TWI526695B - 電磁輻射特性的預測方法、電腦可讀取記錄媒體和模擬器 - Google Patents

Description

電磁輻射特性的預測方法、電腦可讀取記錄媒體和模擬器

本發明是有關於一種電磁輻射特性的預測技術，且特別是有關於一種電磁輻射特性的預測方法、電腦可讀取記錄媒體和模擬器。

目前，電子元件所產生的電磁輻射量亦或是電子系統內天線架構的輻射場型等輻射特性，於產品設計階段，皆須仰賴電磁全波模擬軟體(electromagnetic full-wave solver)獲取相關資訊。由於電磁全波模擬軟體於求解時利用有限元素法(FEM：finite element method)、時域有限差分法(FDTD：finite-difference time-domain)或是動差法(MOM：method of moment)，皆需要進行相當大規模的數學運算，因此使用上相當耗時。

此外，當進行系統的訊號完整度或電源完整度分析時，需借助時域電路軟體分析系統架構的眼圖(eye pattern)以助了解系 統的整體效能。而多數電磁全波模擬軟體僅能提供電子元件的頻域分析結果，此種類型檔案不易於時域電路軟體內與其他電路架構結合，會造成分析上的困難，甚至提供錯誤的結果。

本發明提供一種電磁輻射特性的預測方法、電腦可讀取記錄媒體和模擬器，可大幅縮短預測電子元件的電磁輻射特性所需的時間。

本發明的電磁輻射特性的預測方法包括下列步驟：在電子元件的等效電路模型中取得多個第一輻射電流，根據上述多個第一輻射電流計算輻射電阻，將上述計算所得的輻射電阻加入等效電路模型，然後在等效電路模型中取得多個第二輻射電流，以及根據上述多個第二輻射電流預測電子元件的電磁輻射特性。

本發明的電腦可讀取記錄媒體儲存一電腦程式。當電子裝置載入並執行此電腦程式後，可完成如上所述的電磁輻射特性的預測方法。

本發明的模擬器包括處理器和儲存裝置。處理器執行如上所述的電磁輻射特性的預測方法。儲存裝置耦接處理器，儲存上述的等效電路模型、上述多個第一輻射電流、上述輻射電阻、以及上述多個第二輻射電流。

基於上述，本發明可為電子元件找出易與電路軟體結合的等效電路模型，而此等效電路模型也描述了電子元件的電磁輻 射特性。本發明可根據此等效電路模型快速預測電子元件的電磁輻射特性，其效率遠遠超出傳統的電磁全波模擬軟體。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

110~190‧‧‧方法步驟

200‧‧‧半波長偶極天線

210‧‧‧電壓源

220‧‧‧源阻抗

230‧‧‧半波長偶極天線200的部分

300‧‧‧等效電路單元

310、320‧‧‧等效電感

330‧‧‧等效電容

340‧‧‧無窮遠處的參考電位零位面

400‧‧‧等效電路模型

401~404‧‧‧等效電路單元

421~426‧‧‧取得輻射電流的位置

900‧‧‧迴圈天線

901~904‧‧‧虛線

921、922‧‧‧迴圈天線的區段

931~934‧‧‧迴圈天線中的參考點

951、952‧‧‧迴圈天線的區段

1000‧‧‧等效電路單元

1200‧‧‧模擬器

1210‧‧‧處理器

1220‧‧‧儲存裝置

1230‧‧‧掃描器

圖1是依照本發明的一實施例的一種電磁輻射特性的預測方法的流程圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種半波長偶極天線的示意圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種等效電路單元的示意圖。

圖4是依照本發明的一實施例的一種等效電路模型的示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的輻射電流的分布圖。

