彈載存儲系統(tǒng)的電磁兼容仿真與優(yōu)化

李 洋，易文俊

(南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，南京 210094)

1 引言

隨著集成芯片和軍事科技的迅速發(fā)展，集成電路的集成度越來越高，同時信號的傳輸速度越來越快。彈載存儲系統(tǒng)中需要采集和存儲的信號多樣且復雜，主要包括制導炮彈的速度、過載和衛(wèi)星導航信號等。由于衛(wèi)星信號在地球表面的信號強度很低，屬于微弱信號，故極易受到干擾。對于高速信號和微弱信號，電磁干擾帶來的影響不可忽視，因此對PCB的電磁兼容設(shè)計變得尤為重要。

電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)是現(xiàn)代軍用電子系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。彈載存儲系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計需要滿足GJB151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁設(shè)備電磁發(fā)射和敏感度要求》中的RE102和RS103的相關(guān)要求。對于研制過程中整彈以及各涉電部件的電磁兼容性進行有效控制，保證彈載記錄儀在遭受較為惡劣電磁環(huán)境時，其安全性及各項性能指標不會產(chǎn)生不期望的降額，不會對整個炮彈的電磁兼容性造成嚴重影響。由于軍用設(shè)備生產(chǎn)成本高，而傳統(tǒng)的電磁兼容分析方法周期長，因此使用數(shù)值模擬方法，如基本原理為FEM、FDTD等算法的仿真軟件，模擬設(shè)計中電磁發(fā)射和相互作用對PCB的電磁兼容問題做預分析，可以節(jié)約成本、縮短生產(chǎn)周期，具有重要意義。

2 彈載存儲系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)介紹

在本文設(shè)計的制導炮彈的彈載存儲系統(tǒng)中，存儲電路板主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括模擬電路和數(shù)字電路2個部分。模擬電路完成對傳感器信號的采集和信號調(diào)理，主控芯片完成對數(shù)字信號的處理和存儲。主控芯片采用外部晶振，晶振頻率為25 MHz，系統(tǒng)最大時鐘頻率可達180 MHz。

圖1 存儲電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Storage circuit structure diagram

3 PCB電磁干擾原因分析及電磁兼容設(shè)計

3.1 PCB電磁干擾原因分析

干擾源、敏感設(shè)備和耦合途徑是構(gòu)成電磁兼容性問題的3個要素，解決電磁兼容問題，可以從這3個方面入手考慮。

彈上系統(tǒng)與彈體本身處于相同的運動環(huán)境，尤其對一些強磁發(fā)射環(huán)境下的炮彈，面臨著惡劣的磁環(huán)境。面對外部強磁干擾，彈載存儲系統(tǒng)通過防護外殼可以進行有效屏蔽。但是，在彈載存儲系統(tǒng)內(nèi)部，電路板上線路之間也會產(chǎn)生電磁輻射，而且隨著處理信號的增多，系統(tǒng)功能增強的同時，元器件分布和走線變得十分密集，導致電磁環(huán)境變差，容易對一些高速信號和微弱信號造成干擾。

電磁干擾通過導線傳輸，耦合到敏感設(shè)備的方式為傳導耦合，主要出現(xiàn)在頻率較低的電路中。對于高頻電路，干擾能量主要以輻射方式通過空間耦合到敏感器件，這種方式為輻射耦合。PCB上所布的帶狀線之間無意的電磁耦合，類似于天線耦合問題，稱為串擾，區(qū)別于天線耦合的是，這是一個近場耦合問題，電磁發(fā)射源和接收器在同一系統(tǒng)。

由于雙導體傳輸線沒有串擾，因此通過三導體傳輸線模型來說明串擾，圖2是一個三導體傳輸線模型，源阻抗和源電壓()組成源端，為負載，另外，和表示終端負載，與受擾線和參考地相連。假設(shè)線和導體都平行于軸，且沿傳輸線方向有均勻橫截面。源電路由發(fā)射線和參考地組成，具有沿導線的電流(,)和兩者之間的電壓(,)，與源電路有關(guān)的電壓和電流將產(chǎn)生電磁場，與受擾線和參考地線所組成的接收電路相互作用，在接收電路中產(chǎn)生電流(,)和電壓(,)。該電流和電壓會在終端的輸入端產(chǎn)生電壓()和()。

