电子控制器PCB板电磁兼容性仿真与试验研究

张 寅 叶志锋 徐建国 曹志洁

1.南京航空航天大学，南京 210016

2.中航工业动力控制系统研究所，无锡 214063

电子控制器PCB板电磁兼容性仿真与试验研究

张 寅1叶志锋1徐建国1曹志洁2

1.南京航空航天大学，南京 210016

2.中航工业动力控制系统研究所，无锡 214063

随着航空发动机全权限数字控制系统的发展，电子控制器中PCB板电磁兼容性设计的重要性日益凸显。本文以某控制器PCB板为对象，在10MHz至1GHz频率范围内，对其电磁干扰使用Ansys公司的SIwave进行近场远场仿真研究，并使用容向公司EMSCAN电磁干扰扫描仪进行测试。通过测试与仿真结果的对比，验证了仿真的准确性。本文提出了一种基于仿真预测PCB板电磁干扰的实现途径，对于电子控制器PCB板的电磁兼容性设计具有参考价值。

电子控制器;PCB;电磁兼容;SIwave;EMSCAN

电磁兼容EMC(Electromagnetic Compatibility)，是指“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境构成不能承受的电磁骚扰的能力”［1］。在飞行器和武器装备设计过程中忽视电磁兼容问题，会导致极为严重的损失。例如:大功率雷达与舰载导弹连接器间存在电磁兼容问题，导致了1967年7月29日，福里斯特尔号航空母舰舰载导弹自动发射事件，造成数架舰载机被毁，134人死亡［2］;2000年，英国民航管理署对飞机的测试表明，在GSM移动电话频率上，很容易造成数字VOR导航方位现实误差超过 5°［3］。

在产品的研制和生产过程中，越早发现和解决电磁兼容性问题，就能够节约人力物力。在航空航天领域，从上世纪70年代开始，国外就开展了电磁兼容仿真预测软件的开发和研究工作，取得了一系列的成果。如美国罗姆航空发展中心开发了用于分析和预测发射机和接受机间干扰情况的仿真软件IPP-1［4］。国内长期以来由于测试手段与计算机运算能力的限制，在电磁兼容领域的研究起步较晚，北京航空航天大学研制的针对飞机电磁兼容性的预测软件(BHEMCAP)获得了一定范围的应用［4］。

目前，主流的研究方向是使用Protel，Cadence等EDA软件自带的电磁兼容模块，对PCB板的PI(电源完整性)和SI(信号完整性)进行仿真分析。但随着处理器性能的提升，时钟的上升/下降沿也提高到了ns级。系统中存在大量的高频谐波分量，给系统电磁兼容性设计带来了较大困难。仅靠EDA软件自带的电磁兼容模块，已不能完全解决产品设计制造过程中所遇到的电磁兼容问题。调查统计表明，在航空电子、电气设备的电磁兼容性(EMC)测试中，大部分产品辐射发射项目的测试结果都有超标现象［5］。

本文以某控制器的PCB板为对象，在10MHz至1GHz频率范围内，对其电磁干扰使用Ansys公司的SIwave进行仿真研究，使用容向公司的EMSCAN电磁干扰扫描仪进行测试。仿真与测试的结果对比显示:仿真能够预测系统的辐射趋势和强度，尤其是在设计的初始阶段，还没有试验产品完成前，仿真是唯一可行的预测产品电磁兼容性手段，可以为机箱选型，局部屏蔽，走线优化提供数据支持。本文提出了一种基于仿真预测PCB板电磁干扰的方法，对于电子控制器PCB板的电磁兼容性设计具有参考价值，有广阔的工程应用前景。

1 理论背景

SIwave是Ansys公司提供的使用全波有限元解法器的板级电磁场分析工具。下面以高阶混合边/节点三角形单元为例，来说明全波有限元解法。

电磁波在空间传播时，其运动规律遵循麦克斯韦方程组。当场矢量的每个坐标分量及标量函数都随时间以相同的频率做简谐规律变化的时变电磁场，称为时谐电磁场。在时谐场下，麦克斯韦方程组可简化为矢量波动方程:

上式中，E为电场强度矢量，是位置和时间的函数;k0是真空中的波速;［εr］为对角型相对介电常数张量。

对于复杂的电磁场，可以将其视作一系列简单时谐场的线性组合［6］。使用矢量波动方程求解每个分量，然后将结果进行同样的线性组合，进而得到整个电磁场的结果。

图1是一种高阶混合边/节点三角形单元，由含有6个顶点的切向未知量Et1～Et6的线性边三角形模型和含有6个轴向未知量Ez1～Ez6的二阶节点单元组成［7］。

图1 高阶混合边/节点三角形单元

在上述的每个单元中，电场可以表示为:

