CAE仿真在通信連接器EMC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：本文結(jié)合電磁理論和連接器產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求，從計(jì)算電磁學(xué)分析方法和CAE技術(shù)入手，采用電磁CAE仿真的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)對通信連接器產(chǎn)品EMC指標(biāo)的正向設(shè)計(jì)與分析，通過EMC仿真設(shè)計(jì)及后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了較好的EMC仿真設(shè)計(jì)效果，從而為連接器等電子產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一種基于CAE技術(shù)分析的專業(yè)設(shè)計(jì)路徑和參考方法。

0 前言

當(dāng)今世界，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種電氣電子產(chǎn)品得到大量應(yīng)用，一方面方便了人們的生產(chǎn)和生活；另一方面，也帶來了一系列電磁兼容電磁干擾的問題。世界各地對電磁兼容都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范要求：比如，國內(nèi)的3C認(rèn)證，歐盟的CE認(rèn)證，美國的FCC認(rèn)證等。

國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC對電磁兼容的定義為：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不會對其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。

當(dāng)前，大量的EMC工程實(shí)踐表明：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段解決EMC問題，是成本和效率上最好的選擇。但在現(xiàn)實(shí)中，人們往往都是在出現(xiàn)問題后以反復(fù)試驗(yàn)試錯的方式來被動解決EMC問題。究其原因，主要是由于各種產(chǎn)品/系統(tǒng)的基本組成/結(jié)構(gòu)/工作原理等的復(fù)雜性和差異化，決定了具體EMC問題的機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)要素的差異性和復(fù)雜性。因此，對于EMC問題，沒有簡單固定的捷徑，這也使得從設(shè)計(jì)上解決各種EMC問題，技術(shù)難度很大，需要的資源很多。

但是從技術(shù)發(fā)展的趨勢和需求來看，從設(shè)計(jì)角度解決EMC問題，才能從根本上解決產(chǎn)品EMC問題。如何利用設(shè)計(jì)結(jié)合仿真解決EMC問題，是很有意義的工程課題。本文以電子通信行業(yè)常用的通信連接器產(chǎn)品為例，對產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的CAE仿真應(yīng)用進(jìn)行了一些技術(shù)上的探索工作。

1 EMC設(shè)計(jì)與CAE仿真結(jié)合的技術(shù)背景

圖1 EMC應(yīng)用原理示意圖

從原理而言，EMC問題包含了干擾源，被干擾對象，干擾途徑等幾個方面，其中干擾途徑又可分為傳導(dǎo)，耦合，輻射等方式。從專業(yè)技術(shù)角度分析來看，EMC問題要從原理上分析清楚，涉及到電路，信號/噪聲，電磁場（耦合/輻射），電子電氣器件/材料/系統(tǒng)等相關(guān)的多學(xué)科/專業(yè)的綜合應(yīng)用，這是一項(xiàng)多專業(yè)交叉的系統(tǒng)性工作，并且有各類量化明確的EMC技術(shù)指標(biāo)要求。因此，要把EMC設(shè)計(jì)做好，其難度要比單一的產(chǎn)品/部件設(shè)計(jì)更大，技術(shù)要求更高。正因?yàn)楫a(chǎn)品EMC正向設(shè)計(jì)的難度非常大，現(xiàn)實(shí)中人們大量進(jìn)行的是EMC測試整改工作而不是設(shè)計(jì)工作。

對于傳統(tǒng)的EMC應(yīng)用理論規(guī)則，由于現(xiàn)在的產(chǎn)品復(fù)雜程度和技術(shù)要求越來越高，應(yīng)用環(huán)境更加復(fù)雜，適應(yīng)于理想情況的這些經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)則，無法量化評估產(chǎn)品實(shí)際EMC效果，很難對實(shí)際設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。在這里面，影響EMC準(zhǔn)確分析的因素，主要在于實(shí)際產(chǎn)品復(fù)雜的物理/電磁效應(yīng)。對于EMC分析而言，準(zhǔn)確的電磁分析評估技術(shù)是極其關(guān)鍵且必需的。對于解決EMC設(shè)計(jì)問題而言，有效的電磁計(jì)算分析是重要的技術(shù)手段。

