對產品做EM（電磁）輻射仿真有助于確保通過FCC（聯邦通信委員會）與CE（歐洲合格評定）測試，使項目跟上計劃進度。每款產品都必須做EMC（電磁兼容）測試。FCC要求的測試是，保證產品EM輻射不會干擾無線電、電話與電視的工作。除了EM輻射測試以外，您的產品還必須具備電磁抗擾度，即一個確定EM脈沖的尖峰不會顯著干擾產品的性能（參考文獻1）。
做EM仿真需要復雜的軟件工具。這些仿真必須同時考慮到一個寬廣頻率范圍內的大小特性（圖1）。另外，還必須選擇一種適當的仿真方法，它可以是一種時域技術，如FEM（有限元方法），或者一種基于頻率的方法，如MOM（矩量法）。對于大型問題，需要將仿真打碎為子域，或使用漸近方案技術。
一旦擁有了強大的計算機和正確的軟件，還必須為軟件輸入物理與電氣數據，方法是采用數據庫輸入，或送入Gerber與DXF（圖形交換格式）文件格式的機械配置，并手工輸入介電常數與電路板堆疊結構。最后，必須為軟件提供激勵數據，如用Spice或S參數數據，或使用對產品中某個子系統的近場仿真結果。
Spice與場求解器
不可能用Spice去仿真EMC，因為Spice是一種針對Kichhoff方程的矩陣算術的計算型求解器，它采用的是分立元件的集總元素模型。最好的情況是，可以用Spice做一根有損傳輸線的建模，確定其對信號的影響，但無法給出輻射到空間中的場。對于這個問題，需要場求解器做仿真（參考文獻2）。場求解器采用有限元、網格和迭代法，為電路設計解算Maxwell方程。EM仿真軟件必須考慮設計的機械結構以及使用的材料（見附文1“計算機的能力”）。
嘗試用于仿真的最高頻率以及電路的大小決定了將要面對的場求解問題的規模。10MHz時的波長為30m，這意味著1cm的走線要比波長小得多（圖2）。軟件可能要使走線與較小區段相吻合，以迭代到一種方案。30m波長幾乎均勻地作用于1cm走線上。
設想打到一艘軍艦上的一個2cm波長10GHz雷達信號。場求解器軟件必須將軍艦分成數百個微小的網格，船體表面的每個平方厘米都要放入10個甚至100個網格。一艘金屬軍艦的表面并不是純粹反射，因此軟件必須做3維網格，這就有更多的計算元素，因為還要包括內部區。運行軟件的工作站需要數百G字節的內存，用于存儲這些網格的中間計算結果，要解算覆蓋這么大面積的場需要花幾個月時間。可以將問題打碎成為很多域，用迭代解算法，從而解決存儲器問題，但這種方案花的時間更多。
當你做EMC測試時，很小的機械特性也會帶來性能的大變化。蓋子上的一條縫，一根錯誤的走線，或IC封裝上的一個鋁制散熱片，都可能使產品通不過EMC輻射測試。這些機械特性的作用就像天線一樣，因此它們也可能接收周圍的能量，使產品的電磁抗擾性能不佳。標準要求的符合性頻率是在960 MHz以上。因此，EMC的仿真是一個需要大量運算的寬帶問題。你必須對這些頻率都做仿真；于是，仿真一個大型系統要花的時間是不可接受的。即使對一個相當簡單的產品，問題的復雜性也足以讓人生畏。另外，還有很多現象也對EMI（電磁干擾）起作用，包括走線的電場輻射、電感的磁場，以及電纜輻射和接受的電磁場。
一個典型的EM仿真策略是將問題切分成碎片，并且要看是相對測量還是絕對測量。你需要了解客戶使用產品的方式，將自己的EMC分析劃分成可管理的片斷，然后評估這些片斷相對于整個問題的關系。疊加原則可能很有助益。據說，對于全線性系統，兩個以上激勵在給定位置與時間上產生的凈響應，等于每個激勵單獨造成的響應之和。如果三個主要貢獻因素影響著你的EMI特征，那么可以單獨激勵每一個因素，必要時要使用不同的技術，然后將結果以RMS（均方根）方式加總，前提是它們不相關。不過，有時一個系統會影響到另一個系統，它們有相互作用。
仿真了PCB（印刷電路板）后，此仿真就表述為一個輻射模型，然后將其插入到一個較大組件中。雖然你可以用類似的信號來仿真PCB的輻射，但你可能有一些開關電源，它不僅有電場，也有磁場。圍繞這些元件有一個外殼，而產品伸出的電纜都是會輻射能量的天線，使產品無法通過EMC測試，并且也會接收能量，使電路無法通過抗擾度測試。你可能還要決定分立的輻射樣式如何加到總輻射水平上。這個決策可能揭示出非線性電路的可怕現實，如為了獲得好的效率而將RF功率放大器驅動到飽和狀態。疊加技術不適合于非線性系統，它會使你低估了來自電路的輻射。
