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微波暗室墙壁的智能表现减少了95%的电磁仿真时间

日期:2012-06-19

暗室的电磁仿真是一项非常难的任务。墙的区域通常要求好的网格来仿真吸收体的性能,让消声室看起来好像是无限大的自由空间。精细的网格划分通常导致长时间的仿真,例如过去在一台台式电脑上仿真微波暗室需要花费15周。在设计过程中,仿真获得30200 MHz频率范围里临近区域的效果,这是理论的方法不能确定的。

 
Siepel的技术开发工程师Gwenaël Dun以前使用了多种不同的电磁仿真工具来处理这项挑战,但是由于精确性差和长时间的计算出现了很多问题。后来他与MicroStripes电磁仿真软件的开发者Flomerics公司合作,实现仿真铁酸盐吸收剂在暗室内作为边界条件而不是计算范围的一部分成为可能。这种变化增加了15分之一的网格数量,减少了95%的计算时间。仿真结果与物理测试几乎完全一致。
 

 
微波暗室的发展
 
 
为了解决气候条件和环境噪音等问题,暗室被发展了。它是一个用布满能高效吸收RF波的材料的墙屏蔽RF的空间,可以提供类似于一个开放区域的测试场所(OATS)Siepel1986年开始一直生产暗室。美国ANSI C63-4和欧洲EN50147-2标准要求EMC测试在与户外差别在±4 dB的暗室里进行。
 

 
设计挑战
 
 
建造暗室的公司必须确保他们的产品达到这个标准。物理测试不能提供好的解决办法,因为建造一间实际的暗室非常昂贵,物理测试需要评估包含所有必需频率范围的和所有区域的微波暗室的性能,这将花费大量的经费和时间。理论方法能够解决一部分问题但不能解决其他的。例如,在通常超过1 GHz的高频,天线外形并不重要所以可以基于天线辐射方向图和墙的反射率来计算电磁场。但是这种近似值不适用于低频率,因为天线的外形对于临近领域效十分重要,所以仿真是必须的。
 
Dun感到改进这个仿真过程对优化Siepel的暗室的性能是非常关键的,因此他决定在这个区域他们的能力范围内仔细评估主要的电磁仿真方法。“像矩量法(MoM)那样的频率方法能够把暗室内的电线天线仿真得很好,但是不能准确地仿真暗室的墙”Dun说,“另一方面,传统的时域法能够很好地仿真墙,但是在仿真电线天线又有困难,这通常需要1mm或更小的网格。这么小的网眼的仿真通常需要花几个月才有解决办法,这么长的时间对设计过程会造成负面影响。”
 
TLM 方法提供准确度和速度
 
Dun非常幸运的运用了Flomerics公司的MicroStripes产品所采用的传输线矩阵法(TLM)。用于求解Maxwell方程组的TLM方法可在单次运算中求解所有相关的频率,因此可用于获取一个仿真周期中全频段的响应特性。
 
Dun发现TLM方法能成功仿真天线和机箱。Dun 采用Micro- Stripes建立天线结构的精简模型,在保证了高度准确性的同时缩小了产生出的模型的尺寸。他用巴仑的散射参数和这些线的仿真结果来设定传输参数。用精简模型替代天线意味着线缆连接所需的最小的单元尺寸为15mm
 

 
特殊的边界条件攻克难题
 
 
但在仿真暗室壁时Dun遇到了麻烦。暗室内使用的铁氧体吸波材料SIEPEL FE30Z的厚度仅为6.7 mm,这意味着需要1mm的网格。而将网格的尺寸缩减到这个程度需要15周的仿真时间。情况显得十分严重。此时Dun询问了Flomerics公司,希望有解决此问题的办法。他与Flomerics公司人员共同研究出一种仿真铁氧体吸波材料反射率的特殊的边界条件,从而消除了模型对1mm网格的需要。在考虑了分界面处垂直与水平极化电场的情况下,他们在空气-铁氧体界面处定义了一种一维TLM阶梯式网格的具有频变表面阻抗的边界条件。该限制条件考虑到了电磁波的入射角和极化形式。
 
为暗室壁设定边界条件的主要益处在于消除了该区域对1mm网格的需要。这就意味着最关键的区域是仅要求15mm网格的天线连接。放宽网格尺寸的结果使计算时间缩短到运用台式电脑仅需1周,这样的速度足以在设计过程中担当首要评估工具。该限制性边界条件不会对仿真的准确性产生任何影响。“为验证我们的模型,我们比较了两种极化和高度的发射天线的仿真与测试结果。”Dun说,“在关键的频率上仿真结果和测量结果间的差异小于+/-1dB,这样的表现足以优化半电波暗室或暗室的性能。” R&D SIEPEL 总裁Jean-François Rosnarho说:Flomerics的软件使我们能聚焦消声设计的细节。现在有了MicroStripes,我们就可以使屏蔽室的尺寸最大化,可以对吸波材料更好的定位,还可以使静区的尺寸最大化并对其分布优化。它对最新的EMC暗室设计很有帮助,提高了暗室性能并降低成本。”
 

