5G時代之EMC模擬解決方案──應用篇

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發佈日期 2020-07-14


5G時代之EMC模擬解決方案──應用篇

本文將從實際操作面,分別從EMC模擬思路、場景案例以及具體應用等,分享專用於工程EMC模擬解決方案。

EMC解決方案博大精深,不僅入門不容易,要精通也很困難,進入EMC領域者對專業知識的深淺,可分為:

模擬決定勝敗

我們已經進入數位化時代。小自原子彈,大至無人機,沒有一樣高科技產品能脫離模擬技術。是否要運用模擬已不是選擇,而是每位決策者的決定。在Phase 1之前進行EMC的預先模擬,在Phase 1測試時發現的問題用模擬解決,然後在Phase 2時再用模擬驗證。

想要完成一個高效能設計,僅靠工程師經驗遠遠不足,還需使用專業電磁相容性設計分析工具進行設計輔助,進而發現設計問題、改善與驗證。EMC模擬工具,或可讓初出茅廬的菜鳥從此開啟「開掛人生」!

 

 

Ansys在之前的「5G時代的EMC模擬挑戰─基礎篇」與「5G時代的EMC模擬挑戰─實作篇」兩文中,詳述了EMC作為極其重要的一環,如何借助平台級一站式解決方案設計出滿足驗證要求的高效能產品。而本文將從實際操作面,分別從EMC模擬思路、場景案例以及具體應用等,分享專用於工程EMC模擬解決方案。

模擬不能理想化

EMC模擬有三不:

  1. 不能指望模擬得到精確的絕對數值;
  2. 不能指望透過模擬保證測試是否通過;
  3. 不能指望一次把完整系統和實際結構及版圖放入模擬,就得出最終結果。

EMC是無用訊號的干擾,和有用訊號相比,通常量級很小,任何一點細微擾動都會影響結果,故在測試時的幅度跳動很大,波動1~2dB都是正常的。模擬要在絕對數值上和測試完全對上就會更加困難,故能達到數量級的吻合即可。因此,EMC模擬一般都只看趨勢及相對值。能夠確定這個變動好或壞,改善幾個dB,就能給予工程設計足夠參考。

故在模擬無法得到精確絕對數值的情況下,我們必須理解無法僅憑模擬就能回答是否能通過EMC認證。

因此,當我們拿到一個複雜系統,不要試圖把整個系統所有結構和實際版圖都放進去模擬,看似完整、看似準確,實際卻會事倍功半。只能秉承由簡入繁、由元件到系統的方式,把不同的元件與不同種類的激發源,用Ansys軟體分別建模、模擬和最佳化,在各個元件的模擬方法和模擬設置都得到驗證後,再用系統模擬流程進行系統級模擬,即可得到全系統的EMC響應。

當然,模擬之道,止於至善。隨著電腦技術的發展與Ansys軟體不斷更新,未來一步到位,直接得到精確結果的模擬方法亦是指日可待。

 

EMC模擬主要看趨勢

 

平面波比偶極優

EMC模擬最重要的就是激發源(Source)。在輻射干擾(RE)模擬中,很多文獻都是用偶極波(Dipole)做Source,簡單方便,易懂易學。然Dipole的幅頻曲線、方向性等和Dipole本身的大小長短有關,這個並無統一標準,而且在頻率較低時,Dipole離待測裝置(DUT)過近,相當於近場,還會受到DUT反噬,一致性和穩定性相當差。

所以強烈建議用平面波來代替Dipole做Source,平面波均勻一致,且不會受DUT影響,確保結果的穩定和一致。

 

激發源:平面波優於偶極波

 

TRP優於探針頭

RE模擬中,通常用電場探針(Probe)來看輻射的場量,這種做法看似和測試一致,其實不然。Probe和方向圖、角度相關性很大,非常敏感。對於輻射場方向性很強的DUT,位置稍微偏離1°甚至0.5°,得到的結果都會相去甚遠,很容易誤導設計和除錯。而且在EMC設計中,DUT不是天線,我們不需要也無法控制輻射場方向。所以最佳思路是透過最佳化設計,讓總輻射功率最小。

在模擬時,對結果的讀取,我們可以畫一個半球,包裹住DUT的輻射開口,再對這個面上的坡印廷向量進行積分,得到總輻射功率(TRP)。TRP代表DUT的總輻射功率,厚實穩定,完美表現出DUT的輻射效能。

 

 

結果:TRP優於Probe

 

主機殼搭接測試

剛開始做模擬的工程師,覺得只要把所有物體精確的結構和材料參數都設定好,算出來的結果就不會差。然而,現實趕不上理想,很多工程應用是沒辦法在設計時就得到正確的結構和材料參數的。

比如主機殼搭接這個常見的應用,主機殼搭接如果直接金屬碰金屬,就算螺釘栓得再緊,也不可能做到接地良好,一定會有較長的縫隙,故通常會在上下金屬面之間墊上EMI Gasket (墊片)來保證接地和遮罩。而Gasket是有彈性的,隨著螺釘的鬆緊,接觸電阻亦會不同。在模擬中我們可以用表面阻抗來表現此不完美接觸。那麼參數的設定基準要如何抓取呢?

