大系统强电磁脉冲综合仿真解决方案一、必要性电磁兼容（EMC）已经成为一个日益严重的环境污染源，这是因为：●越来越多电器设备的投入使用●IC时钟频率的越来越高●辐射源辐射功率的增大●设备抗干扰性的减弱●无线通信的迅速发展诸如此类的原因使得同一环境中各种设备既能正常工作又互不干扰变得越来越困难，同时这种电磁环境对人类的健康产生了越来越大的危害，系统（汽车、飞机、舰船、导弹、卫星等）中的机箱电磁泄露，设备之间的相互干扰导致彼此的器件的误动作，解决电磁兼容性问题已经刻不容缓。

解决电磁兼容性问题不能只靠运气和测试，测试的时间成本和费用成本都非常高，利用电磁分析工具可以高效地解决电磁兼容问题，提高产品竞争力。

EMC问题成为电子设备设计流程中一个非常重要的环节，并且贯穿设计流程的各个阶段。

人们往往要将大量资金和时间花费在样机生产和EMC测试的循环流程中。

而通常来说，整个测试需要花费很长的时间并要支付高额的测试费用，不利于产品的快速研发。

在90年代后期，国家已经明确制订了电子设备的电磁兼容性标准和规范以及严格的认证措施，规范国内外产品的电磁兼容性能。

而传统的设计流程依然遵循经验设计——样机生产——测试的模式，也就是常说的Try and Cut方法，一旦测试不能通过，就必需按照设计流程重新开始！无疑，这样做的代价是冗长的设计周期和高昂的成本。

在科学技术日益发展的今天，针对传统设计模式解决电磁兼容性问题的弊端，利用计算机仿真技术在设计前期对系统电磁兼容性能进行模拟分析，即所谓的design-level analysis，找出影响电磁兼容性能的关键因素，有针对性的加以改进，将很多的设计风险扼杀在萌芽状态，从而能大大缩短设计周期和节省设计成本。

二、选型分析目前国际上主流商业机箱EMC的软件有：美国Ansys公司旗下的ANSOFT-HFSS；美国REMCOM 公司的XFDTD；德国CST公司的CST MS工作室；在上述三款软件中，HFSS是采用频域有限元法（FEM）解决EMC问题。

采用有限元法，无法仿真超宽带EMC问题，适合窄带强谐振结构仿真。

在EMC分析中，噪声源非常复杂，有限元法不能添加任意的激励信号，因此无法真实模拟外来诸多复杂噪声源的影响。

美国REMCOM 公司的XFDTD 采用时域有限差分法（FDTD），能够进行宽带仿真，时域算法可以仿真任意的激励信号，软件采用六面体网格，但对于电磁兼容分析中的常常需要考虑的精细结构没有很好的算法，需要精确的网格剖分才能求解，计算巨大系统模型中的精细结构比较困难。

采用的是强攻，即对所有的模型需要划分网格。

在设备中常采取的各类屏蔽手段如导电橡胶、金属丝网、散热孔缝等计算困难。

CST的MS工作室采用先进的时域传输线矩阵法(TLM)，软件首先用冲击脉冲作为激励源，冲击脉冲在时域的宽度趋于无限窄，从频域来说，它能覆盖无限宽的频率范围；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，在时域得到的将是此脉冲与系统函数即h(t)的卷积，对应于频域，结果将是系统函数H(s)与冲击脉冲的频域响应的乘积，由此我们得到H(S)，即整个系统的频域响应。

由于以上的求解原理，只需要一次求解就可以得到系统在整个频域的响应，如系统的屏蔽效能曲线。

软件采用八叉树网格体系，并含有缝隙、搭接、通风孔、风扇、散热片等精简模型，不需要精细的网格就可以处理系统中的这些精细结构，这些精细结构会对设备的电磁兼容特性产生比较大的影响。