其中，矢量{Et}e和{Ez}e的分量分别是Et1～Et6和Ez1～Ez6;{U}和{V}是线性边三角形单元的形状函数矢量;{N}是二阶节点三角形单元的形状函数矢量;β是Z方向的相位常数，在有损耗的情况下，可用β-jα替换β，其中α是损耗常数。

对(1)式应用有限元过程，可得矩阵方程为:

式中，εrx，εry，εrz分别是x，y，z方向的相对介电常数，求和符号包括所有的单元。再结合边界条件和连续性定理，可以求出整个PCB板电磁场分布。

2 仿真模型的建立

为得到PCB仿真模型，需要将印制电路板图导入SIwave中。由于在国内推广较早，加之界面友好，Protel在PCB设计领域中获得了广泛的使用。本文研究的某控制器PCB也是使用Protel绘制而成，如图2所示。Ansys公司的SIwave本身不提供对Protel的端口支持［8］，因此首先需要借助中间软件实现转化，实现过程为:Protel-＞Orcad Layout- ＞Allegro- ＞SIwave。

因为各商用软件之间的接口并不匹配，且在数据格式和标准上存在差异，所以导入过程可能导致部分数据的缺失，应首先检查布线的连续性，将不完整的布线补全。将PCB介质材料设置成FR-4，调整层间距，删除没有走线和器件的辅助层。根据原理图，在SIwave中设置器件参数信息。完成以上工作后，得到可以用于仿真PCB模型，如图2(b)所示。

该PCB板集成了控制器的信号调理模块和通讯模块。通过RS-232口，将传感器和执行机构信息传输给上位机。在仿真研究中，使用SIwave对电路进行仿真，得到RS端口与TS端口间的S参数矩阵。将其制成端口模型，在Designer调用模型，并在RS端口和TS端口上添加电压信号，仿真PCB板实际工作情况下的电压波形，如图3(a)所示，其中X轴为时间，单位是μs;Y轴为电压，单位是V。最后对结果进行傅里叶变换，得到波形频域信息，如图3(b)所示，其中X轴是频率，单位是MHz;Y轴为电压，单位是 dBV。本例中，在 SIwave中设置Port1和Port2，分别对应串口 RS端和 TS端。将Designer中得到的信号频谱信息制成激励源，传入端口，在仿真正常工作情况下，信号传输时PCB板的电磁辐射情况。

3 仿真与测试

建模后，对PCB进行仿真分析，重点关注的是PCB板的频率特性和进场分布情况。

工程中对PCB板的频率特性十分重视。因为了解PCB板的频率特性，一方面有助于合理安排PCB板在机箱内的相对位置，减少相互间电磁辐射与干扰;另一方面，有助于预测产品是否能通过电磁兼容的辐射发射测试，是否需要设计屏蔽机箱。由于电磁辐射具有各向异性，因此在PCB板10MHz至 1GHz 的频率特性仿真中，设置 0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°经线与 0°，60°，120°，180°纬线的交点为观测点，共计28个。其仿真结果如图4所示，其4个峰值点分别为:240MHz-29.73dBμV，440MHz-27.73dBμV，708MHz-22.27dBμV 和950MHz-20.92dBμV。图4的X轴为频率，单位GHz，Y轴为电压，单位 dBμV。

图4 电子控制器频率特性仿真结果1

为了验证仿真结果的正确性，在实验室环境下，我们使用容向公司的EMSCAN电磁干扰扫描仪，对该控制器的频率特性进行了测试，测试覆盖的频率范围同样为10MHz至1GHz，测试结果如图5所示，X轴为频率，单位MHz，Y轴为电压，单位dBμV，其峰值点为:240.172MHz-19.9dBμV和 947.943MHz-18.5dBμV。

图5 电子控制器频率特性测试结果

对比图4与图5，首先可以看出仿真峰值和测试峰值频率十分接近，均在240MHz和950MHz附近，在数值上仿真结果略大于测试结果。其次可以看出，在10MHz～1GHz范围内，虽然测试曲线不能与任何一条仿真曲线完全吻合，但是在绝大部分频率点上测试结果介于同频率点上仿真结果的最大值与最小值之间。

