本篇文章主要針對應(yīng)對EMC/EMI設(shè)計挑戰(zhàn)的5個EDA仿真工具進行詳細介紹，通過本篇文章讓各位工程師選出最適合自己的那款EDA仿真工具。

1.Altair/FEKO

美國密歇根州TROY

FEKO助力大量工業(yè)領(lǐng)域的OEM廠商及其供應(yīng)商解決其在產(chǎn)品設(shè)計、分析和測試驗證過程中遇到的EMC問題。通過使用FEKO等仿真工具，減少了試制樣品的數(shù)量和測試的次數(shù)，將傳統(tǒng)的以測試驅(qū)動的開發(fā)流程轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑抡骝?qū)動設(shè)計。FEKO在EMC/EMI領(lǐng)域的重要應(yīng)用包括了電磁輻射、電磁抗干擾、雷電效應(yīng)、高強度輻射場（HIRF）、電磁脈沖（EMP）、電磁屏蔽、電磁輻射危害以及天線耦合等。

EMC仿真

基于平臺上多天線間的隔離度問題（圖1）是FEKO最擅長處理的問題之一。該飛機模型是EMC計算電磁學（CEMEMC）專題研討會上展示的一個測試模型，屬于EV55（屬于HIRF-SE FP7 EU項目，EVEKTOR，spol.s r.o.和HIRF SE聯(lián)盟擁有其版權(quán)）的變形版本。用戶只需要根據(jù)求解問題的類型、電尺寸大小和復雜度等來選擇FEKO中的一種求解器進行計算。FEKO中快速計算天線間互耦的一種方法是通過S參數(shù)，用戶可以在不重復啟動求解器的情況下通過一次計算可視化顯示天線負載的變化對天線間耦合的影響，直觀顯示大量天線端口的耦合并繪制共址干擾矩陣來識別和分析耦合強度的等級。此外，F(xiàn)EKO的模型分解技術(shù)結(jié)合天線等效、EMC等效騷擾源可以降低對計算資源的需求。

EMI設(shè)計的挑戰(zhàn)

用FEKO來解決EMI問題的案例非常多。例如，從車輛電纜束的輻射場耦合到擋風玻璃天線（和到其它形式的天線），這也與汽車行業(yè)的CISPR-25 EMC測試標準相關(guān)（CISPR是無線電干擾國際特別委員會，也是國際廣播電臺國際特別委員會）。噪聲信號會通過車輛內(nèi)不同的線纜傳播，這些線纜的輻射場會耦合到不同的天線中，從而降低模擬或數(shù)字廣播類系統(tǒng)的性能。為解決這個問題，F(xiàn)EKO包含了一個完整的綜合線纜建模工具來分析線纜的輻射（和抗干擾）。這個工具與專門為真實風窗天線應(yīng)用開發(fā)的風窗天線建模與求解技術(shù)適合于分析和解決這些挑戰(zhàn)（圖2）。圖2b給出了車左側(cè)與右側(cè)10米遠處兩個位置的輻射電場，每一個位置點包括了仿真得到的垂直和水平極化場強值。

獨特的性能

FEKO易于使用，并具有全面、準確、可靠、完全并行化、支持真正混合求解的求解器集合，包含矩量法（MoM）、多層快速多極子（MLFMM）、有限元（FEM）、時域有限差分（FDTD）、物理光學/大面元物理光學法（PO/LE-PO），射線幾何光學（RL-GO）和一致性繞射理論（UTD）等。這些求解器已廣泛用于天線設(shè)計和天線布局、EMC、雷達散射截面（RCS）、生物電磁、天線罩、射頻器件等問題的仿真。根據(jù)求解問題的電尺寸和問題的復雜度，只需選擇使用這一個或另一個求解器。FEKO的綜合電纜建模工具解決了涉及復雜電纜的EMC問題。FEKO用于電纜分析的特殊算法是多導體傳輸線法（MTL）和MoM/MTL混合法，后者適用于電纜下方地面不連續(xù)時的分析場景。FEKO作為Altair HyperWorks計算機輔助工程平臺的一部分，帶來了一系列額外的差異化功能，由于Altair獨特的授權(quán)系統(tǒng)，無需額外的成本就可以利用這些功能。借助于業(yè)內(nèi)最著名的有限元分析前處理器模塊HyperMesh，能夠減少復雜CAD模型清理（含自動清理）和網(wǎng)格剖分的時間；使用HyperStudy，F(xiàn)EKO用戶可以采用實驗設(shè)計方法(Design of Experiments)來進行優(yōu)化設(shè)計，包含其它物理特性分析；使用activate可以進行電路（如DC/DC轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計與分析。