技術的選擇
場求解器公司的數學與軟件專家們開發了很多方法，幫助你做EM仿真。你可以使用2維仿真程序，如HyperLynx和SIwave（信號完整性波形），評估一塊PCB的EMC。修正電路卡上的信號完整性與電源完整性問題通常 也就修正了EMC問題。你可以對低頻和較小的物理問題采用時域仿真。時域技術的主要好處是：它們能使用加快算術運算的GPU（圖形處理單元）卡。
REMCom技術解決方案公司的培訓、應用及咨詢經理James Stack報告說，增加一個GPU可將求解器速度提高30倍，而裝備了四個GPU卡的計算機可以將速度提高150倍。CST（計算機仿真技術）公司的技術支持與工程副總裁David Johns稱，他的公司的時域求解器使用一只GPU時，解決問題的速度要快12倍。
不幸的是，在較高頻率時，時域技術不是求解EM場的最佳方式。對于較慢信號來說，FEM與時域場求解技術工作良好，而對較高速度和較大問題，就是MOM與漸近求解器大展身手的地方了（表1）。明智的方法是在一臺擁有大量內存和多個CPU核心的PC工作站上，使用基于頻率的求解器。Feko和CST這類公司使用MLFMM（多級快速多極法）技術，它用少量計算功率即可解算出大型問題。當問題更大，并且必須工作在高于10 GHz頻率時，就必須采用可以作漸近分析的專用求解器。在有些仿真中，一個物理域會影響另一個物理域（見附文2“多物理場對設計的影響”）。
來自Cadence、Mentor Graphics與Zuken公司的有些產品擁有為仿真軟件獲取電氣與物理信息的工具。當用這些供應商的工具做PCB設計時，供應商會提供有關PCB層堆疊與材料的完整描述，于是，他們的信號完整性與場求解器工具就可以在仿真時使用這個數據。
另外要確保點工具可以接收你的PCB數據。CST與Sigrity公司可接受Cadence、Mentor、Zuken與Altium的數據庫，這些工具和很多其它工具還接受ODB（開放數據庫）++的PCB制造數據，它定義了PCB的物理結構與材料。SPEAG與2Comu這些全波仿真供應商都熟悉3維數據庫，可以接受輸入STEP（產品模型數據交換標準）、IGES（初始圖形交換規范）、DXF，以及其它機械實體建模輸出格式（圖3）。一旦進入了仿真程序，程序會用與方法相關的算法匹配這些實體。
定義機械形狀以及物理設計的介電常數只是EMC分析問題的一個部分。當使用時域技術時，只能將正確的時域波形置于走線的末端。IBIS（I/O緩沖信息規范）是一個驅動管腳波形的時域查找表，它可以描述一只管腳上信號的上升與下降。你還必須定義管腳上的數據；PBRS（偽二進制序列）通常適用于表述一個功能產品上信號的頻譜成分。
你可以使用IBIS-AMI（算術建模接口）來定義正在使用中芯片的預加重電路和均衡器，但它不能定義產品運行時將出現的實際波形。一般情況下，只將一個PBRS用到IBIS-AMI塊中。同時，你的設計可能以有數百個可能互相作用的走線（圖4）。
S參數是在高頻下，表述EM噪聲源的頻譜成分的最佳方式。一個PCB塊的S參數表述仍然無法給出該塊將輸出的頻譜成分，除非你用產品正常使用時的典型信號正確地激勵了這個塊。使用針對EMC的EM仿真確實會導致一個“先有蛋還是先有雞”的問題。有時，正確表示輻射頻譜的唯一東西是裝在真正機箱內的一塊工作電路板。這種情況下，當可以對其作簡單測試時，問題的仿真可能就沒有意義了，但做仿真仍很重要。你必須知道自己的仿真在哪里偏離了實際結果，并在仿真結果和實際結果之間作一個校正，這樣可以改進自己的模型、網格或技術。這種方案也許無法為正在做的產品節省時間，但可以為下一個產品的開發節省數月甚至數年時間。從一個Spice仿真中獲得的結果創建了一個近場模型，以后可以將其輸入到一個3維求解器中，這是一種保持對自己EMC問題控制能力的好方法。