圖6是依照本發明的一實施例的輻射電阻的示意圖。

圖7是依照本發明的一實施例的整體輻射量的示意圖。

圖8是依照本發明的一實施例的輻射場型的示意圖。

圖9是依照本發明的一實施例的一種迴圈天線的示意圖。

圖10是依照本發明的一實施例的一種等效電路單元的示意圖。

圖11是依照本發明的一實施例的整體輻射量的示意圖。

圖12是依照本發明的一實施例的一種模擬器的示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種電磁輻射特性的預測方法的流程圖。此預測方法可用來預測電子元件的電磁輻射特性。此電磁輻射特性可包括電子元件的整體輻射量(total radiated power)和輻射場型(radiation pattern)其中的一者或兩者。上述的電子元件可以是任何電路或電子裝置，或其中的任何零件。上述的電子元件也可以是積體電路(IC：integrated circuit)、印刷電路板(PCB：printed circuit board)或無線通訊系統中的天線。

在本發明的一個實施例中，上述的電子元件是一個半波長偶極天線(half-wavelength dipole antenna)。圖2是此實施例的半波長偶極天線200的示意圖。電壓源210可激發半波長偶極天線200的輻射。阻抗220是對應於電壓源210的源阻抗(source impedance)。

下面以半波長偶極天線200做為電子元件的範例，說明圖1的預測方法的流程。首先，在步驟110將電子元件劃分為多個部分。每一部分的大小可以是電子元件的最高操作頻率的對應導波波長的一個預設比例，例如對應於最高操作頻率的導波波長的十分之一。圖2繪示一個半波長偶極天線200的部分230。可依照半波長偶極天線200的部分230的大小將半波長偶極天線200 劃分為多個部分。

在步驟120，對於每一部分，取得該部分的等效電感與等效電容。上述的等效電感是指參考回流在無窮遠處的等效電感，而等效電容是以無窮遠處為電位零位面的等效電容。等效電感與等效電容可用查表或計算方式取得。

在步驟130，對於每一部分，根據該部分的等效電感與等效電容建立該部分的等效電路單元。例如圖3繪示半波長偶極天線200的部分230的等效電路單元300。等效電路單元300就是半波長偶極天線200的部分230的等效電路，其中電感310和320是半波長偶極天線200的部分230的等效電感，電容330是部分230的等效電容，而線段340表示的是無窮遠處的參考電位零位面。在步驟140，將所有部份的等效電路單元組成電子元件的等效電路模型。例如圖4繪示由多個等效電路單元401~404串聯組成的半波長偶極天線200的等效電路模型400。每一個等效電路單元401~404都和等效電路單元300相同。

接下來，在步驟150，在電子元件的等效電路模型中取得多個輻射電流，以取得輻射電流在電子元件中的分布。對於一般的電子元件，其中的電流可分為傳輸電流和輻射電流兩種。傳輸電流在同一電子元件中有相對應的回流，不會造成輻射。輻射電流在同一電子元件中沒有相對應的回流，其回流視為在無窮遠處，所以輻射電流會造成輻射。因此圖1的預測方法只考慮輻射電流，而不考慮傳輸電流。輻射電流對應於單導體傳輸線時也可 稱為共同模態電流(common-mode current)。

為了取得輻射電流，可以在電子元件的等效電路模型中選擇多個位置，在每一個位置取得上述多個輻射電流其中之一。例如圖4所示的位置421~426可做為取得上述多個輻射電流的位置。雖然位置421~426都在等效電路單元401~404之外，在另一個實施例中，也可在等效電路單元401~404之內取得輻射電流。

上述的輻射電流可用量測實體的等效電路模型的方式取得，也可用解析等效電路模型的方式計算產生，或者也可使用對等效電路模型進行電腦模擬的方式而計算產生。以半波長偶極天線200為例，考量半波長偶極天線200的左右兩個偶極天線的金屬耦合效應與末端不連續效應後，可以算出半波長偶極天線200之中隨位置分布的輻射電流的大小，如圖5所示。圖5的橫軸表示半波長偶極天線200的從左端到右端的不同位置。圖5所示的輻射電流分布是由步驟150之中取得的多個輻射電流組成。