圖2 三導體傳輸線模型電路圖Fig.2 Three conductor transmission line model

分析串擾的目的是確定近端電壓()和遠端電壓()，一般由時域分析方法和頻域分析方法，由于求解復雜，要得到這些參數(shù)，通常使用數(shù)值分析來計算。

3.2 PCB電磁兼容設(shè)計

EMC設(shè)計需要注意元件的選擇，連接器的布局、濾波，接地網(wǎng)，高頻線路的接地，信號處理方式以及去耦電容的布局、選擇等內(nèi)容。

從EMC角度出發(fā)，要盡量避免高頻信號，所以在符合設(shè)計要求的情況下盡量選擇速度低的邏輯器件。

關(guān)于元件的布局。覆銅線的輻射電位與線的長度、信號線與回路之間的環(huán)路面積、運載電流的高頻部分有關(guān)，而具有高頻頻譜成分的信號主要是時鐘信號，因此，含有時鐘信號的元器件與晶振的覆銅線應(yīng)盡量短。為了限制高頻分量，可將濾波器放在源的輸出端，以平滑脈沖邊緣。

接地設(shè)計，數(shù)字信號中通常帶有大量諧波，所以數(shù)字信號和模擬信號要分開接地?；芈飞袭a(chǎn)生的壓降就是接地壓降，有研究表明，PCB接地網(wǎng)上兩點之間的接地壓降越低，電路板的輻射發(fā)射越低。電路板上有高頻信號線，在層疊設(shè)計上采用了“地-信號-地-……”的形式，以降低回路阻抗、接地壓降、環(huán)路面積等。

4 建立PCB電磁兼容仿真模型

電磁場的數(shù)值分析方法分為基于空間離散化的微分方程法和基于散射體表面或內(nèi)部離散化的積分方程法。有限元法、時域有限差分法和矩量法是常用的電磁計算方法，有限元法和有限差分法為微分方程法，矩量法為積分方程法。

時域有限差分法用有限差分式替代時域麥克斯韋方程中的微分式，容易對復雜媒體建模，計算時間短，但由于其網(wǎng)格空間不能無限制增加，造成其不適用于細薄結(jié)構(gòu)的媒質(zhì)。矩量法是將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組，求解過程簡單、應(yīng)用方便，可以達到很高地精度，但計算量較大。有限元法適用于求解具有復雜形狀、復雜媒質(zhì)的電磁場問題，具有較高的計算精度。一個復雜的問題難以靠一種單一的方法解決，使用混合算法，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，可以更好地計算電磁問題。

ANSYS SIWAVE是一款功能強大的電路板仿真軟件，在電磁仿真中，采用了有限元和矩量法混合算法。SIWAVE建立PCB仿真模型，操作方便，模型建立之后，系統(tǒng)自動在模型表面劃分網(wǎng)格，而在模型內(nèi)部不會產(chǎn)生網(wǎng)格。

4.1 MPIE基本原理

S參數(shù)描述的是傳輸通道的頻域特性，可以通過電子元件表面分布的電流密度來計算，電流密度可由空間域格林函數(shù)與矩量法相結(jié)合的方法求解。因此，需要選擇合適的積分方程，求解過程中，混合位積分方程(MPIE)不需要像電場積分方程(EFIE)和磁場積分方程(MFIE)那樣對格林函數(shù)求二階導數(shù)，奇異點更少，所以選擇MPIE方程。對于良導體，其表面阻抗為介質(zhì)的特性阻抗，可定義為：

(1)

式(1)中：表示角頻率；表示電導率。

劃分網(wǎng)格后的幾何模型，電流密度可以用下面的MPIE方程求解，即：

(2)

4.2 繪制PCB版圖并建立仿真模型

SIWAVE支持ODB++格式文件導入，在Altium Designer中繪制電路原理圖和PCB，導出為ODB++格式。打開SIWAVE軟件，導入PCB版圖。導入后，進行仿真前參數(shù)設(shè)置，根據(jù)彈載存儲系統(tǒng)電路設(shè)計要求，依次進行PCB層疊設(shè)計、焊盤設(shè)置、器件參數(shù)修改。

針對需要仿真的信號，比如電路板上的時鐘信號和數(shù)據(jù)收發(fā)信號，建立這些信號的網(wǎng)絡(luò)端口，結(jié)合芯片模型，在EDT電子桌面上搭建仿真電路，提取PCB信號網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，同時觀察通道的頻域響應(yīng)情況，將求解的S參數(shù)和電路模型結(jié)合，進行電路仿真，并將仿真結(jié)果作為電磁仿真的噪聲源，建立的PCB仿真模型如圖3所示。

圖3 彈載存儲系統(tǒng)PCB仿真模型示意圖Fig.3 PCB simulation model of missile-borne storage system

