电磁兼容五：仿真技术

引言

电磁兼容仿真主要指的是，用计算机和电磁仿真软件作为基本工具，以计算电磁学作为理论基础，对器件的电磁特性进行模拟分析。使用仿真技术，可以在器件开发初期用较低成本发现并解决掉一些电磁兼容问题。

电磁兼容仿真的分类

根据仿真对象的电尺寸大小，电磁兼容仿真可以分为如下四种。

1. PCB板级仿真
   仿真对象为PCB板的信号完整性，电源完整性，电磁干扰和电磁敏感性。新能参数主要通过观察PCB 板上的电流，电场分布获得。
2. 线缆线束级仿真
   对线缆两端的电压，电流，串扰值进行分析。
3. 机箱机柜级仿真
   主要针对作为金属外壳的机箱等进行仿真，观察螺丝，散热孔对电磁场的影响。
4. 系统级仿真
   主要指能够独立工作的子系统设备，完整的整机产品仿真。整合了前三种仿真。

计算电磁学

计算电磁学以麦克斯韦方程组为基础，通过介质的本构条件和特定的边界条件对方程求解。计算电磁学经过多年发展，已经发展出了多种方法，比较主流的有限元法，矩量法，时域有限差分法等等。

矩量法

矩量法 The Method of Moments, MOM. 将需要求解的微分方程或者积分方程转换为带有微分或者积分算符的算子方程。再将待求解函数表达为基函数的线性组合，代入到算子方程中，得到一般的线性矩阵方程，然后求解该方程得到所需要的结果。

本质上，矩量法是将积分方程转换成差分方程，或者将积分转换为有限求和，从而建立代数方程组，求解方程组 。代数方程组相当于一组矩阵，矩阵的大小对计算速度影响巨大。

矩量法在解决辐射和散射问题上比较有效，尤其是线和面组成的金属结构问题。

有限元法

有限元法的原理是用许多子域来代替整个连续区域进行求解。在子域中，未知函数使用带有位置系数的插值函数来表示。将边值问题转换为有限个自由度的问题。然后用Ritz法进行变分，将微分方程的求解转换为代数方程的求解。或者用Galerkin法将微分方程转换为有限元方程。最后通过求解方程组得到区域的电磁场解。

时域有限差分方法

时域有限差分法 Finite Difference Time Domain，FDTD。基本原理是用中心差分法代替麦克斯韦方程组中旋度方程的微分形式。用空间网格来对目标进行研究。

比较常用的电磁仿真软件有 Ansys HFSS ， CST， Feko等。由于采用了不同的计算方法，在仿真不同电尺寸，结构复杂度的器件时应当更具算法特点进行选择合适的软件进行仿真。

仿真流程

电磁仿真的仿真流程按次序可以分为:

• 选择合适的仿真软件
• 新建仿真工程
• 设置求解类型
• 建模
• 设置模型属性
• 求解设置
• 设置端口激励
• 设置边界条件
• 材料属性设置
• 网格划分
• 仿真
• 分析和优化
• 数据后处理