另外，MS的时域算法特点，决定了软件中可以输入任意的激励信号来模拟外来的噪声源。

此外，CST 还提供专业的部件级、系统级、平台级电磁兼容仿真软件，全部集成在一个仿真计算平台下，为后续构建整个系统平台的EMC全面解决方案打下基础。

三、厂商比较美国Ansys公司旗下的ANSOFT-HFSS；美国REMCOM 公司的XFDTD；德国CST公司的CST MS工作室；在上述三款软件中，HFSS无法仿真电大尺寸模型，频域有限元算法所能计算的最大电尺寸为50个波长，采用的四面体网格，需要对模型的每个细节部位都进行网格剖分，计算复杂模型对计算机的内存要求会非常高，计算速度会非常慢。

而且其频域算法，只能逐个频点仿真，采用插值的方法计算宽带问题。

美国REMCOM 公司的XFDTD与MS两者从字面上都是采用的时域算法，但它们采用的实际计算方法截然不同。

这就导致了两者在仿真上性能很不相同。

主要体现在：美国REMCOM 公司的XFDTD是基于有限差分法，能够计算电大尺寸模型，并能计算宽带问题，一次计算给出整个频带上的所有结果。

但没有精简模型，需用对结构的细节部位进行精密的网格剖分，因而计及缝隙、搭接等精细结构时计算速度慢，计算量也很大。

CST的MS工作室采用传输线矩阵法（TLM），能够快速地得出整个系统的电磁兼容特性，包含机箱的屏蔽效能等。

传输线矩阵法是时域算法，可以输入任意的时域信号作为激励信号来模拟EMC分析时复杂的噪声源。

适用于宽带信号频段的仿真，换言之，一次仿真便得出整个带宽内的电磁特性。

适用于电大尺寸模型的求解，且允许大模型中含有极小的细节部位，软件中自带精简模型库，可以对缝隙、搭接、通风孔、散热片、电缆等模型进行精简建模仿真，不需要对精简模型进行网格剖分，可以快速的获得这些精细部位对整个系统性能的影响。

综上所述，CSTMS工作室是一款非常完善的EMC分析工具，可以分析机箱、机柜、分系统、系统在整个频带上的各种电磁兼容特性。

详细比较参考表格：四、产品的基本功能、性能指标⏹时域传输线矩阵法(TLM) 专业级电磁兼容仿真软件⏹导入CST印制板工作室和CST电缆工作室空间三维宽带电流分布，完成系统级时域宽带EMI仿真⏹内置无需划分网格的精简模型：多层复合材料板、散热孔缝阵列、导电屏蔽胶条、搭接、屏蔽网和屏蔽膜、紧固螺丝等，使得仿真速度有数量级地提高⏹独特的Octree/Lumping网格技术，支持非结构性子网，网格压缩率大于80% ⏹内置材料库，自定义材料内置国军标雷击、强电磁脉冲EMP激励强度和波形⏹专业GJB1389和GJB151A系统整机和分系统的瞬态和稳态电磁效应仿真软件⏹强电磁脉冲下三维结构中电缆线上的感应电压电流⏹支持任意三维基于转移阻抗的屏蔽同轴线和燕尾槽⏹支持电、磁、吸收和仿真区域外半波暗室地面等边界条件⏹支持电路和波导端口、平面波以及远场近场源激励⏹支持三维结构尺寸的参数化⏹支持任意时域波形激励信号⏹支持多端口、多模式的单独、分别及同时激励⏹直接形象地显示1米、3米、10米法场强桶状分布图⏹GJB5240机箱屏效快速标定⏹含印制板插板和互连线缆的工程机箱电磁谐振快速仿真⏹支持多路多核和高速GPU并行计算⏹对导入的CAD结构无需任何修复即可直接进行电磁仿真⏹各类S参量输出和远场输出⏹支持CST DS协同场路仿真五、工作原理CST 机箱机柜EMC分析软件基于传输线矩阵（TLM）的算法，能快速准确仿真机箱机柜等结构的EMC特性，软件首先用冲击脉冲作为激励源，冲击脉冲在时域的宽度趋于无限窄，从频域来说，它能覆盖无限宽的频率范围；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，在时域得到的将是此脉冲与系统函数即h(t)的卷积，对应于频域，结果将是系统函数H(s)与冲击脉冲的频域响应的乘积，由此我们得到H(S)，即整个系统的频域响应。