圖2 麥克斯韋方程組-積分形式與微分形式

麥克斯韋方程組是電磁學(xué)發(fā)展史上的重要里程碑，奠定了電磁場和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的重要基礎(chǔ)[1]。在100多年的時間里，無數(shù)科學(xué)家和技術(shù)工作者，對于電磁場相關(guān)理論和工程技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)行了廣泛而深入的工作，大大推動了這個世界的科技發(fā)展。目前電磁相關(guān)的技術(shù)與工程應(yīng)用涉及到現(xiàn)實(shí)世界的眾多領(lǐng)域，在實(shí)際工程應(yīng)用中，既有成熟的（低頻）電氣領(lǐng)域的技術(shù)，也有廣泛應(yīng)用的（高頻）微波/射頻/毫米波等領(lǐng)域的工程技術(shù)[1,2]。在對于實(shí)際物理問題的電磁計(jì)算分析方面，自上世紀(jì)以來也已經(jīng)發(fā)展出了成熟全面的計(jì)算電磁學(xué)相關(guān)專業(yè)技術(shù)[3,4,5]，主流技術(shù)的應(yīng)用時間超過了30年。

本來，對于實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確電磁分析是需要技術(shù)人員有足夠的專業(yè)理論和技術(shù)功底的。但是計(jì)算電磁學(xué)相關(guān)技術(shù)為我們采用CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）仿真手段，對產(chǎn)品物理原型進(jìn)行準(zhǔn)確量化的電磁場分析提供了專業(yè)理論和技術(shù)支撐。利用計(jì)算電磁學(xué)相關(guān)算法和CAE工具，我們可以建立產(chǎn)品的3D物理模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型設(shè)置，離散化網(wǎng)格和電磁計(jì)算等工作，從而將專業(yè)技術(shù)理論要求較高的復(fù)雜計(jì)算電磁分析工作轉(zhuǎn)換為便于技術(shù)人員實(shí)施的工程化CAE仿真操作，降低EMC設(shè)計(jì)人員進(jìn)行專業(yè)電磁分析的門檻。

2 通信連接器EMC仿真的技術(shù)路線

2.1 CAE仿真驅(qū)動產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的基本技術(shù)思路

從相關(guān)行業(yè)應(yīng)用看，CAE仿真在工程應(yīng)用中已有數(shù)十年的實(shí)踐基礎(chǔ)與技術(shù)沉淀。而與EMC設(shè)計(jì)電磁分析密切相關(guān)的電磁CAE建模與仿真分析，也有30年以上的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。從大的行業(yè)和技術(shù)背景看，EMC設(shè)計(jì)采用CAE仿真進(jìn)行驅(qū)動，具備一定的工程技術(shù)基礎(chǔ)和可行性[6,7]。結(jié)合CAE仿真與EMC工程實(shí)用，我們可以獲得利用CAE仿真來驅(qū)動EMC設(shè)計(jì)的工作流程與思路：

圖3 CAE仿真驅(qū)動的EMC設(shè)計(jì)流程示意圖

2.2 通信連接器EMC仿真分析的CAE技術(shù)路線

通信連接器本身是無源器件，并不直接產(chǎn)生干擾。但由于這些連接器大多用于數(shù)字/無線通信（5G等）設(shè)備系統(tǒng)的高頻/高速信號傳輸，當(dāng)這些信號經(jīng)過連接器內(nèi)部時，如果連接器本身存在問題（如：電磁泄漏），那么連接器內(nèi)部的信號會以電磁泄漏（RF泄漏等）的方式進(jìn)入到連接器外部的環(huán)境，從而對周圍設(shè)備/器件等形成電磁干擾。因此，對于通信連接器而言，EMC相關(guān)的重要指標(biāo)是電磁屏蔽（RF泄漏）等。為此，我們重點(diǎn)討論相關(guān)的EMC仿真分析問題。

2.2.1 CAE仿真工作的技術(shù)背景

根據(jù)IEC62153的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，連接器、線纜等產(chǎn)品的電磁屏蔽衰減的測量通常采用triaxial（三同軸）測量方法。相關(guān)測量原理理論和具體內(nèi)容，可參考具體標(biāo)準(zhǔn)，本文只簡要介紹CAE仿真分析有關(guān)的測量方法思路。

圖4 連接器的EMC指標(biāo)（電磁屏蔽衰減）測量裝置示意圖

如圖4所示，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測量原理，簡而言之：要測量評估連接器的EMC電磁屏蔽指標(biāo)，主要是在測量設(shè)置完成后，從輸入信號源（Generator）注入輸入功率信號P1，然后在測試裝置輸出的接收端(Receiver)，接收并評估連接器泄漏的最大騷擾信號功率P2（峰值），然后根據(jù)泄漏的騷擾功率P2和測試輸入的功率P1，就可以獲得電磁屏蔽衰減指標(biāo)：As=-10*Log(P2/P1)。根據(jù)前面連接器的EMC測量原理，要進(jìn)行CAE分析，主要的基本技術(shù)工作就是：在測試條件和被測連接器的物理原型等參數(shù)已知的情況下，建立相關(guān)的3D電磁模型，分析在一定的輸入功率激勵下，輸出端的最大電磁泄漏信號功率，并在此基礎(chǔ)上獲得連接器的EMC電磁屏蔽指標(biāo)。