EM仿真的工具
沒有一個獨立軟件可以做EMC分析。你應該將一組軟件工具結合起來，幫助應對EMC的問題。例如，板級工具可以保證信號走向符合你的意愿，而不致輻射到空間去。所有企業級PCB公司都有很好的場求解工具，能輔助獲得信號的完整性（參考文獻3）。Mentor Graphics公司的HyperLynx工具可能最具知名度，但Cadence、Ansoft與Zuken也有強大的工具，可用于有數百條或數千條走線的PCB。SiSoft公司提供類似于HyperLynx的信號完整性工具。Sigrity Systems公司提供的軟件可作為一種點工具，插入到PCB流程中。此工具可發現電源完整性與信號完整性問題互相影響的方式(見附文3“SI與電源完整性也很重要”）。一旦擁有了一塊設計良好的PCB，就必須像一名RF板設計師那樣去處理問題。
RF設計軟件公司包括Agilent ADS、AWR Microwave Office、Ansoft、Sonnet、CST，以及很多其它公司，它們都可以幫助你應對難以處理的EMC分析工作。大多數這些公司還提供插入式軟 件，如Agilent的ADS中的EMPro軟件，它可以完成EM建模。這些工具還考慮了金屬箱以及電路周圍的屏蔽，可以對設計的電氣與機械之間的關系作出評估，這是RF設計的內在需求。RF設計者都知道，機蓋打開后，電路的性能就有變化。RF設計工具可以對機殼的散熱開口建模，告訴你在某個頻率下，從開口中發出的輻射量。
當PCB工作時，其激發作用產生的隨機場是一個更難應對的問題，但場求解器公司CST與Ansoft都演示了解決它的方法。你要對多根走線使用真實波形的時域仿真，去做一個仿真。然后獲取來自PCB輻射的一個近場表述。在源的短距離上，電場與磁場并不直接相關，因為它們要通過空間作波形傳播。然后，將這個近場結果插入到全波求解器中，就可以計算出產品外殼、電纜和其它機械特性的作用（圖5）。
軟件不會思考
采用場求解器的EM仿真并不能提供一劑對EMC的萬用靈藥。此外，它們也不是解決設計災難的魔幻精靈。場求解器供應商強調，計算機仿真只是整個設計過程的一部分，而不是當你的產品未通過FCC測試時才想起使用的補償措施。不能期望一次計算機仿真就能找出所有需要改進的區域。但是，如果你在設計過程中，對設計各個部分使用并了解了仿真，將產品交給FCC和CE測試時就更坦然。很多情況下，計算機仿真中最有價值的事是教給你在一個復雜產品中EM場的非直觀行為。做結構、材料和屏蔽工作有助于你理解正在發生的事情，并且可以設計出符合規范要求的產品。
當信號頻率在GHz量級時，一片FPGA上的鰭狀散熱片也會成為一個相位陣列天線，在產品中輻射能量。機殼上的散熱口亦是相位天線。即使你沒有時間或預算去徹底地仿真一個電路板向3m以外輻射的電信號，但仍然可以使用全波仿真。對散熱片的寬帶仿真會告訴你散熱片的諧振頻率，以及諧振的頻譜樣式。你還可以對開口機殼作一個寬帶激勵。如果散熱片的頻率與位置會跟隨機殼的諧振，那么這些頻率就會產生麻煩。修正方法可能很簡單，如將散熱片旋轉90度，或改變鰭片或機殼上開口的間距。
場求解器程序有陡峭的學習曲線，尤其是對那些不熟悉3維仿真的工程師（圖6）。一旦了解了軟件，就必須學習如何輸入自己的物理結構與電氣激勵。這似乎是一個沒有盡頭的任務，但一旦你通過一次仿真，準確地預測了自己產品的性能，就會看到使用仿真的吸引力（圖7）。仿真可以在數小時內評估設計，而不需要花數月時間。它們并不能保證你的產品通過輻射與抗擾度測試，但確實能使你具備了一個相當大的優勢，強于那些只簡單采用“試驗性”方法，試圖使自己產品通過FCC與CE認證的公司。你在產品的末期作測試，而此時是否交付產品取決于公司的情況。
聰明的工程師們會使用軟件仿真，在設計的早期作EMC評估，從而在關鍵的產品發布期間避免出現高風險的EMC問題。他們仍需要作設計與日程變更，但有充裕的時間高效地解決問題，而不致延遲產品的面市。