接下來，在步驟160，根據在步驟150取得的多個輻射電流和下列的公式(1)~(6)計算電子元件的輻射電阻(radiation resistance)。

公式(1)之中，P是電子元件的整體輻射量。積分符號和S表示無窮遠的球體表面的面積分。和分別表示電子元件所輻射的電場與磁場。η ₀是真空阻抗(impedance of free space)。η ₀是物理常數，大約為377歐姆(ohm)。

公式(2)之中，j表示複數的虛部。ω表示電子元件的操作角頻率(angular frequency)。是電子元件的磁電位(magnetic potential)。

公式(3)之中，e是尤拉常數(Euler's number)。k是電磁波在空氣中的傳播常數(propagation constant)。r是球體表面S與電子元件之間的距離，代表上述的無窮遠的距離。μ ₀是磁導係數(magnetic permeability)。積分符號和V表示電子元件內的輻射電流的體積分。J(ξ,η,ζ)表示電子元件內的輻射電流分布。ξ、η和ζ是電子元件的座標系統的空間三維座標。因為電流有方向性，所以J(ξ,η,ζ)在公式(4)、(5)之中對應電磁場和的座標系統的空間三維座標xyz拆成三個分量J _x (ξ,η,ζ)、J _y (ξ,η,ζ)和J _z (ξ,η,ζ)。l表示電子元件的輻射電流分布中，任一點和電子元件的座標系統原點的距離。和是磁電位對應球體表面S的兩個極座標θ和的 分量。極座標θ和是由座標xyz轉換而來。

公式(4)和(5)其中的變數與常數都已經在前面說明過。公式(6)之中的R _A 表示電子元件的輻射電阻。

為了計算電子元件的輻射電阻，可將在步驟150取得的輻射電流分布代入公式(4)、(5)的J _x (ξ,η,ζ)、J _y (ξ,η,ζ)和J _z (ξ,η,ζ)，計算出磁電位和。然後用公式(3)計算出磁電位。然後用公式(2)計算出電子元件的電場。然後用公式(1)計算出電子元件的整體輻射量P。然後可用公式(6)計算電子元件的輻射電阻R _A 。可以選擇在步驟150取得的多個輻射電流其中之一做為公式(6)其中的輻射電流J(x,y,z)。被選擇的輻射電流J(x,y,z)在電子元件的操作頻率範圍中的電流值必須皆大於零，如此可避免分母為零所造成的計算問題。用公式(1)~(6)可算出電子元件(也就是半波長偶極天線200)在某一位置上的輻射電阻隨操作頻率變化的情形，如圖6所示。

接下來，在步驟170，將以上計算所得的輻射電阻R _A 加入電子元件的等效電路模型中取得被選擇的輻射電流J(x,y,z)的位置。舉例來說，如果被選擇的輻射電流J(x,y,z)是在圖4當中的位置422取得，則輻射電阻R _A 會被加入同一位置422，耦接於等效電路單元401和402之間。

接下來，在步驟180，在已經加入輻射電阻R _A 的等效電路模型中再度取得多個輻射電流。步驟180的取得方式如同步驟150的取得方式。由於在步驟130和140建立的等效電路模型並無 考量輻射電阻的效應，因此在步驟150取得的輻射電流並不正確，在步驟180才能取得真正的輻射電流。

接下來，在步驟190，根據在步驟180取得的輻射電流和公式(1)~(6)預測電子元件的電磁輻射特性。如上所述，電子元件的電磁輻射特性可包括整體輻射量和輻射場型。整體輻射量就是公式(1)其中的變數P，而輻射場型可來自公式(2)其中的電場。圖7是依照本發明的一實施例的半波長偶極天線200的整體輻射量的示意圖。圖8是依照本發明的一實施例的半波長偶極天線200的輻射場型的示意圖。圖7和圖8皆繪示圖1的預測方法和傳統的電磁全波模擬軟體的預測結果。由圖7和圖8可看出，圖1的預測方法的結果很接近傳統的電磁全波模擬軟體，而且圖1的預測方法的速度遠遠超出傳統的電磁全波模擬軟體。圖1的預測方法所需的預測時間甚至可能不到電磁全波模擬軟體的百分之一。