PCB板的近场分布能提供不同频率下PCB板上的热点(强辐射点)、热区(强辐射区)分布信息，以便为PCB版的布局、布线和设计屏蔽结构提供指导，从而进一步提高PCB板的抗电磁干扰能力。以该控制器为例，针对频率特性测试时240MHz附近出现的辐射峰值，对PCB板近场分布进行了仿真和测试。图6(a)是在该板下方10mm处近场分布情况仿真结果，图6(b)在该板下方10mm处近场分布测试结果，其中X，Y轴是长宽，单位mm，色标卡单位 dBμV。

对比图6(a)与图6(b)，可以看出仿真和测试的电场区分布形状十分相似，仿真的热点数明显多于测试的热点数。这有助于设计者从最坏情况出发，在最初设计时考虑使用覆铜，局部屏蔽的方法，减小辐射强度［9］。

4 结论

本文以某控制器PCB板为对象，在SIwave中建立了PCB模型，通过Designer仿真工况下信号波形，再在SIwave中仿真工作时的电磁辐射情况，从而得到了PCB版在10MHz～1GHz范围内的频率特性曲线和240MHz下的近场分布图。

使用容向公司的EMSCAN电磁干扰扫描仪，通过电流环探头阵列扫描器采集信息，用安捷伦的E4402B频谱分析仪进行处理。得到PCB板实际工作中10MHz～1GHz范围内的频率特性曲线和240MHz下的近场分布图。

数据对比显示:仿真能够预测PCB板辐射峰值频率、辐射强度和其近场分布情况。本文探索了一种基于仿真技术预测系统近场分布和辐射发射的方法。该方法能在设计初始阶段预测PCB板EMC问题，对提高电子控制器的电磁兼容性能，减小产品因电磁兼容问题引起的风险，缩短研制周期，减少研发成本，具有重要的应用价值。

［1］GB/T 4765-1995电磁兼容术语.

［2］Clayton R.Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibility［M］.American:John Wiley ＆ Sons，Inc，1992:8-9.

［3］Safety Regulation Group，Civil Aviation Authority.Effects of Interference from Cellular Telephones on Aircraft Avionic Equipment［R］.CAA PAPER 2003/3，30 April 2003.

［4］唐金欢.电子设备电磁兼容仿真模型的简化研究［D］.西安:西安电子科技大学，2008.

［5］赵金奎.航空电源产品辐射发射测试研究［C］//高悠纲，沈远茂，石丹.第17界全国电磁兼容学术会议论文集.北京:电子工业出版社，2007，8:6-14.

［6］王增和，丁卫平，李平辉.电磁场与波［M］.北京:机械工业出版社，2007:41.

［7］陈福生，杨拥军，孙豹，等.集成光学器件导论［M］.北京:机械工业出版社，2010:31-33.

［8］Ansoft Corporation.SIwave Online Help［M］.American:Ansoft Corporation，2009:15-16.

［9］Montrose M.Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance:A Handbook for Designers［M］.American:Wiley-IEEE press，2000:125-129.

The Simulation and Experimental Study on the EMC of the PCB for the Electronic Controller

ZHANG Yin1YE Zhifeng1XU Jianguo1CAO Zhijie2
1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
2.Aviation Motor Control Institute，Wuxi 214063，China

With the constant development of theFADECsystems used on the aero-engine，the electromagnetic compatibility for the design of printed circuit board designed in electronic controller is much more paramount．ThePCBfor the digital controller is presented as the application object．The far field and near field of thePCBmodel are simulated by the application ofSIwaveof Ansys Corporation from10MHzto1GHz.And thePCBis tested by theEMSCAN，which is produced byEMSCANCorporation in the same frequency range．The measurement results show the well accuracy of simulation．A method of the prediction for thePCBs’EMCis proposed，which is based on the simulation．It has reference value for theEMCdesign of the electronic controllers’PCBs.

Electronic Controller;PCB;EMC;SIwave;EMSCAN

V274.1

A

1006-3242(2012)01-0049-05

2011-10-10

张 寅(1986-)，男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向为航空发动机控制;叶志锋(1962-)，男，浙江人，博士，教授，主要研究方向为航空发动机控制;徐建国(1971-)，男，山西人，博士，讲师，主要研究方向为航空发动机测试与控制;曹志洁(1960-)，女，江苏人，研究员，主要研究方向为航空发动机电子控制器设计技术。