2.2.2通信連接器EMC仿真的CAE技術(shù)路線

從連接器EMC測量的基本情況看，CAE仿真需要建立測試線纜，連接器，負(fù)載，測試管等3D模型，建模需要考慮的細(xì)節(jié)較多。同時，電磁信號主要是在封閉管道/連接器中運(yùn)行，因此對于CAE仿真，其邊界條件為封閉空間。綜合基本情況，從計(jì)算電磁學(xué)專業(yè)考量，要獲得可行的電磁仿真效果，需要采用適應(yīng)封閉空間和較強(qiáng)能量諧振的全波電磁算法，相對適用的是頻域有限元（FEM）或時域有限差分（FDTD）算法。從計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模，模型復(fù)雜程度等考慮，建議盡量采用有限元算法。這樣，我們就確定了通信連接器EMC仿真的CAE技術(shù)路線，示意框圖如下：

圖5 通信連接器EMC CAE仿真的技術(shù)路線示意圖

3 通信連接器產(chǎn)品EMC仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在前面連接器EMC仿真技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，我們以某通信連接器為例，介紹相關(guān)連接器EMC仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用。該連接器用于高頻高速通信，產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)時由于設(shè)計(jì)師缺乏EMC經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上存在較大的沒有屏蔽的孔縫結(jié)構(gòu)，造成產(chǎn)品EMC測試無法達(dá)到IEC62153相關(guān)的電磁屏蔽指標(biāo)要求[8]。在這樣的情況下，我們通過調(diào)整屏蔽層和孔縫結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法設(shè)計(jì)成完全屏蔽的形式，加之工作頻率較高（DC - 6GHz），決定了我們不能靠解析公式或經(jīng)驗(yàn)來評估，而只能通過精細(xì)的離散網(wǎng)格化CAE分析技術(shù)，來進(jìn)行電磁計(jì)算分析。

根據(jù)前面的技術(shù)路線，我們選擇成熟的有限元工具ANSYS來進(jìn)行建模和分析。建立起包含連接器及測試配套部件在內(nèi)的3D模型，并進(jìn)行相關(guān)材料，激勵，邊界條件等設(shè)置；在進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格處理后，對3D電磁模型進(jìn)行全波電磁仿真，獲得各種基本的電磁數(shù)據(jù)。

a.3D電磁模型 b.3D電磁模型網(wǎng)格

圖6 通信連接器及測試配套部件的3D電磁模型及網(wǎng)格

在電磁仿真分析工作中，我們按照新的EMC設(shè)計(jì)方案，對理想情況和實(shí)際工況下通信連接器的EMC指標(biāo)分別進(jìn)行了定量的分析計(jì)算，具體情況如下：

3.1 通信連接器理想情況的EMC仿真分析：

這里的理想情況，不考慮實(shí)際加工誤差/使用等對產(chǎn)品參數(shù)（特別產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的縫隙結(jié)構(gòu)）等的影響。計(jì)算分析獲得的EMC曲線如下：

圖7 通信連接器理想情況的EMC曲線與IEC標(biāo)準(zhǔn)模板 單位：dB

CAE分析表明：理想情況下，連接器新設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的電磁屏蔽指標(biāo)最差也能達(dá)到-67 dB，相比IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，有20 dB以上的EMC設(shè)計(jì)余量，說明新設(shè)計(jì)方案在原理上是有效的。

3.2 通信連接器實(shí)際工況的EMC仿真分析：

由于加工工藝等誤差，以及工作時的產(chǎn)品與配套部件連接/緊固等影響，實(shí)際產(chǎn)品縫隙尺寸會發(fā)生變化，從而影響產(chǎn)品EMC指標(biāo)。因此，參照實(shí)際工況需要，對于不同縫隙尺寸的產(chǎn)品EMC指標(biāo)分別進(jìn)行CAE計(jì)算分析，相關(guān)仿真曲線如下所示：

圖8連接器(縫隙0.1mm/0.3mm/0.5mm/0.7mm）的EMC曲線與IEC標(biāo)準(zhǔn)模板 單位：dB

我們對幾種典型的縫隙情況進(jìn)行了分析，EMC仿真指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表格如下：