2.ANSYS

美國賓夕法尼亞州卡農(nóng)斯堡

管理同一平臺上集成的無線電之間的RF干擾問題是一項艱巨挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代化商業(yè)電子設(shè)備不斷被集成到物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之中，這些設(shè)備變得越來越復雜，并且擁有越來越豐富的特性和越來越多的無線功能。高密度無線功能導致整個電子產(chǎn)業(yè)中的射頻干擾（RFI）問題呈指數(shù)級增長。各種無線電環(huán)境的實例包括：飛機、衛(wèi)星、無線電子設(shè)備等單一結(jié)構(gòu)；以及分散式環(huán)境中的多部無線電，如辦公室環(huán)境或戶外蜂窩通信站點中的眾多無線設(shè)備。這些多種不同的多頻帶RF系統(tǒng)需要和平共存，彼此良好地配合，而且不能影響環(huán)境中其它系統(tǒng)的性能。與此同時，干擾問題并不僅限于明確的無線電信道。電子設(shè)備由RF、數(shù)字信號和組件構(gòu)成，它們可能使用相同的接地層或參考。單就數(shù)字信號而言，其時鐘頻率通常低于射頻，但數(shù)字信號中包含的諧波會通過兩者共同的參考幾何結(jié)構(gòu)來干擾無線電信道。這種RF-數(shù)字干擾通常被稱為靈敏度劣化，它是無線電子設(shè)備中更加困難的設(shè)計挑戰(zhàn)之一，因為需要全面了解系統(tǒng)才能預測和/或檢測出該問題（圖3）。

用于EMI分析的ANSYS EMIT

ANSYS EMIT是一款用于仿真復雜環(huán)境RFI的業(yè)界領(lǐng)先軟件。EMIT與ANSYS HFSS和HFSS SBR+（原Delcross Savant）協(xié)同工作，將RF系統(tǒng)干擾分析與同類最佳的電磁場仿真相結(jié)合，能夠模擬已安裝的天線與天線之間以及無線電與無線電之間的耦合。上述解決方案能夠可靠地預測多天線環(huán)境（具有多個發(fā)射器和接收器）中的RFI影響。EMIT的分析引擎可用于計算重要的RF相互作用，包括非線性系統(tǒng)組件的影響。在測試環(huán)境中，要想診斷復雜環(huán)境的RFI不僅難度較大，而且成本高昂。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，EMIT提供了動態(tài)鏈接的結(jié)果視圖，通過圖形化信號跟蹤和診斷總結(jié)來幫助發(fā)現(xiàn)干擾原因。這些總結(jié)結(jié)果可顯示發(fā)射到接收干擾信號的源頭和路徑（圖4）。

在找到干擾原因后，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現(xiàn)最優(yōu)解決方案。將準確的物理效應(yīng)與電磁場耦合相結(jié)合，這有助于提高RF系統(tǒng)仿真的保真度和可靠性。HFSS/EMIT數(shù)據(jù)鏈路允許在EMIT中直接通過HFSS已安裝天線的物理3D模型創(chuàng)建RFI分析模型，從而為各種系統(tǒng)及環(huán)境的完整RFI解決方案實現(xiàn)無縫的端對端工作流程，包括大平臺共址干擾、緊湊型電子設(shè)備的接收器靈敏度劣化等。