 
结果产生了一个成功的产品
 
在上述仿真方法的帮助下,最新的SIEPEL HERMES 33m EMC 半电波暗室,按最通用的国际标准规定的3的测量距离,实现了对EMIEMS辐射测量要求的完全符合。
 
暗室制造者Siepel证实:MicroStripes软件有能力达到准确度的极高要求,并且同时将计算时间缩减到仅为过去软件计算所需时间的6%。“ Micro- Stripes 在此应用领域有卓越表现的主要原因在于对那些增加时间步长的亚铁盐砖设定建模的边界条件,” Siepel的设计工程师Gwenaël Dun说,“我们知道Micro-Stripes能够非常精准的预测出微波暗室的性能,这使我们在设计流程中无需建立物理样机就能评估更多的设计方案。”
 
 
FLOMERICS
 
 
FLOMERICS公司创立于1988年,是全球第一个开发专门针对电子设备热设计仿真软件的公司,自1989年推出FLOTHERM电子热分析软件以来就一直居于市场领导地位并引领该行业的技术发展。目前FLOMERICS公司还是一家在伦敦股票交易所上市的高技术软件公司。在1999年,FLOMERICS公司还兼并了在时域电磁场分析方面全球领先的KCC软件公司,推出了全球首个系统结构级电磁兼容仿真软件FLO/EMC,目前FLO/EMC和FLOTHERM软件已实现完全无缝和同一界面的协同设计,可共享几何模型,令结构设计工程师可以快速方便地全面分析系统的散热与电磁兼容性这一对矛盾并得出符合二者要求的设计方案。2004年初,FLOMERICS公司还推出了专门针对电子线路设计工程师开发的PCB电路板级热设计软件FLO/PCB以及与Cadence公司Allegro无缝接口的FLO/PCB for Allegro软件。2005年5月,FLOMERICA公司全资收购了MicReD公司,推出申博热测试系统并在硅谷建立了测试实验室;2006年7月,FLOMERICS公司收购了以研发流动和传热的仿真技术见长的NIKA GmbH 公司全部股份资本,将CFD技术深度嵌入主流MCAD 软件,不但为FLOTHERM软件未来的发展注入了新的技术动力,并将客户扩展到非电子设计领域。
(注:著名三维CAD软件开发商SOLIDWORKS公司的申博及热分析软件COSMOS-FLOWORKS就一直是由NIKA GmbH 公司开发的)
 
作为电子热分析领域技术的领导者和标准制定者,FLOMERICS公司拥有业内数量最大的电子热分析专家队伍,FLOTHERM不但是全球第一套专业电子散热分析软件,也是目前唯一拥有参数化和目标驱动优化设计功能、全球标准IC封装热分析模型库(Flopack)及CAD模型自动热等效简化功能的软件,其中Flopack芯片封装热分析模型已被美国JEDEC组织作为全球唯一的IC热模型标准。FLOMERICS公司一直并会继续领导全球电子散热设计技术的发展。
 
Flo/EMC软件是目前全球唯一专业分析系统级电磁兼容性的仿真软件,其核心采用基于时域的先进的Advanced TLM---高级传输线法。Flo/EMC拥有一次求解就获得整个系统频率响应(屏蔽效能)的高效分析能力,另外还独家拥有处理通风孔、缝隙、空间线缆、集总电路等系统级EMC分析关键细节的TLM等效模型技术,真正实现了宽频带、大尺寸的系统级电磁兼容性仿真分析。
 
依据独立的第三方调查显示,目前全球80%以上的电子产品热设计工程师都在依靠本公司的FLOTHERM与Flo/EMC软件进行散热设计与电磁兼容性分析,客户包括大型跨国电气产品制造商、全球所有位于前十位的PC/工作站/大型计算机制造商、所有主要的电信交换设备制造商、所有主要的网络硬件制造商、世界上最大的半导体制造商和申博申博及军事领域内最大的几个供应商。
 
Microstripes是功能强大的三维电磁计算仿真软件。Microstripes三维电磁场分析软件采用高级时域传输线矩阵(TLM)求解Maxell方程组。在时域通过冲击脉冲激励,可以一次性求解出系统整个宽频的响应。Microstripes友好的图形操作界面,独特OCTREE网格划分技术等特点使其成为分析复杂、电大尺寸天线及微波官网模型电磁场特性的理想工具。
 
FLOMERICS公司在全球40几个国家和地区都有分支机构或分销商从事市场与技术支持,其中英国、美国、法国、德国、意大利、瑞典、中国、日本、韩国、新加坡、印度等地区都拥有全资分支机构,覆盖了全球所有主要的电子生产、研发地区。

 

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