CN102385655B - 一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，该方法具体步骤为：第一步建立电子设备的电路物理模型；第二步设置电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真的约束条件；第三步在三维电磁仿真软件HFSS中进行电子设备的电磁敏感性仿真。本发明仿真方法能够较好地模拟电子设备所面临的电磁环境，通过电磁敏感性仿真获得该类电子设备的电磁敏感性的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA。本发明仿真方法仿真精度高，与实测误差较小。

Description

一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法

技术领域

本发明属于电子设备电磁特性技术领域，具体涉及一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法。

背景技术

电磁敏感性问题实际上是电子设备辐射发射的电磁波与其他电子设备间的相互作用。电磁敏感性是指设备、器件因电磁干扰可能导致工作性能降级的特性，这种相互影响可以用“场路耦合”来描述，即一个电子设备对另一个电子设备的“场路耦合”可以实现能量从骚扰源传递到敏感设备。场路耦合中的辐射耦合是指辐射干扰源以电磁场的形式在空间传播，然后通过接收回路耦合到接收器的这样一个由此及彼的能量传输过程。具体来说，这种方式又可以分为空间电磁波至接收天线的耦合、空间电磁波对电缆的耦合以及电缆对电缆的耦合等情况。因此，只有认识了外界射频电磁干扰能量与电子设备的电磁能量耦合方式和强度，才能科学制定电子设备的抗电磁干扰性能的试验方法。

HFSS-High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端口特征阻抗和传输常数；③S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；④结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。

发明内容

本发明的目的是提出一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，该方法以电子设备的电路物理模型FAA与辐射耦合仿真条件FBB在三维电磁仿真软件HFSS中进行电磁敏感性仿真，获得电路物理模型FAA的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA。

本发明的一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，该仿真方法在三维电磁仿真软件HFSS中被调用；该仿真方法包括有下列步骤：

第一步：构建电子设备的电路物理模型FAA

依据待仿真的电子设备电路板图PCB和电子设备屏蔽板图PCC构建得到电路物理模型FAA；

所述电子设备电路板图PCB是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCB、相对介电常数e_PCB和相对磁导率δ_PCB进行仿真获得；

所述电子设备屏蔽板图PCC是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCC、相对介电常数e_PCC和相对磁导率δ_PCC进行仿真获得；

第二步：设置辐射耦合仿真条件FBB

基于电磁场与微波技术理论，设置辐射耦合仿真条件FBB中的各元素：仿真频率Ff、电磁波类型FTT、极化方向FJD、照射角度FA、电场强度FE和辐射耦合边界条件FBJ；

所述仿真频率Ff＝300MHz～1GHz；

所述电磁波类型FTT包括有连续平面波、正弦波、或者方波；

所述极化方向FJD包括有水平极化方向和垂直极化方向；

所述照射角度FA包括有0度、45度、或者90度；

所述电场强度FE＝15V/m～50V/m；

所述辐射耦合边界条件FBJ是取辐照电磁波的波长λ的1/2，即且

其中，波长λ是指仿真频率Ff对应的波长；

第三步：获得辐射耦合电磁敏感性

依据辐射耦合仿真条件FBB对电路物理模型FAA在三维电磁仿真软件HFSS中进行辐射耦合电磁敏感性仿真处理，获得电路物理模型FAA中的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA；

所述谐振频率R_FAA是指FE_ij取最大值时Ff_j；

所述强耦合频点Q_FAA是指FE_ij取最大值时对应的频率点；

所述三维电磁仿真软件HFSS中调用的与辐射耦合仿真条件FBB的匹配关系为 $\mathrm{HFSS}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{FE}}_{\mathrm{ij}}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\▿\mathrm{FJD}}_j\·{\▿\mathrm{FJD}}_i\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{Ff}}_j={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{FJD}}_j\·q\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{FBJ}}_j={\∫}_{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{FJD}}_j\·h\·\mathrm{d\Γ}\end{array}\right].$

本发明一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法的优点在于：

①对电路物理模型FAA采用电路板图PCB与屏蔽板图PCC相接合的形式，充分考虑了屏蔽板图PCC对该电子设备的电磁敏感性的影响。

②采用在三维结构电磁场仿真软件HFSS中设置边界条件的形式，模拟了真实电磁干扰环境下电子设备所承受的电磁干扰。可以真实还原电子设备在实际应用环境下的情况。

③采用辐射耦合仿真条件FBB＝{Ff，FTT，FJD，FA，FE，FBJ}对电路物理模型FAA进行约束，在应用三维结构电磁场仿真软件HFSS中精确获得电路物理模型FAA的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA，与实际误差较小。

附图说明

图1是本发明仿真方法的流程图。

图2是本发明电子设备的电路物理模型FAA的参数设置界面示意图。

图2A是电子设备电路板图PCB的拷屏图。

图2B是电子设备屏蔽板图PCC的拷屏图。

图3是本发明在仿真频带内的三种照射角度示意图。

图4是本发明电磁敏感性仿真界面示意图。

图5是依据实施例获得的电磁敏感性的谐振频率曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，该仿真方法包括有下列步骤：