ANSYS RF Option中的ANSYS EMIT不僅為管理系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)提供了軟件框架，其中包括RF系統(tǒng)庫、仿真復雜多系統(tǒng)環(huán)境中RFI影響的計算引擎、以及快速自動發(fā)現(xiàn)RFI問題原因的動態(tài)分析工具等，而且還能幫助工程師快速評估不同的假設(shè)分析，以高效解決EMI問題。

3.Computer Simulation Technology (CST)

德國達姆施塔特

電磁兼容(EMC)的挑戰(zhàn)

CST電磁兼容（EMC）工作室是業(yè)界廣泛使用的、用于產(chǎn)品的性能分析和優(yōu)化并滿足電磁兼容規(guī)范的電磁模擬工具。CST擁有“完備技術(shù)”，使得CST電磁兼容工作室可以針對不同問題提供相應(yīng)的求解器，包括通用的時域和頻域求解器，以及專門的電纜和印制板（PCB）等求解器。這些求解器都集成在一個界面中，用戶可以方便地設(shè)計自己的工作流程。

CAD數(shù)據(jù)模型和EDA印制板布局布線（PCB）都可以導入CST電磁兼容工作室。專門的PCB仿真工具可以快速計算信號完整性和電源完整性（SI/PI），并識別印制板上違反電磁兼容設(shè)計規(guī)則的部分。通用的三維求解器則可以做細節(jié)仿真，計算輻射和傳導性發(fā)射/敏感度，并顯示3D模型上的電磁場和電流（包括連接的電路），以幫助工程師識別耦合路徑。

電磁干擾(EMI)的挑戰(zhàn)

防止輻射和電磁環(huán)境效應(yīng)（E3）如閃電等的影響，是一個重要的應(yīng)用（圖5）。傳輸線矩陣（TLM）求解器特別適用于這些應(yīng)用，可以有效地模擬非常大的結(jié)構(gòu)。它支持八度網(wǎng)格和緊湊模型（接縫、通風口、復合材料等等），這可以進一步加快仿真速度，同時保證準確性。它還提供了與CST電纜工作室的雙向耦合，支持仿真外部電磁場耦合進入電纜和電纜束并在其中傳播。

CST電磁兼容工作室的另一個主要應(yīng)用是天線耦合。對于典型的天線間的互耦情況，天線可能安裝在諸如飛機、船舶或建筑物等電極大載體上。互耦常常由某些細節(jié)引起，比如載體上天線的精確結(jié)構(gòu)或接縫、通風口以及電纜的安排。CST電磁兼容工作室支持組合方案，比如可以使用適當?shù)那蠼馄鳎ㄈ鐣r域求解器）仿真包含細節(jié)的三維天線模型，然后將其作為場源代入其它求解器（如積分方程求解器、TLM求解器或高頻漸近求解器）。以這種組合方式，使用并結(jié)合每個求解器的優(yōu)點，顯著提高了仿真的效率。

除了計算子系統(tǒng)之間（如載體上的天線間或PCB上的通道間）的耦合之外，共址干擾分析還應(yīng)考慮每個子系統(tǒng)的頻譜。共址干擾冗余度模塊是CST電磁兼容工作室2017版的一個新功能，提供了一個高效快捷且直觀的工具用來檢測潛在的電磁干擾問題。它使用仿真得到的耦合數(shù)據(jù)，結(jié)合收發(fā)系統(tǒng)（Rx/Tx）的相關(guān)信息，給出各個接收端口上的電磁干擾冗余度（圖6）。共址干擾冗余度用違規(guī)矩陣表示，矩陣中用紅色突顯出可能導致電磁干擾問題的組合。用仿真虛擬樣機來識別電磁干擾問題并測試解決方案，這種方法非常有效。

4.是德科技

美國加州圣羅莎

對系統(tǒng)工程師來說，EMI和EMC并不是新問題。然而，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、存儲和移動設(shè)備中數(shù)據(jù)速率的不斷提高，設(shè)計工程師面臨著更大的挑戰(zhàn)，他們不僅要處理傳統(tǒng)的發(fā)射問題，還要解決鄰近電路和系統(tǒng)組件的耦合問題。采用適當?shù)脑O(shè)計工具來克服這些挑戰(zhàn)，是保障系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。