圖9是依照本發明的一實施例的一種迴圈天線(loop antenna)900的示意圖。圖1的預測方法也可用於預測迴圈天線900的電磁輻射特性。為這個目的，可將迴圈天線900劃分為多個部分。例如沿虛線901和902切割出來的區段921和922可合併為一個部分，此部分的等效電路單元1000如圖10所示。由圖9和圖10的參考點931~934可知區段921和922以及等效電路單元1000之間的對應關係。等效電路單元1000包括了區段921和922之間的電場耦合與磁場耦合。同理，沿虛線903和904切割出來的區段951和952可合併為另一個部分，此部分的等效電路單元 和圖10的等效電路單元1000相同。

依照上述的切割方式，可將迴圈天線900劃分為多個部分，以建立等效電路單元和等效電路模型。然後可依照圖1流程預測迴圈天線900的電磁輻射特性。圖11是依照本發明的另一實施例的迴圈天線900的整體輻射量的示意圖。圖11繪示圖1的預測方法和傳統的電磁全波模擬軟體的預測結果。如圖11所示，這兩種預測結果很接近。

本發明的上述實施例也提供一種電腦可讀取的記錄媒體。此記錄媒體可儲存電腦程式。當電腦之類的電子裝置載入並執行此電腦程式後，可完成如圖1的實施例所述的電磁輻射特性的預測方法。

圖12是依照本發明的一實施例的一種模擬器1200的示意圖。模擬器1200包括彼此互相耦接的處理器1210、儲存裝置1220、以及掃描器1230。處理器1210可執行圖1的預測方法。儲存裝置1220可儲存處理器1210執行圖1的預測方法所需的資料，例如步驟140的等效電路模型、步驟150的輻射電流、步驟160的輻射電阻、以及步驟180的輻射電流。

掃描器1230可以是二維掃描器或三維掃描器。掃描器1230可掃描電子元件的模型以取得電子元件的大小、形狀與結構等外觀特徵。掃描器1230可根據事先輸入的縮放比例來放大或縮小上述掃描所得的外觀特徵。處理器1210可根據掃描器1230提供的外觀特徵執行圖1的預測方法以預測上述模型所對應的電子 元件的電磁輻射特性。如此可在製造真實的電子元件之前就先用模型來預測電子元件的電磁輻射特性。

綜上所述，本發明能找出易與電路軟體結合的電子元件之等效電路模型，而此等效電路模型也描述了電子元件的電磁輻射特性。因此本發明突破了傳統的等效電路模型無法涵括電磁輻射特性的缺點。另外，本發明可快速預測電子元件的電磁輻射特性，包括整體輻射量與輻射場型。本發明也能免去電磁全波模擬軟體的使用與其冗長的計算過程。本發明可用於任何一種導體所構成的電路、電子零件或電子裝置。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

110~190‧‧‧方法步驟

Claims (19)