表1 連接器不同縫隙（寬度）尺寸的EMC仿真分析指標(biāo)對比

說明，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求：連接器EMC測試的頻率范圍DC - 6GHz，其中DC - 3GHz頻段，指標(biāo)小于-44dB；3GHz - 6GHz頻段，指標(biāo)小于-40dB 。

從CAE分析和不同縫隙情況的EMC指標(biāo)對比來看,縫隙越大，指標(biāo)越差，具體而言：

1） 縫隙尺寸在0.1mm-0.3mm，EMC指標(biāo)有比較大的裕量（15dB-20dB），產(chǎn)品比較安全；

2）縫隙尺寸在0.5mm左右，EMC指標(biāo)在IEC標(biāo)準(zhǔn)要求附近，基本沒有裕量，產(chǎn)品風(fēng)險很大；

3）縫隙尺寸在0.7mm及以上，EMC指標(biāo)超出IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品EMC指標(biāo)分析不合格。

要確保產(chǎn)品實(shí)際工況下的EMC指標(biāo)（最差數(shù)據(jù)值）達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)要求且有安全裕量，則對應(yīng)新設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品實(shí)際縫隙尺寸需要控制在不超過0.1mm-0.3mm范圍內(nèi)（最大0.3mm），這個技術(shù)要求從產(chǎn)品實(shí)際工程角度而言是可以實(shí)現(xiàn)的。由此，我們確定了產(chǎn)品新的設(shè)計(jì)方案。

3.3 通信連接器產(chǎn)品的EMC試驗(yàn)驗(yàn)證：

根據(jù)仿真情況，確定新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案后，對加工制造的一些樣品進(jìn)行了測試，曲線如下：

圖9連接器產(chǎn)品樣品的測試曲線

分析：EMC指標(biāo)的優(yōu)劣主要取決于頻帶內(nèi)的最差指標(biāo)，最差指標(biāo)是評估的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品樣品的縫隙實(shí)測值在0.1mm-0.2mm左右，最差的EMC指標(biāo)在-60dB左右（≤-60dB），EMC裕量達(dá)15dB-20dB左右，與CAE仿真分析的EMC指標(biāo)（最差/峰值）大體可以對應(yīng)起來：參考表1的EMC分析指標(biāo)，0.1mm，最差指標(biāo)≤-65dB；0.3mm，最差指標(biāo)≤-57dB。

由此可見，這里用一次EMC仿真預(yù)測/設(shè)計(jì)即實(shí)現(xiàn)了實(shí)際產(chǎn)品的EMC指標(biāo)測試達(dá)標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了EMC仿真預(yù)測指導(dǎo)產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的基本目的：從設(shè)計(jì)角度控制并解決EMC問題。

由于是第一輪仿真，受相關(guān)技術(shù)條件限制（建模/模型校正等），加之EMC應(yīng)用的復(fù)雜性，EMC測試與仿真曲線存在一定的差異（這些差異可以通過后續(xù)的建模仿真技術(shù)優(yōu)化來改進(jìn)）。限于篇幅，這里簡單說明一下：EMC信號幅值小且跨度大，用儀器進(jìn)行多次測量往往都有一定誤差；而對于CAE仿真，由于建模細(xì)節(jié)/網(wǎng)格、收斂、邊界條件、頻率帶寬/頻點(diǎn)數(shù)量、計(jì)算效率等因素限制，要準(zhǔn)確仿真獲得所有不同幅值的寬頻帶EMC數(shù)據(jù)有相當(dāng)難度。當(dāng)前，從技術(shù)上只能通過仿真盡量把握住風(fēng)險較大（幅值較大）的那些EMC數(shù)據(jù)（典型的峰值/風(fēng)險數(shù)據(jù)，而不是小的微弱噪聲/干擾數(shù)據(jù)），從而借助有限技術(shù)條件為解決EMC問題提供有效技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

本文結(jié)合電磁理論和相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，對通信連接器產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的CAE仿真分析工作。在CAE仿真分析基礎(chǔ)上，確定產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，表明：采用專業(yè)CAE技術(shù)，對通信連接器等產(chǎn)品進(jìn)行EMC仿真設(shè)計(jì)是有成效的；通過CAE技術(shù)途徑，可量化指導(dǎo)相關(guān)連接器產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)工作，從而從設(shè)計(jì)角度改善EMC特性，有效控制解決EMC風(fēng)險問題。

審核編輯：湯梓紅