射頻靈敏度劣化或RFI問題

在EMC和EMI方面，設(shè)計人員面臨的一個問題是子系統(tǒng)與天線之間的干擾。在移動設(shè)備中這個問題尤為突出，因為設(shè)計被壓縮到非常小的區(qū)域內(nèi)。干擾可能會導致接收機靈敏度降低，也稱為“射頻靈敏度劣化”或“RFI”問題。例如，高速應(yīng)用處理器、存儲器、相機模塊、直流-直流電源轉(zhuǎn)換器和高速互連（如USB 3.1 TypeC）可能會給包含多頻段天線的射頻電路造成“自擾”問題（圖7）。

集成電路和EM仿真必不可少

診斷射頻靈敏度劣化和自擾問題，對于當今的設(shè)計人員來說非常麻煩。他們必須借助EM求解程序?qū)ζ骷?nèi)的電磁場相互作用進行建模，并能夠處理來自電路級和系統(tǒng)級設(shè)計工具的數(shù)字波形。要完成這些任務(wù)，必須使用綜合電路與EM的設(shè)計環(huán)境。是德科技的先進設(shè)計系統(tǒng)（ADS）和EMPro提供了一個經(jīng)過特別整合的軟件設(shè)計平臺，為解決以上問題奠定基礎(chǔ)。

天線與天線耦合問題

由于許多天線擠在一個非常小的區(qū)域內(nèi)，因此天線之間的耦合可能變成一個大問題（圖8）。如果設(shè)計人員使用不同的頻段，這種類型的耦合可能會變大，也可能會變小。設(shè)計人員還可以使用帶通或帶阻濾波器，以便減少不必要的能量耦合。整個設(shè)備的設(shè)計需要非常精心細致，包括車載天線與接地面的協(xié)同設(shè)計。

由于天線與天線耦合主要發(fā)生在近場，因此可以采用FEM、MoM或FDTD引擎等傳統(tǒng)EM仿真技術(shù)來進行精準處理。通過調(diào)整天線位置和/或增強天線性能（如增益與頻率或輻射方向圖），可以減輕耦合問題。

使用是德科技設(shè)計工具，設(shè)計人員將能夠在開發(fā)硬件之前，先仿真電子電路和元器件的輻射發(fā)射，確定這些發(fā)射是否在通用標準（如FCC第15部分、CISPR 22和MIL-STD-461F）規(guī)定的水平內(nèi)，以及它們是否符合規(guī)范。

除了驗證EMI合規(guī)性之外，要準確計算發(fā)射水平，還必須注入正確的噪聲波形。是德科技工具可讓設(shè)計人員訪問許多不同的波形，無論是標準波形、用戶自定義的波形還是測得的波形。

整合是關(guān)鍵

隨著數(shù)據(jù)速率不斷提高，系統(tǒng)設(shè)計人員將面臨更大的EMI和EMC設(shè)計挑戰(zhàn)。使用能夠提供集成電路和EM仿真的正確設(shè)計工具至關(guān)重要。是德科技的設(shè)計工具不僅能夠提供這種綜合能力，還能處理一系列的設(shè)計問題，這使得它們成為系統(tǒng)工程師的理想選擇，幫助工程師克服當今和未來面臨的EMC和EMI設(shè)計挑戰(zhàn)。

5.NI AWR

美國加州El Segundo

解決EMC/EMI性能問題是產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一部分，特別是當電子元件密集封裝時，會出現(xiàn)高頻信號和快速瞬變，產(chǎn)生輻射或傳導（傳輸）干擾，進而產(chǎn)生不利影響。NI AWR Design Environment是一個用于高頻電路和系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的開放設(shè)計平臺，通過將平面和任意三維EM分析直接納入電路和系統(tǒng)級設(shè)計和仿真內(nèi)部來解決這些問題。以下兩個示例說明了集成電路、系統(tǒng)和EM協(xié)同仿真所提供的分析功能，這兩個示例均利用NI AWR軟件的功能來克服多個EMC/EMI設(shè)計挑戰(zhàn)。

