从入门到放弃--5G时代的EMC模拟挑战应用篇
EMC解决方案博大精深，不仅入门不容易，要精通也很困难，进入EMC领域者对专业知识的深浅，可分为：
理论派：纯理论分析，仅能针对简单案例进行趋势分析，面对复杂工程问题，常常束手无策。
经验派：大多数硬件工程师在长期的工程实作中，对常见的EMC问题有些含糊的基本理念，同类产品靠着基本认知还能解决问题。然如遇到新问题，场景更动，频率变换，固有经验很难快速演进，徒然花费时日。
盲测派：在设计阶段对EMC不管不问，发现问题后拆东墙、补西墙，认为只要肯花金钱花时间，最终总能解决。然而现今产品更新速度之快，经常前后一个月的上市时间差就决定了产品成败。
模拟决定胜败
我们已经进入数字化时代。小自原子弹，大至无人机，没有一样高科技产品能脱离模拟技术。是否要运用模拟已不是选择，而是每位决策者的决定。在Phase 1之前进行EMC的预先模拟，在Phase 1测试时发现的问题用模拟解决，然后在Phase 2时再用模拟验证。
想要完成一个高性能设计，仅靠工程师经验远远不足，还需使用专业电磁兼容性设计分析工具进行设计辅助，进而发现设计问题、改善与验证。EMC模拟工具，或可让初出茅庐的菜鸟从此开启「开挂人生」！
Ansys在之前的两文中，详述了EMC作为极其重要的一环，如何借助平台级一站式解决方案设计出满足验证要求的高效能产品。而本文将从实际操作面，分别从EMC仿真思路、场景案例以及具体应用等，分享专用于工程EMC仿真解决方案。
模拟不能理想化
EMC模拟有三不：
不能指望模拟得到精确的绝对数值;
不能指望通过模拟保证测试是否通过;
不能指望一次把完整系统和实际结构及版图放入模拟，就得出最终结果。
EMC是无用讯号的干扰，和有用讯号相比，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很大，波动1~2dB都是正常的。模拟要在绝对数值上和测试完全对上就会更加困难，故能达到数量级的吻合即可。因此，EMC模拟一般都只看趋势及相对值。能够确定这个变动好或坏，改善几个dB，就能给予工程设计足够参考。
故在模拟无法得到精确绝对数值的情况下，我们必须理解无法仅凭模拟就能回答是否能通过EMC认证。
因此，当我们拿到一个复杂系统，不要试图把整个系统所有结构和实际版图都放进去模拟，看似完整、看似准确，实际却会事倍功半。只能秉承由简入繁、由组件到系统的方式，把不同的组件与不同种类的激发源，用Ansys软件分别建模、模拟和优化，在各个组件的模拟方法和模拟设置都得到验证后，再用系统模拟流程进行系统级模拟，即可得到全系统的EMC响应。
当然，模拟之道，止于至善。随着计算机技术的发展与Ansys软件不断更新，未来一步到位，直接得到精确结果的模拟方法亦是指日可待。
EMC模拟主要看趋势
平面波比偶极优
EMC模拟最重要的就是激发源（Source）。在辐射干扰（RE）模拟中，很多文献都是用偶极波（Dipole）做Source，简单方便，易懂易学。然Dipole的幅频曲线、方向性等和Dipole本身的大小长短有关，这个并无统一标准，而且在频率较低时，Dipole离待测装置（DUT）过近，相当于近场，还会受到DUT反噬，一致性和稳定性相当差。
所以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影响，确保结果的稳定和一致。
激发源：平面波优于偶极波
TRP优于探针头
RE模拟中，通常用电场探针（Probe）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。对于辐射场方向性很强的DUT，位置稍微偏离1°甚至0.5°，得到的结果都会相去甚远，很容易误导设计和除错。而且在EMC设计中，DUT不是天线，我们不需要也无法控制辐射场方向。所以最佳思路是通过优化设计，让总辐射功率最小。
在模拟时，对结果的读取，我们可以画一个半球，包裹住DUT的辐射开口，再对这个面上的坡印廷矢量进行积分，得到总辐射功率（TRP）。TRP代表DUT的总辐射功率，厚实稳定，完美表现出DUT的辐射效能。
结果：TRP优于Probe
主机壳搭接测试
刚开始做模拟的工程师，觉得只要把所有物体精确的结构和材料参数都设定好，算出来的结果就不会差。然而，现实赶不上理想，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。
比如主机壳搭接这个常见的应用，主机壳搭接如果直接金属碰金属，就算螺钉栓得再紧，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 （垫片）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。在模拟中我们可以用表面阻抗来表现此不完美接触。那么参数的设定基准要如何抓取呢？