1. 一種電磁輻射特性的預測方法，包括：在一電子元件的一等效電路模型中取得多個第一輻射電流；根據上述多個第一輻射電流計算一輻射電阻；將該輻射電阻加入該等效電路模型，然後在該等效電路模型中取得多個第二輻射電流；以及根據上述多個第二輻射電流預測該電子元件的電磁輻射特性。
2. 如申請專利範圍第1項所述的預測方法，更包括：將該電子元件劃分為多個部分；對於每一上述部分，取得該部分以無窮遠處為參考電位零位面的等效電感與等效電容，根據該等效電感與該等效電容建立該部分的等效電路單元；以及將上述多個部份的上述多個等效電路單元組成該等效電路模型。
3. 如申請專利範圍第2項所述的預測方法，其中該電子元件的每一上述部分的大小為該電子元件的最高操作頻率的對應導波波長的一預設比例。
4. 如申請專利範圍第1項所述的預測方法，其中計算該輻射電阻的步驟包括：選擇上述多個第一輻射電流其中之一，其中被選擇的該第一輻射電流在該電子元件的操作頻率範圍中的電流值皆大於零；以 及根據被選擇的該第一輻射電流計算該輻射電阻。
5. 如申請專利範圍第4項所述的預測方法，其中計算該輻射電阻的步驟更包括：根據上述多個第一輻射電流計算該電子元件的整體輻射量；以及根據被選擇的該第一輻射電流和該整體輻射量計算該輻射電阻。
6. 如申請專利範圍第5項所述的預測方法，其中計算該整體輻射量的步驟包括：根據上述多個第一輻射電流計算該電子元件的一磁電位；根據該磁電位計算該電子元件的一電場；以及根據該電場計算該整體輻射量。
7. 如申請專利範圍第4項所述的預測方法，其中將該輻射電阻加入該等效電路模型的步驟包括：將該輻射電阻加入在該等效電路模型中取得被選擇的該第一輻射電流的位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述的預測方法，其中該電磁輻射特性至少包括該電子元件的整體輻射量和輻射場型其中之一。
9. 如申請專利範圍第8項所述的預測方法，其中預測該電磁輻射特性的步驟包括：根據上述多個第二輻射電流計算該電子元件的一磁電位； 根據該磁電位計算該電子元件的一電場；根據該電場預測該輻射場型；以及根據該電場計算該整體輻射量。
10. 一種電腦可讀取記錄媒體，儲存一電腦程式，當一電子裝置載入並執行該電腦程式後，可完成如申請專利範圍第1項所述的電磁輻射特性的預測方法。
11. 一種模擬器，包括：一處理器，在一電子元件的一等效電路模型中取得多個第一輻射電流，根據上述多個第一輻射電流計算一輻射電阻，將該輻射電阻加入該等效電路模型，然後在該等效電路模型中取得多個第二輻射電流，並根據上述多個第二輻射電流預測該電子元件的電磁輻射特性；以及一儲存裝置，耦接該處理器，儲存該等效電路模型、上述多個第一輻射電流、上述多個輻射電阻、以及上述多個第二輻射電流。
12. 如申請專利範圍第11項所述的模擬器，其中該處理器將該電子元件劃分為多個部分；對於每一上述部分，該處理器取得該部分以無窮遠處為參考電位零位面的等效電感與等效電容，根據該等效電感與該等效電容建立該部分的等效電路單元；該處理器將上述多個部份的上述多個等效電路單元組成該等效電路模型。
13. 如申請專利範圍第12項所述的模擬器，其中該電子元件 的每一上述部分的大小為該電子元件的最高操作頻率的對應導波波長的一預設比例。
14. 如申請專利範圍第11項所述的模擬器，其中該處理器選擇上述多個第一輻射電流其中之一，被選擇的該第一輻射電流在該電子元件的操作頻率範圍中的電流值皆大於零，該處理器根據被選擇的該第一輻射電流計算該輻射電阻。
15. 如申請專利範圍第14項所述的模擬器，其中該處理器根據上述多個第一輻射電流計算該電子元件的整體輻射量，並根據被選擇的該第一輻射電流和該整體輻射量計算該輻射電阻。
16. 如申請專利範圍第15項所述的模擬器，其中該處理器根據上述多個第一輻射電流計算該電子元件的一磁電位，根據該磁電位計算該電子元件的一電場，並根據該電場計算該整體輻射量。
17. 如申請專利範圍第14項所述的模擬器，其中該處理器將該輻射電阻加入在該等效電路模型中取得被選擇的該第一輻射電流的位置。
18. 如申請專利範圍第11項所述的模擬器，其中該電磁輻射特性至少包括該電子元件的整體輻射量和輻射場型其中之一。
19. 如申請專利範圍第18項所述的模擬器，其中該處理器根據上述多個第二輻射電流計算該電子元件的一磁電位，根據該磁電位計算該電子元件的一電場，根據該電場預測該輻射場型，並根據該電場計算該整體輻射量。