第一步：构建电子设备的电路物理模型FAA

参见图2所示，依据待仿真的电子设备电路板图PCB和电子设备屏蔽板图PCC构建得到电路物理模型FAA。

电路物理模型FAA采用数学集合表达为FAA＝{PCB，PCC}。

在本发明中，电子设备电路板图PCB是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCB、相对介电常数e_PCB和相对磁导率δ_PCB进行仿真获得。参见图2A所示，选取铝基覆铜板、相对介电常数e_PCB＝4.5和相对磁导率δ_PCB＝1在三维电磁仿真软件HFSS中仿真得到的电子设备电路板图PCB的拷屏图。

在本发明中，电子设备屏蔽板图PCC是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCC、相对介电常数e_PCC和相对磁导率δ_PCC进行仿真获得。参见图2B所示，选取铝基覆铜板、相对介电常数e_PCC＝4.5和相对磁导率δ_PCC＝1在三维电磁仿真软件HFSS中仿真得到的电子设备屏蔽板图PCC的拷屏图。

在本发明中，对于电子设备物理建模是对电子设备中能够对电磁场的分布产生影响的部分进行建模，就是对电子设备的PCB板图和屏蔽板进行建模。介质板的材料可以是酚醛纸基覆铜板(FR1/FR2)、玻纤布覆铜板(FR4)、复合基覆铜板(CEM-1、CEM-3)、铝基覆铜板等。

第二步：设置辐射耦合仿真条件FBB

基于电磁场与微波技术理论，设置辐射耦合仿真条件FBB中的各元素：仿真频率Ff、电磁波类型FTT、极化方向FJD、照射角度FA、电场强度FE和辐射耦合边界条件FBJ。

辐射耦合仿真条件FBB采用数学集合表达为FBB＝{Ff，FTT，FJD，FA，FE，FBJ}。

在本发明中，仿真频率Ff＝300MHz～1GHz。

在本发明中，电磁波类型FTT包括有连续平面波、正弦波、方波等。

在本发明中，极化方向FJD包括有水平极化方向(如图2A、如图2B中Y轴方向)和垂直极化方向(如图2A、如图2B中X轴方向)。

在本发明中，照射角度FA包括有0度、45度和90度，参见图3所示。

在本发明中，电场强度FE＝15V/m～50V/m。

在本发明中，辐射耦合边界条件FBJ是取辐照电磁波的波长λ的1/2，即

且

其中，波长λ是指仿真频率Ff＝300MHz～1GHz所对应的波长。

第三步：获得辐射耦合电磁敏感性

参见图4所示，依据辐射耦合仿真条件FBB对电路物理模型FAA在三维电磁仿真软件HFSS中进行辐射耦合电磁敏感性仿真处理，获得电路物理模型FAA中的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA。

在本发明中，所述谐振频率R_FAA是指FE_ij取最大值时Ff_j。

在本发明中，所述强耦合频点Q_FAA是指FE_ij取最大值时对应的频率点。

所述三维电磁仿真软件HFSS中调用的与辐射耦合仿真条件FBB的匹配关系为 $\mathrm{HFSS}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{FE}}_{\mathrm{ij}}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\▿\mathrm{FJD}}_j\·{\▿\mathrm{FJD}}_i\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{Ff}}_j={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{FJD}}_j\·q\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{FBJ}}_j={\∫}_{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{FJD}}_j\·h\·\mathrm{d\Γ}\end{array}\right],$ 匹配关系中各字母的物理意义为：

FE_ij表示第i行第j列的电磁场的强度，i表示行号，j表示列号；

表示空间电磁场在第i行切向方向上的旋度；

表示空间电磁场在第j列切向方向上的旋度；

Ω表示边界条件内的空间，dΩ表示边界条件内的空间的积分；

Ff_j表示第j列上的频率；

q表示电荷；

FBJ_j表示第j列的边界条件；

h表示边界条件的误差系数；

Γ表示边界条件空间Ω中的边，dΓ表示边界条件空间Ω中边的积分。

在本发明中，电磁敏感性仿真是指在无激励源的条件下，求解电子设备由于自身物理结构及材质等因素而引入的谐振频率，任何一个简单电子设备都将具有一个或几个谐振频率，当入射的频率与这些谐振频率中的任意一个接近时，将发生谐振。

为了实现某电子设备电磁兼容性的定量预测分析，本发明应用计算机的计算与存储能力和采用软件编写程序的方式，发明人应用VC++6.0编写了电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真系统。该电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真系统是在HFSS-Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件High Frequency Structure Simulator(HFSS)软件环境中进行的。

计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。在本发明中，计算机的最低配置为：主频1.24GHz、内存512M、硬盘10GB；计算机的操作系统为Windows2000/2003/XP。