按照常理，同一家公司，同一类产品，同样的生产制程，最终产品的特征参数应该是一定的（误差在许可范围内）。这样先取一个主机壳，将其改装为测试夹具，测量其屏蔽效能。然后在模拟里，通过参数扫描或优化，得出屏蔽性能（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，最佳的表面阻抗参数。以后再做和此类产品有关的模拟，直接把这个参数填进去即可。这个方法被广泛运用，很多难确定的参数（如编织电缆的转移阻抗）都可以透过这个方法解决。
主机壳搭接参数用测试结果修正
远距多物体辐射
随着当前电脑硬件的进步，内存越来越大，以前不能模仿或很难模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型进行模拟的想法。
不过我们先来算算看，就算最高只到6G，最小的3公尺暗室也有60个波长，更别说10公尺、30公尺或100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，一般电脑是无法运算的。
Ansys的解决方案是：只需画两个小小的空气盒，分别包住DUT和接收天线，在两个空气盒表面分别赋予FEBI边界。这样，两个盒子之间的空气区域，不管是3米、10米或是30米，都完全不用划分网格，也不耗费任何运算资源。
寻求解决方案时，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间的无限空间，耦合到另个盒子表面，再扭动两下即能钻入。这个方法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，用这个方法就可以轻松完成。
距離多物體輻射問題採用FEBI邊界
抗扰度GTEM室
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运算。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，运用低频/部分结构的模拟结果，外推出高频/完整结构的场值资料，和实测结果相符。
GTEM室采用外推算法求解
ESD联合模拟
目前的模拟算法很多，模拟方式也不仅限于一种方法。例如ESD的模拟，是个业界非常棘手的问题。直接针对讯号线的还好，功率强度大，容易模拟准确。如果是只针对GND的情况，因为耦合路径多，耦合量级小，特别难模仿出准确结果。
最简单的思考模式是把ESD Gun、主板连带Connector的复杂结构和PCB板全部放入一起演算。但那样尺度差距太大，网格数量太多，实际上是不可行的。
一步不行，我们就分三步走。先用HFSS模拟ESG Gun打在机壳上时对Cable的耦合，然后用HFSS模拟连接器的传输特性（有些厂商会提供，也可透过网分测试得到），再用SIwave模拟PCB板上输入线对敏感线的耦合。最后把三部分的snp在AEDT里串联起来，就可得到全链路的频率相应。这时再加一个ESD时域讯号来推动，就可以得到IC引脚上的电压。
多种软件联合模拟求解ESD
晶片就用SM头
随着5G的推出，芯片的频率不断升高，功率持续加大，芯片辐射成为越来越大的问题。晶片上的散热器相当于天线，会把芯片的辐射放大，所以改善散热器的大小形状也是降低芯片辐射很重要的工作。但一颗芯片的辐射很难精确确定，场型、极化、分布等都没法从厂商处获得; 最具挑战性的是，不同的运作模式与不同的工作状态下，辐射场还会发生很大的变化，就算是透过现场扫描仪测试也是很多遗漏的地方。
然看问题要抓重点，无论何种场型或级化，我们只需画一个SMA同轴线，用它的核心顶住散热器的底部，就可分析散热器的辐射特性，还可用来最佳化主机壳布局。最终得到的结果和实测相符。
SMA头表征芯片推动
主机壳辐射平均
实际上，主机壳内辐射源众多，大小不一，方向杂乱，常用的一种测试仪器回声室（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以其平均值来模拟，那么模拟中也不能只用一个入射方向一个极化方向的平面波来展现。
最简单的模拟方式是在笛卡尔坐标系（Cartesian coordinate system，亦称为直角坐标系）之下扫描入射角度（incidence angle）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2×2=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。
透过扫描平均来展现主机壳内多源辐射
主机壳通风孔屏蔽效能综合仿真示意
模拟主机壳通风孔Vent Hole的SE，从平面波source、TRP结果、到扫描入射角度和极化、修正参数6dB，以上方式一气呵成，模拟结果和回声室测试结果吻合度绝佳。