由于電路板上的信號復雜且多樣，通常包含時鐘信號、模擬信號和高速數(shù)字信號等，不同功能信號，其工作頻率不同，所以PCB上所有高頻電路的諧波頻率是一個復雜的組合。這里選取走線密集、電磁干擾嚴重的時鐘信號和高速數(shù)字信號為分析對象，由于這些信號頻率分布范圍為30～100 MHz，將仿真頻率范圍設(shè)置在20～120 MHz即可。

5 PCB電磁兼容仿真分析及優(yōu)化

5.1 自動布線PCB仿真

在對PCB進行近場仿真時，需要制定噪聲源，通常有2種方式，第1種是自己設(shè)置噪聲源，第2種是使用外部噪聲源。外部噪聲源是通過場路協(xié)同仿真的方式，利用SIWAVE和電路做動態(tài)鏈接仿真之后，將得到的信號和電源在各個端口上的數(shù)據(jù)推送回SIWAVE，然后計算相關(guān)輻射問題，這種方法更接近真實情況，故這里采用第2種方法。

場路協(xié)同仿真后，將獲取的數(shù)據(jù)作為外部噪聲源，在設(shè)置的頻率范圍內(nèi)做電磁仿真，從結(jié)果分布來看，電磁干擾強度較強的頻率是30 MHz、60 MHz和100 MHz等3處，電路板上處于這3個頻點的信號數(shù)量也相對較多，與實際情況相符。為了方便分析，選取這3個頻率的電場分布以及磁場分布情況。自動布線后的PCB仿真結(jié)果及優(yōu)化后的PCB近場仿真結(jié)果如圖4—圖7所示。

圖4 30 MHz、60 MHz、100 MHz電場輻射強度分布云圖(優(yōu)化前)Fig.4 Electric field radiation intensity distribution at 30 MHz,60 MHz and 100 MHz (before optimization)

圖5 30 MHz、60 MHz、100 MHz電場輻射強度分布云圖(優(yōu)化后)Fig.5 Electric field radiation intensity distribution at 30 MHz,60 MHz and 100 MHz (after optimization)

圖6 30 MHz、60 MHz、100 MHz磁場輻射強度分布云圖(優(yōu)化前)Fig.6 Magnetic field radiation intensity distribution at 30 MHz,60 MHz and 100 MHz (before optimization)

圖7 30 MHz、60 MHz、100 MHz磁場輻射強度分布云圖(優(yōu)化后)Fig.7 Magnetic field radiation intensity distribution at 30 MHz,60 MHz and 100 MHz (after optimization)

從圖4和圖6可以看出，近場仿真產(chǎn)生的電場和磁場強度的分布情況，當頻率為30 MHz時，PCB上電場強度最大，100 MHz時，PCB磁場輻射強度最大。

5.2 優(yōu)化布線及阻抗匹配后的PCB仿真

軟件自動布線的線路圖，部分不符合電磁兼容布線規(guī)則，按照電磁兼容設(shè)計規(guī)則對電路重新布線之后，并對敏感元件的信號進行阻抗匹配，添加相應(yīng)數(shù)值的電阻，此外，在數(shù)字電路與模擬電路之間添加隔離磁珠。選取同樣的3個頻點，優(yōu)化后的PCB近場仿真結(jié)果如圖5、圖7所示。

從圖5和圖7可以看出，優(yōu)化后的電路板近場仿真的電場強度和磁場強度減小。選取3個頻點內(nèi)電磁輻射的最大值進行比較，優(yōu)化前后的近場仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后，30 MHz的電場強度減小了47.91%，磁場強度減小了45.50%，60 MHz處的電場強度減小了54.07%，磁場強度減小了35.88%，100 MHz處的電場強度減小了16.23%，磁場強度減小了26.91%。

表1 優(yōu)化前后近場仿真數(shù)據(jù)Table 1 Near field simulation data before and after optimization

6 結(jié)論

針對制導炮彈彈載存儲系統(tǒng)的電路板,建立了電磁仿真模型，用SIWAVE軟件對PCB板上高速信號和微弱信號的近場輻射進行仿真分析，對比優(yōu)化前后的電磁輻射情況，結(jié)論如下。

1) 優(yōu)化后的近場輻射強度明顯減小，其中60 MHz頻點處的電磁輻射強度減小最為明顯，磁場強度減小45.50%，電場強減小54.07%。

2) 通過手動布線和阻抗匹配等電磁兼容設(shè)計方法提高了系統(tǒng)內(nèi)部信號電磁兼容性能。優(yōu)化結(jié)果說明，規(guī)劃布線和阻抗匹配等設(shè)計對提高電磁兼容性能是有效的。