实施例

以铝基覆铜板为介质板，其相对介电常数e_PCB＝4.5和相对磁导率δ_PCB＝1在三维电磁仿真软件HFSS中仿真得到的电子设备电路板图PCB的拷屏图，如图2A所示。

以铝基覆铜板为介质板，其相对介电常数e_PCC＝4.5和相对磁导率δ_PCC＝1在三维电磁仿真软件HFSS中仿真得到的电子设备屏蔽板图PCC的拷屏图，如图2B所示。

以仿真频率Ff＝300MHz～1GHz，电磁波类型FTT为连续平面波，极化方向FJD为水平极化方向，照射角度FA＝45度，电场强度FE＝15V/m，辐射耦合边界条件

且

在三维电磁仿真软件HFSS中进行辐射耦合电磁敏感性仿真处理，获得电路物理模型FAA中的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA，如图5所示。

图5中各个场强极大值点所以对应的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA，见表1。

表1谐振频点

通过本发明仿真方法，能够得到电子设备的电磁敏感频点，用于指导电子设备电磁兼容性设计、试验和相关兼容性分析，同时，该方法仿真精度高，与实测误差较小。

Claims (5)

1.一种电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，该仿真方法在三维电磁仿真软件HFSS中被调用；其特征在于该仿真方法包括有下列步骤：

第一步：构建电子设备的电路物理模型FAA

依据待仿真的电子设备电路板图PCB和电子设备屏蔽板图PCC构建得到电路物理模型FAA；

所述电子设备电路板图PCB是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCB、相对介电常数e_PCB和相对磁导率δ_PCB进行仿真获得；

所述电子设备屏蔽板图PCC是在三维电磁仿真软件HFSS下，以介质板P_PCC、相对介电常数e_PCC和相对磁导率δ_PCC进行仿真获得；

第二步：设置辐射耦合仿真条件FBB

基于电磁场与微波技术理论，设置辐射耦合仿真条件FBB中的各元素：仿真频率Ff、电磁波类型FTT、极化方向FJD、照射角度FA、电场强度FE和辐射耦合边界条件FBJ；

所述仿真频率Ff=300MHz～1GHz；

所述电磁波类型FTT包括有连续平面波、正弦波、或者方波；

所述极化方向FJD包括有水平极化方向和垂直极化方向；

所述照射角度FA包括有0度、45度、或者90度；

所述电场强度FE=15V/m～50V/m；

所述辐射耦合边界条件FBJ是取辐照电磁波的波长λ的1/2，即

且

其中，波长λ是指仿真频率Ff对应的波长；

第三步：获得辐射耦合电磁敏感性

依据辐射耦合仿真条件FBB对电路物理模型FAA在三维电磁仿真软件HFSS中进行辐射耦合电磁敏感性仿真处理，获得电路物理模型FAA中的谐振频率R_FAA和强耦合频点Q_FAA；

所述谐振频率R_FAA是指FE_ij取最大值时Ff_j；

所述强耦合频点Q_FAA是指FE_ij取最大值时对应的频率点；

所述三维电磁仿真软件HFSS中调用的与辐射耦合仿真条件FBB的匹配关系为 $\mathrm{HFSS}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{FE}}_{\mathrm{ij}}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}\▿{\mathrm{FJD}}_j\·\▿{\mathrm{FJD}}_i\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{Ff}}_j={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{FJD}}_j\·q\·\mathrm{d\Ω}\\ {\mathrm{FBJ}}_j={\∫}_{\mathrm{\Γ}}{\mathrm{FJD}}_j\·h\·\mathrm{d\Γ}\end{array}\right],$ 其中，FE_ij表示第i行第j列的电磁场的强度，i表示行号，j表示列号；▽FJD_i表示空间电磁场在第i行切向方向上的旋度；▽FJD_j表示空间电磁场在第j列切向方向上的旋度；Ω表示边界条件内的空间，dΩ表示边界条件内的空间的积分；Ff_j表示第j列上的频率；q表示电荷；FBJ_j表示第j列的边界条件；h表示边界条件的误差系数；Γ表示边界条件空间Ω中的边，dΓ表示边界条件空间Ω中边的积分。

2.根据权利要求1所述的电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，其特征在于：所述电子设备电路板图PCB能够选取铝基覆铜板、相对介电常数e_PCB=4.5和相对磁导率δ_PCB=1在三维电磁仿真软件HFSS中进行仿真。

3.根据权利要求1所述的电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，其特征在于：所述电子设备屏蔽板图PCC能够选取铝基覆铜板、相对介电常数e_PCC=4.5和相对磁导率δ_PCC=1在三维电磁仿真软件HFSS中进行仿真。

4.根据权利要求1所述的电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，其特征在于：介质板的材料是FR1酚醛纸基覆铜板、FR2酚醛纸基覆铜板、FR4玻纤布覆铜板、CEM-1复合基覆铜板、CEM-3复合基覆铜板或者铝基覆铜板。

5.根据权利要求1所述的电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法，其特征在于：所述电子设备辐射耦合电磁敏感性仿真方法应用VC++6.0编写。

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