參考文獻
1. Rako, Paul, "RFI: keeping noise out of your designs," EDN, Jan 10, 2008, pg 25.
2. Rako, Paul, "Beyond Spice: Fieldsolver software steps in for modeling high-frequency, space-constrained circuits," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
1. Rako, Paul, "Swimming in the channel," EDN, March 18, 2010, pg 34.
附文1：計算機的能力
當你評估那些幫助你做EMC（電磁兼容性）的軟件包時，一定要搞清楚軟件包所輸入物理模型的格式，以及它們使用了哪種PCB（印刷電路板）軟件包。向供應商咨詢軟件表述激勵函數的方法，確認你可以創建這些表述。最后，采購適當類型的工作站。如果你有針對時域仿真的時間和預算，工作站就應該有多只GPU（圖形處理單元）。如果你要做較快的頻率求解，則需要多核和多CPU機器，并且要有大的內存，以存儲仿真過程中產生的中間結果。
現代計算機一般可以在數小時內解算復雜的產品，比如計算機般規模的系統。一個關鍵的性能是計算機一晚能夠解算多大的問題。你可以花白天時間作設置，指定結構，然后在下班回家前讓場求解器運行起來。第二天早晨，你就能夠查看結果，決定是否變更設計或重做仿真。只是要記住，處理EMC問題的工作沒有部門界限。修正既有機械方面的也有電氣方面的，而做EMC工作的團隊需要有權修改一切，從而解決問題。
附文2：多物理場對設計的影響
有了經驗 和深思熟慮，就可以結束自己的EMC（電磁兼容性）分析，在過程的各個時點上，使用軟件確保通過FCC（聯邦通信委員會）與CE（歐洲合格評定）測試。不過要記住，驚訝總是隨時可能降臨。“多物理場”這個術語表示了仿真中各個域的相互作用，在EMC中經常見到。例如，如果RF能量加熱一個呈現居里點的材料，則仿真時不僅必須考慮材料周圍空間的電氣特性，還包括材料上的熱效應。然后還必須計算材料磁特性改變所導致的電場變化。
當產品機箱上的開口影響到產品的熱性能和溢出RF量時，就會出現一個更常見的多物理場問題。在這些情況下，機械工程師與電氣工程師有不同意見，前者認為要在機箱上采用大開口以降低熱量，而后者則力主無開口，以衰減EMI（電磁干擾）。Ansys與Comsol公司有多物理場功能的軟件可以在這些相互沖突的部門愿望之間找到折中方案。通過軟件對最優冷卻點的仿真，至少能為EMC性能提供一些裕度，平息爭執，讓產品設計能繼續下去。同樣，軟件并不能保證你通過FCC測試，但它提供了一種折中方法，使兩個小組可以評估進一步的工作。
附文3：SI與電源完整性也很重要
場求解器很適合用于評估電路的SI（信號完整性）。求解器還有助于解決PCB（印刷電路板）上的電源完整性問題。這些問題與EMC（電磁兼容）關聯的原因是，解決了SI與電源完整性問題，通常也就解決了輻射與電磁敏感性的問題。
Ansoft公司產品管理集團總監Lawrence Williams稱，SI、電源完整性以及EMC都可歸為一個“產品完整性”大類之下。一般可以用一個較簡單的2維求解器，輔助設計出有良好信號完整性的PCB。但EMC是一個3維、全波的場求解器問題，如果優化了電路板上的信號完整性與電源完整性，就減少了它的輻射。
十幾年前，Mentor Graphics公司的HyperLynx工具就預測出了一塊復雜PCB在FCC（聯邦通信委員會）測試中的性能。自那以后，Mentor Graphics公司從Zeeland收購了3維場求解軟件，并加入到HyperLnyx中。這個方案將幫助解算承載6 GHz以上信號的過孔和連接器短腳。在這個速度上，即使PCB也需要采用3維求解器。正如信號完整性對EMC的關系一樣，降低了輻射通常也就減少了抗擾度方面的問題。