引言

隨著工業(yè)設(shè)備向數(shù)字化和智能化快速發(fā)展，電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)變得日益重要。EMC 是指設(shè)備在其電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的能力。在當(dāng)今的工業(yè)環(huán)境中，電子系統(tǒng)的密集部署增加了干擾的風(fēng)險(xiǎn)，使得 EMC 設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不可或缺的一部分。CST Studio Suite 作為一款強(qiáng)大的電磁場(chǎng)仿真工具，在 EMC 設(shè)計(jì)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它可以幫助工程師在設(shè)計(jì)階段早期預(yù)測(cè)和解決 EMC 問(wèn)題，提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

CST Studio Suite 概述

軟件介紹

CST Studio Suite 是一款全面的三維電磁場(chǎng)仿真軟件，廣泛用于分析全頻譜電磁問(wèn)題——從低頻到高頻，從靜態(tài)場(chǎng)到動(dòng)態(tài)場(chǎng)。它集成了各種模塊，涵蓋了全方位的電磁仿真，支持電磁組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。

核心功能模塊

CST Studio Suite 提供了一系列核心功能模塊，以滿足不同的電磁仿真需求：

· 高頻仿真： 用于天線設(shè)計(jì)、微波設(shè)備分析，并利用時(shí)域/頻域求解器（FIT、FEM）。

· 低頻仿真： 用于電機(jī)、變壓器以及 PCB 上的 EMC 干擾分析。

· 多物理場(chǎng)耦合： 支持電磁-熱耦合、結(jié)構(gòu)-電磁耦合分析。

· 系統(tǒng)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)： 集成 Altium 和 Cadence 等 EDA 工具；支持 5G、物聯(lián)網(wǎng)。

· 高級(jí)模塊： 包括粒子仿真（PIC）、生物電磁建模。

圖 1：CST Studio Suite 功能概述

CST 在 EMC 分析中的優(yōu)勢(shì)

CST Studio Suite 在 EMC 分析方面具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

· 高效的大規(guī)模仿真： 通過(guò)使用帶 GPU/MPI 加速的時(shí)域求解器實(shí)現(xiàn)。

· 集成電路與場(chǎng)分析： 支持雙向耦合，用于全面的 EMI/ESD 仿真。

· 電磁場(chǎng)可視化： CST 提供強(qiáng)大的電磁場(chǎng)可視化工具，有助于診斷和理解噪聲源。

· 線束分析： 該軟件可以精確建模和分析線束，這是常見(jiàn)的 EMC 問(wèn)題源。

· CAD 兼容性： CST 支持各種 CAD 格式，便于從不同平臺(tái)無(wú)縫導(dǎo)入設(shè)計(jì)。

· 人體模型： 對(duì)于醫(yī)療電子應(yīng)用，CST 包含用于生物 EMC 分析的人體模型。

圖 2：CST 中的 EMC 可視化工具

CST 在 EMC 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

輻射和傳導(dǎo)干擾分析

CST 可以對(duì)輻射和傳導(dǎo)干擾進(jìn)行詳細(xì)分析。這包括仿真輻射方向圖和增益，以及分析傳導(dǎo)發(fā)射和抗擾度。典型的工作流程包括建模系統(tǒng)、定義材料、設(shè)置仿真、運(yùn)行分析，然后分析結(jié)果。

電磁屏蔽設(shè)計(jì)

CST 是設(shè)計(jì)和優(yōu)化電磁屏蔽解決方案（如外殼或涂層）的寶貴工具。它使工程師能夠評(píng)估屏蔽設(shè)計(jì)的有效性。

圖 3：電磁屏蔽仿真

耦合和場(chǎng)分布分析

該軟件可以仿真不同元件之間的耦合，例如 PCB 走線和元件。它還可以分析內(nèi)部電磁場(chǎng)分布。

系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真

CST 通過(guò)與 PCB 設(shè)計(jì)工具集成，促進(jìn)系統(tǒng)級(jí) EMC 優(yōu)化。它還支持根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)（包括 CISPR 和 FCC）進(jìn)行分析。