按照常理,同一家公司,同一類產品,同樣的生產製程,最終產品的特徵參數應該是一定的(誤差在許可範圍內)。這樣先取一個主機殼,將其改裝為測試夾具,測量其遮罩效能。然後在模擬裡,透過參數掃描或最佳化,得出遮罩效能(SE)最接近時的表面阻抗。這時的表面阻抗,就是最適合這類產品,最佳的表面阻抗參數。以後再做和此類產品有關的模擬,直接把這個參數填進去即可。這個方法被廣泛運用,很多難確定的參數(如編織電纜的轉移阻抗)都可以透過這個方法解決。

 

主機殼搭接參數用測試結果修正

 

遠距多物體輻射

隨著當前電腦硬體的進步,記憶體越來越大,以前不能模仿或很難模仿的項目也變得可能。比如微波暗室,那麼高那麼大,以前想想就望而卻步,但現在越來越多的人產生了直接把DUT、天線和整個暗室都建模型進行模擬的想法。

不過我們先來算算看,就算最高只到6G,最小的3公尺暗室也有60個波長,更別說10公尺、30公尺或100公尺了。這樣大的電尺寸下,同時放入包含PCB板、連接器等複雜、細微結構的DUT,一般電腦是無法運算的。

Ansys的解決方案是:只需畫兩個小小的空氣盒,分別包住DUT和接收天線,在兩個空氣盒表面分別賦予FEBI邊界。這樣,兩個盒子之間的空氣區域,不管是3公尺、10公尺或是30公尺,都完全不用劃分網格,也不耗費任何運算資源。

尋求解決方案時,空氣盒內部用業界標準的Golden-FEM演算法精確求解,盒子表面場為IE演算法,讓電磁場直接飛躍盒子間的無限空間,耦合到另個盒子表面,再扭動兩下即能鑽入。這個方法適用於遠距離多物體輻射分析。再比如雙站RCS,飛機和兩個雷達相距幾十公里甚至上百公里,用這個方法就可以輕鬆完成。

 

距離多物體輻射問題採用FEBI邊界

 

抗擾度GTEM室

常用於抗擾度測試的GTEM室,頻率高(最高頻率到18G),尺寸大(整個房間超過400λ),在現有條件下無法直接運算。經過多方探索,現有的最佳辦法是運用半解析數值法,運用頻率外推和距離外推技術,運用低頻/部分結構的模擬結果,外推出高頻/完整結構的場值資料,和實測結果相符。

 

GTEM室採用外推算法求解

 

ESD聯合模擬

目前的模擬演算法很多,模擬方式也不僅限於一種方法。例如ESD的模擬,是個業界非常棘手的問題。直接針對訊號線的還好,功率強度大,容易模擬準確。如果是只針對GND的情況,因為耦合路徑多,耦合量級小,特別難模仿出準確結果。

最簡單的思考模式是把ESD Gun、主機殼連帶Connector的複雜結構和PCB板全部放入一起演算。但那樣尺度差距太大,網格數量太多,實際上是不可行的。

一步不行,我們就分三步走。先用HFSS模擬ESG Gun打在機殼上時對Cable的耦合,然後用HFSS模擬連接器的傳輸特性(有些廠商會提供,也可透過網分測試得到),再用SIwave模擬PCB板上輸入線對敏感線的耦合。最後把三部分的snp在AEDT裡串聯起來,就可得到全鏈路的頻率相應。這時再加一個ESD時域訊號來推動,就可以得到IC接腳上的電壓。

 

多種軟體聯合模擬求解ESD

 

晶片就用SM頭

隨著5G的推出,晶片的頻率不斷升高,功率持續加大,晶片輻射成為越來越大的問題。晶片上的散熱器相當於天線,會把晶片的輻射放大,所以改善散熱器的大小形狀也是降低晶片輻射很重要的工作。但一顆晶片的輻射很難精確確定,場型、極化、分佈等都沒法從廠商處獲得;最具挑戰性的是,不同的運作模式與不同的工作狀態下,輻射場還會發生很大的變化,就算是透過現場掃描儀測試也是很多遺漏的地方。

然看問題要抓重點,無論何種場型或級化,我們只需畫一個SMA同軸線,用它的核心頂住散熱器的底部,就可分析散熱器的輻射特性,還可用來最佳化主機殼佈局。最終得到的結果和實測相符。

 

SMA頭表徵晶片推動

 

主機殼輻射平均

實際上,主機殼內輻射源眾多,大小不一,方向雜亂,常用的一種測試儀器回聲室(Reverberation Chamber),用天線照射一個不斷旋轉的金屬攪拌器並多次測試後以其平均值來模擬,那麼模擬中也不能只用一個入射方向一個極化方向的平面波來展現。

最簡單的模擬方式是在笛卡爾坐標系(Cartesian coordinate system,亦稱為直角坐標系)之下掃描入射角度(incidence angle)和極化方向:以Bezel (面板)面為XoY面為例,入射方向在XoZ面和YoZ面上掃描10°~170°,間距10°,每個掃描方式分別固定電/磁極化方向垂直於XoZ或YoZ面,共要進行2×2=4組68次掃描,最後把所有的結果平均。

更精確的方式是在極座標下掃描,這需要更加精確的計算入射方向和極化方向,理論上吻合度更好。但一般情況下直角坐標系掃描已經足夠了。

 

透過掃描平均來展現主機殼內多源輻射

 

主機殼通風孔遮罩效能綜合模擬示意

模擬主機殼通風孔Vent Hole的SE,從平面波source、TRP結果、到掃描入射角度和極化、修正參數6dB,以上方式一氣呵成,模擬結果和回聲室測試結果吻合度絕佳。



(本文由Ansys供稿)

(資料來源:https://www.eettaiwan.com/20200706ta71-emc-simulation-in-the-5g-era-part3/

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