三菱案例

三菱電機公司的設(shè)計人員使用NI AWR Design Environment來解決EMC/EMI設(shè)計挑戰(zhàn)，并提高了公司生產(chǎn)的DIATONE汽車音響系統(tǒng)的音質(zhì)。設(shè)計團隊采用Microwave Office電路設(shè)計軟件和AXIEM平面電磁分析軟件，對導航系統(tǒng)的電路板設(shè)計進行嚴格的EMC噪聲分析，包括通過傳輸路徑和輻射噪聲分析來識別噪聲源。

設(shè)計人員考慮了整個系統(tǒng)，其中包括給定環(huán)境中的發(fā)射源（發(fā)射體）和敏感受體。EMI來源于集成電路產(chǎn)生的電磁波。高頻噪聲建模包括三個基本要素：噪聲源、傳輸路徑和輻射端（圖9）。

在這個模型中，音頻板采用雙板配置，即一塊電源板和一塊主板，其中主板包含微控制器、數(shù)字信號處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員開發(fā)了一個精確的噪聲源模型，并在測試系統(tǒng)中進行了測量和驗證。然后將該模型與可能的電路板幾何EM仿真結(jié)合使用，以研究如何減少電磁干擾（圖10）?？乖氪胧┑膬?yōu)化以及試驗次數(shù)的大幅減少，大大降低了整體試驗成本，而且仍可確保同樣的音質(zhì)。

Microwave Office和AXIEM的緊密集成大大加速了設(shè)計過程。通過對傳輸噪聲分量進行EMC噪聲分析，我們發(fā)現(xiàn)了一條回波路徑，這會降低音頻系統(tǒng)的聲音質(zhì)量。電磁熱點可以通過AXIEM的電流圖快速識別；然后使用Microwave Office快速對分量進行更改，這一更改反過來又會體現(xiàn)在AXIEM的結(jié)果中（圖11）。通過EMC噪聲分析，試驗成本降低了至少60%，零件成本降低了至少30%，人力成本降低了至少60%，而且公用事業(yè)成本也降低了至少50%。

RF MICROTECH案例

RF Microtech使用NI AWR Design Environment設(shè)計了一個非常大且復雜的超寬帶(UWB)濾波器，可防止移動服務(wù)頻段干擾ExpoMilano 2015的重要安全控制站，從而成功解決了又一個EMI/EMC設(shè)計挑戰(zhàn)。這個問題不同于第一個例子，因為設(shè)計人員要求根據(jù)特性已知的干擾信號開發(fā)高性能濾波器。他們面臨的挑戰(zhàn)是要在不到一個月的時間內(nèi)開發(fā)此濾波器。

RF Microtech面臨的另一個挑戰(zhàn)是對雙端口UWB濾波器進行全波EM仿真并進行驗證，該濾波器可以濾除超過35dB的所有五個移動業(yè)務(wù)頻段。電磁仿真和驗證必須在兩周內(nèi)完成，且在展會開放時完成完整的可部署設(shè)備。設(shè)計團隊使用Microwave Office來開發(fā)傳輸線路上五個獨立陷波濾波器(NBF)級聯(lián)的電路模型（圖12）。

每個獨立濾波器設(shè)計為由N個并聯(lián)諧振器多級級聯(lián)而成的第四或第五階NBF。每個濾波器的規(guī)格要求使用具有高無載Q值（>1000）且6GHz以下無雜散模式的諧振器。在確定濾波器的最佳幾何結(jié)構(gòu)后，RF Microtech使用ANSYS HFSS全波電磁分析工具來驗證傳輸線和濾波器部分。

這兩個案例說明了如何通過NI AWR Design Environment集成電路和EM設(shè)計工具來克服EMC/EMI性能問題，幫助設(shè)計團隊大幅度縮短設(shè)計周期和削減成本，并及時提供高質(zhì)量的解決方案。