圖 4：復(fù)雜系統(tǒng)中 PCB 的 EMC 仿真

使用 CST 進(jìn)行 EMC 設(shè)計(jì)的實(shí)用技巧

模型構(gòu)建與簡(jiǎn)化

在 CST 中進(jìn)行有效的建模需要關(guān)注關(guān)鍵特征，并在可能的情況下利用對(duì)稱性和陣列特征。可以在 CST 中直接導(dǎo)入或構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用準(zhǔn)確的材料屬性至關(guān)重要。

網(wǎng)格劃分策略

選擇合適的網(wǎng)格劃分策略對(duì)于獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果很重要。六面體網(wǎng)格通常用于低頻應(yīng)用，而四面體網(wǎng)格適用于具有尖銳邊界的結(jié)構(gòu)。CST 還支持網(wǎng)格的自適應(yīng)細(xì)化。

求解器選擇與設(shè)置

求解器的選擇取決于具體的分析。時(shí)域求解器適用于寬帶和快速響應(yīng)分析，而頻域求解器更適合窄帶和諧振分析。FIT 求解器常用于微波設(shè)備，而 FEM 求解器適用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。

CST 中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

CST Optimizer 提供了強(qiáng)大的功能來(lái)改進(jìn) EMC 設(shè)計(jì)：

· 參數(shù)優(yōu)化： 這允許優(yōu)化幾何形狀和材料屬性等參數(shù)。

· 多目標(biāo)優(yōu)化： 工程師可以同時(shí)優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)，如 S 參數(shù)、增益和效率。

· 仿真模式： 優(yōu)化器支持直接仿真和基于模板的后處理。

· 自定義優(yōu)化設(shè)置： 用戶可以定義自定義設(shè)置，包括算法、收斂標(biāo)準(zhǔn)和迭代次數(shù)。

圖 5：CST 中的多參數(shù)優(yōu)化界面

案例研究

文章介紹了幾個(gè)案例研究，展示了 CST 在 EMC 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：

1.電機(jī)控制器 EMC 仿真：本研究涉及使用 SVPWM 波形生成和簡(jiǎn)化的零序注入方法來(lái)提高母線電壓利用率。

2.電動(dòng)汽車(chē) EMC 仿真：本案例強(qiáng)調(diào)了線束建模對(duì)于電動(dòng)汽車(chē) EMI/EMS 的重要性，并包括結(jié)合軸承模型和電容端口放置的三維軸電壓仿真。

3.電機(jī)堵轉(zhuǎn) EMC 仿真：本研究分析了電機(jī)堵轉(zhuǎn)（零速）條件下的飽和效應(yīng)，并根據(jù) GBT 18488.2:2015 評(píng)估了非正弦電流和 EMC 性能。

4.電磁屏蔽窗網(wǎng)格設(shè)計(jì)：本案例涉及在硅基板上設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)格，以優(yōu)化紅外透射率和 EMI 屏蔽效能，使用 CST 優(yōu)化網(wǎng)格周期和線寬。

結(jié)論與展望

CST 在 EMC 設(shè)計(jì)中的價(jià)值

CST Studio Suite 通過(guò)實(shí)現(xiàn)早期問(wèn)題檢測(cè)、提供寬帶和全頻譜仿真功能、支持多物理場(chǎng)耦合、提供強(qiáng)大的優(yōu)化工具以及輔助符合標(biāo)準(zhǔn)，在 EMC 設(shè)計(jì)中提供了重要的價(jià)值。

未來(lái)方向

該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向包括集成人工智能以實(shí)現(xiàn)智能仿真和設(shè)計(jì)、更復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合、增加對(duì)云和 HPC 加速的使用，以及更好地與數(shù)字化設(shè)計(jì)工作流程集成。