更加鲜艳了。

在仿真不能得到准确的绝对数值的情况下，自然明白，只有裘千丈才能拍着胸脯告诉你，光凭仿真就能回答EMC认证能过还是不能过了。

所以，当我们拿到一个复杂系统，不要试图一股脑把整个系统所有结构和实际版图都扔进去仿，那样看似完整，看似准确，实际上却会事倍功半。只能秉承由简入繁，由部件到系统的方式，把不同的部件，不同种类的激励源，用Ansys软件分别建模、仿真和优化，在各个部件的仿真方法和仿真设置都得到验证之后，再用系统仿真流程进行系统级仿真，即可得到全系统的EMC响应。

当然，仿真之道，止于至善。随着计算机技术的发展，随着Ansys软件的不断迭代，未来一步到位，直接得到精确结果的仿真方法也是可能滴，就靠诸君和我们一起努力！

EMC仿**要看趋势

Source! Source! Source! 重要的事情说三遍！而EMC仿真里最重要的就是Source（激励源），无论怎么强调都不为过。

在RE（辐射骚扰）仿真里，很多文献都是用Dipole（偶极子）做Source，这样简单方便，易懂易学。但Dipole的幅频曲线、方向性等和Dipole本身的大小长短有关，这个并没有统一的标准。而且在频率较低时，Dipole离DUT过近，相当于近场，还会受到DUT的反噬，一致性和稳定性相当的不好。所以我们强烈建议用平面波来代替Dipole做Source。

平面波均匀一致，且不会受DUT（被测设备）影响，保证了结果的稳定和一致性。如同降龙十八掌一样深沉浑厚，一掌推过去，花花草草包括小朋友的晾衣架都会应声而倒！

激励源：平面波优于偶极子

RE仿真中，通常用电场Probe（探针）来看辐射的场量，这种做法看似和测试一致，其实不然。Probe和方向图、角度相关性很大，非常敏感。对于方向图尖锐的DUT，位置稍微偏离1°甚至0.5°，得到的结果都会相去甚远，很容易误导设计和调试。而且在EMC设计中，DUT不是天线，我们不需要也无法控制方向图。所以最佳思路是通过优化设计，让总辐射功率最小。

在仿真时，对结果的读取，我们可以画一个半球，包裹住DUT的辐射Opening，再对这个面上的坡印廷矢量进行积分，得到TRP（总辐射功率）。TRP代表了DUT的总辐射功率，厚实稳定，完美的表征出DUT的辐射性能。

结果：TRP优于Probe

刚开始做仿真的工程师，觉得只要把所有物体精确的结构和材料参数都设好，算出来的结果就不会差。可惜理想很丰满，现实很骨感，很多工程应用是没办法在设计时就得到正确的结构和材料参数的。

比如机箱搭接这个非常常见的应用。机箱搭接如果直接金属碰金属，硬碰硬，就算螺钉拧得再紧，也不可能做到接地良好，一定会有较长的缝隙，故通常会在上下金属面之间垫上EMI Gasket（导电条）来保证接地和屏蔽。而Gasket是有弹性的，随着螺钉的松紧，接触电阻亦会不同。在仿真中我们可以用表面阻抗来表征此不完美接触。那么问题来了，How much is too much？鬼知道究竟有多不完美？设为良导体就完全屏蔽了，设为Open就挂了，在中间随便设个值？

这时候就该化剑式出场了。化剑式的理论基础是：同一家公司，同一类产品，同样的生产工艺，最终产品的特征参数应该是一定的（误差在许可范围内）。这样先取一个机箱，将其改装为测试夹具，测量其屏蔽效能。然后在仿真里，通过参数扫描或优化，得出SE最接近时的表面阻抗。这时的表面阻抗，就是最适合这类产品这类工艺，最佳的表面阻抗参数。以后再做和此类产品有关的仿真，直接把这个参数填进去就OK。

此招用处特别广泛，很多难确定的参数（比如编织电缆的转移阻抗）都可以通过此招来解决。正可谓：任你千般变化，我只黑虎掏心，一力降十会是也！

机箱搭接参数用测试结果修正

随着现今计算机硬件的进步，内存越来越大，以前不能仿或很难仿的项目也变得可能。比如微波暗室，那么高那么大，以前想想就望而却步，但现在越来越多的人产生了直接把DUT、天线和整个暗室都建模进行仿真的欲望。

不过我们先来算算看，就算最高只到6G，最小的三米暗室也有60个波长，更别说十米、三十米和一百米了。这样大的电尺寸下，同时放入包含PCB板、连接器等复杂、细微结构的DUT，一般的电脑是没法Hold住的。就算有壕无脑上几T内存强算，时间和精度也无法保证。

现在ANSYS有了完美的解决方案：只需画两个小小的空气盒，分别包住DUT和接收天线，再在两个空气盒表面分别赋上FEBI边界。这样，两个盒子之间的空气区域，不管是三米十米还是三十米，都完全不划分网格，也不耗费任何计算资源。