由于以上的求解原理，只需要一次求解就可以得到系统在整个频域的响应，如系统的屏蔽效能曲线。

在进行系统级EMC分析时，由于机箱本身的尺寸往往很大，同时机箱本身会有一些孔、缝隙等细微结构（这些细微结构对EMC分析来说往往是至关重要的），这么大的尺寸比对用仿真软件所采用的网格划分技术来说，提出了严峻的挑战。

在这种情况下，从一定程度上来说求解技术尤其是网格划分技术对仿真的准确性和速度起着决定性作用。

CST MS工作室采用独特的精简模型及嵌入式网格技术，并采用独特的Octree网格合并技术，在保证计算准确性的前提下，大大提高了计算速度。

CST MS工作室内嵌美军标雷击标准MIL-STD-464A，200kA冲击电流从F-15鹰式战斗机的机头部击入、左机翼击出，CST MS可以方便地得出机翼（或者驾驶舱）内磁场强度以及机翼内一根屏蔽电缆上所激励起来的瞬态电流。

铝蒙皮、起落架缝隙、驾驶舱导电涂层均采用精简模型替代。

传输线矩阵法（TLM）传输线矩阵法(Transmission Line Matrix Method错误！未找到引用源。

, 简称TLM)与时域有限差分法类似，是一种在时域中求解电磁场问题的数值方法。

它基于惠更斯原理的离散模型把被研究的媒质在空间和时间上进行双重离散化，然后选取适当的初始条件和边界条件，利用由传输线构成的网络来模拟离散化空间，通过空间电磁场方程与传输线网络电压电流方程之间的相似性，确定网络响应，以求得电磁场的时域解。

最后通过傅立叶变换得到待求空间的频域解，从而提取各种电磁参数。

传输线矩阵法具有一些非常突出的特点，主要包括以下几个方面。

（1）广泛的适用性与通用性。

这是传输线矩阵法最主要的优点。

TLM网络能够很好地反映电磁场的性质以及电磁波在边界上和各种媒质中的关系，因此该方法能够适用于各种电磁问题的分析。

这一特点也为通用程序的编写创造了条件。

利用一个基于TLM的计算程序，对不同的问题只需要修改有关部分即可。

当建立起数学模型后，复杂的电磁结构就可被模拟。

媒质的非均匀性、非线性、各相异性等均能够进行仿真计算。

随着吸收边界条件的逐步改进，计算结果的精度、稳定性与收敛性都有了很大的提高。

另外，TLM法也被广泛运用于热动力学、光学、声学等领域。

（2）直接时域计算。

传输线矩阵法直接把传输线上的电压与电流方程转换为差分方程，在这种差分格式中每个节点上的电压或电流仅与相邻节点的电压和电流及前一时刻该点的值有关。

这样随着时间的步进，就能直接模拟电磁波的传播及其与物体相互作用的过程，使电磁波的时域特性被直接反映出来。

这一特性使它能通过一次时域计算直接给出物体非常丰富的电磁场信息，给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图象。

若需频域信息，只需傅氏变换(或在时间场值的计算过程中采用离散的傅氏变换)即可，而且在宽频谱的脉冲激励下可一次计算得到宽频带的信息。

（3）简单直观，容易掌握。

由于传输线矩阵法直接从惠更斯原理出发，利用传输线理论和概念，通过迭代，而不是繁复的公式推导，直接在时域中模拟电磁波的传播及其与物体作用的物理过程，所以它是一种非常简单直观的计算方法。

（4）节约存储空间。

传输线矩阵法所需的存储空间直接由所需的网格空间决定，与空间网格的总数N成正比。

而矩量法所需存储空间与N2成正比。

当N较大时，两者的差别是很明显的。

因此，TLM法可以计算更大的问题。