求解时，空气盒内部用业界标准的Golden——FEM算法精确求解，盒子表面场为IE算法，让电磁场直接飞跃盒子之间的无限空间，耦合到另一个盒子表面，再扭动两下就钻了进去。如同隔山打牛功一样英气逼人，一拳打过去，山这边没反应，山那边的牛挂了。

此招特别适用于远距离多物体辐射分析。再比如双站RCS，飞机和两个雷达相距几十公里甚至上百公里，看着很吓人，却只需三个盒子一包，便可轻松收入囊中。

远距离多物体辐射问题采用FEBI边界

《九阴真经》上有言：“须弥藏芥子，芥子纳须弥”。大即是小，小即是大。少即是多，多即是少。色即是空，空即是色。万事万物都可以互相转化的。当一个问题难解决时，不妨从它的对立面来试试看。

例如常用于抗扰度测试的GTEM室，频率高（最高频率到18G），尺寸大（整个房间超过400λ），在现有条件下无法直接计算。

经过多方探索，现有的最佳办法是运用半解析数值法，运用频率外推和距离外推技术，利用低频/部分结构的仿真结果，外推出高频/完整结构的场值数据，和实测结果吻合得很好。

       

       

GTEM室采用外推算法求解

当前的仿真算法特别多，仿真手段也特别多，不要拘泥于一种方法。哪种管用就上那种。

例如ESD的仿真，是个业界非常棘手的问题。直接打信号线的还好，功率强度大，容易仿真准确。如果是只打GND的情况，因为耦合路径多，耦合量级小，特别难仿出准确结果。

最简单的思路当然是把ESD Gun、机箱连带Connector的复杂结构和PCB板全部放进去算咯。但那样尺度差距太大，网格数量太多，想想也是不可能。

一步不行，我们就分三步走。

先用HFSS仿真ESG Gun打在机壳上时对Cable的耦合，然后用HFSS仿真连接器的传输特性（有些厂家会给出，也可通过网分测试得到），再用SIwave仿真PCB板上输入线对敏感线的耦合。最后把三部分的SnP在Designer里级联起来，就可得到全链路的频率相应。这时再加一个ESD时域信号来做激励，得到IC管脚上的电压岂不是小case。

如同古代反抗侵略时，志士们先用机枪扫射，枪管红了就拔刀子上，刀砍瘸了直接用牙咬。为有牺牲多壮志，敢教日月换新天！

多种软件联合仿真求解ESD

伴随着5G的推出，芯片的频率不断升高，功率不断加大，芯片辐射成为越来越大的问题。

芯片上的散热器相当于一个天线，会把芯片的辐射放大，所以优化散热器的大小形状也是降低芯片辐射很重要的工作。但一块芯片的辐射很难精确确定，场型、极化、分布等都没法从厂家得到。最致命的是，不同的码型、不同的工作状态下，辐射场还会发生很大的变化，就算是通过场扫描仪测试也是挂一漏万。怎么办呢？

一灯大师教导我们，看问题要抓主要矛盾。不就是辐射吗？不就是放大吗？管你什么场型什么极化，只需用画一个SMA同轴线，用它的内芯顶住散热器的底部，就可分析散热器的辐射特性，还可以用来优化机箱布局。最终得到的结果和实测吻合得很好。

此招式大理的段誉先生已经给我们做了很好的示范。他的一阳指只要一顶住敌人的要害，对手立马动弹不得，任他宰割，为所欲为了。

SMA头表征芯片激励

现实机箱内辐射源众多，大小不一，方向杂乱，极化各异，常用的一种测试仪器混响室（Reverberation Chamber），用天线照射一个不断旋转的金属搅拌器并多次测试后求平均来模拟，那么仿真中也不能只用一个入射方向一个极化方向的平面波来表征。

最简单的模拟方式是在笛卡尔坐标系下扫描入射角度和极化方向：

以Bezel（面板）面为XoY面为例，入射方向在XoZ面和YoZ面上扫描10°~170°，间距10°，每个扫描方式分别固定电/磁极化方向垂直于XoZ或YoZ面，共要进行2x2=4组68次扫描，最后把所有的结果平均。

更精确的方式是在极坐标下扫描，这需要更加精确的计算入射方向和极化方向，理论上吻合度更好。但一般情况下直角坐标系扫描已经足够了。

通过扫描平均来表征机箱内多源辐射

到此为止，独孤九剑的九大杀招已经传授完毕。也请各位看官切记学此剑法，要旨是在一个“悟”字，绝不要死记硬背！等到通晓了这九剑的剑意，则无所不出，无所不入。便是将全部变化尽数忘记，也不相干。临敌之际，更是忘记得越干净彻底，越不受原来剑法的拘束。

仿真机箱通风孔Vent Hole的SE（屏蔽效能），拔剑（Source为平面波）、论剑（结果为TRP）、花剑（扫描入射角度和极化）、化剑（修正参数6dB），四招一气呵成，强敌力毙剑下！仿真结果和混响室测试结果吻合得非常好。

       

       

这就是独孤九剑练到大圆满后

随心所欲的境界！

万招归一，无为则无不为！

一套连招使出，必可

拳打南山敬老院，脚踢北海幼儿园！

天下莫能当也！