弹载存储系统的电磁兼容仿真与优化

2022-09-13易文俊

兵器装备工程学报 2022年8期

李洋，易文俊

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

1 引言

随着集成芯片和军事科技的迅速发展，集成电路的集成度越来越高，同时信号的传输速度越来越快。弹载存储系统中需要采集和存储的信号多样且复杂，主要包括制导炮弹的速度、过载和卫星导航信号等。由于卫星信号在地球表面的信号强度很低，属于微弱信号，故极易受到干扰。对于高速信号和微弱信号，电磁干扰带来的影响不可忽视，因此对PCB的电磁兼容设计变得尤为重要。

电磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)是现代军用电子系统设计中的一个关键问题。弹载存储系统产品设计需要满足GJB151A—1997《军用设备和分系统电磁设备电磁发射和敏感度要求》中的RE102和RS103的相关要求。对于研制过程中整弹以及各涉电部件的电磁兼容性进行有效控制，保证弹载记录仪在遭受较为恶劣电磁环境时，其安全性及各项性能指标不会产生不期望的降额，不会对整个炮弹的电磁兼容性造成严重影响。由于军用设备生产成本高，而传统的电磁兼容分析方法周期长，因此使用数值模拟方法，如基本原理为FEM、FDTD等算法的仿真软件，模拟设计中电磁发射和相互作用对PCB的电磁兼容问题做预分析，可以节约成本、缩短生产周期，具有重要意义。

2 弹载存储系统电路结构介绍

在本文设计的制导炮弹的弹载存储系统中，存储电路板主要用于数据采集、数据处理和数据存储，其结构如图1所示，主要包括模拟电路和数字电路2个部分。模拟电路完成对传感器信号的采集和信号调理，主控芯片完成对数字信号的处理和存储。主控芯片采用外部晶振，晶振频率为25 MHz，系统最大时钟频率可达180 MHz。

图1 存储电路结构框图Fig.1 Storage circuit structure diagram

3 PCB电磁干扰原因分析及电磁兼容设计

3.1 PCB电磁干扰原因分析

干扰源、敏感设备和耦合途径是构成电磁兼容性问题的3个要素，解决电磁兼容问题，可以从这3个方面入手考虑。

弹上系统与弹体本身处于相同的运动环境，尤其对一些强磁发射环境下的炮弹，面临着恶劣的磁环境。面对外部强磁干扰，弹载存储系统通过防护外壳可以进行有效屏蔽。但是，在弹载存储系统内部，电路板上线路之间也会产生电磁辐射，而且随着处理信号的增多，系统功能增强的同时，元器件分布和走线变得十分密集，导致电磁环境变差，容易对一些高速信号和微弱信号造成干扰。

电磁干扰通过导线传输，耦合到敏感设备的方式为传导耦合，主要出现在频率较低的电路中。对于高频电路，干扰能量主要以辐射方式通过空间耦合到敏感器件，这种方式为辐射耦合。PCB上所布的带状线之间无意的电磁耦合，类似于天线耦合问题，称为串扰，区别于天线耦合的是，这是一个近场耦合问题，电磁发射源和接收器在同一系统。

由于双导体传输线没有串扰，因此通过三导体传输线模型来说明串扰，图2是一个三导体传输线模型，源阻抗和源电压()组成源端，为负载，另外，和表示终端负载，与受扰线和参考地相连。假设线和导体都平行于轴，且沿传输线方向有均匀横截面。源电路由发射线和参考地组成，具有沿导线的电流(,)和两者之间的电压(,)，与源电路有关的电压和电流将产生电磁场，与受扰线和参考地线所组成的接收电路相互作用，在接收电路中产生电流(,)和电压(,)。该电流和电压会在终端的输入端产生电压()和()。

图2 三导体传输线模型电路图Fig.2 Three conductor transmission line model

分析串扰的目的是确定近端电压()和远端电压()，一般由时域分析方法和频域分析方法，由于求解复杂，要得到这些参数，通常使用数值分析来计算。

3.2 PCB电磁兼容设计

EMC设计需要注意元件的选择，连接器的布局、滤波，接地网，高频线路的接地，信号处理方式以及去耦电容的布局、选择等内容。

从EMC角度出发，要尽量避免高频信号，所以在符合设计要求的情况下尽量选择速度低的逻辑器件。

关于元件的布局。覆铜线的辐射电位与线的长度、信号线与回路之间的环路面积、运载电流的高频部分有关，而具有高频频谱成分的信号主要是时钟信号，因此，含有时钟信号的元器件与晶振的覆铜线应尽量短。为了限制高频分量，可将滤波器放在源的输出端，以平滑脉冲边缘。

接地设计，数字信号中通常带有大量谐波，所以数字信号和模拟信号要分开接地。回路上产生的压降就是接地压降，有研究表明，PCB接地网上两点之间的接地压降越低，电路板的辐射发射越低。电路板上有高频信号线，在层叠设计上采用了“地-信号-地-……”的形式，以降低回路阻抗、接地压降、环路面积等。

4 建立PCB电磁兼容仿真模型

电磁场的数值分析方法分为基于空间离散化的微分方程法和基于散射体表面或内部离散化的积分方程法。有限元法、时域有限差分法和矩量法是常用的电磁计算方法，有限元法和有限差分法为微分方程法，矩量法为积分方程法。

时域有限差分法用有限差分式替代时域麦克斯韦方程中的微分式，容易对复杂媒体建模，计算时间短，但由于其网格空间不能无限制增加，造成其不适用于细薄结构的媒质。矩量法是将连续方程离散化为代数方程组，求解过程简单、应用方便，可以达到很高地精度，但计算量较大。有限元法适用于求解具有复杂形状、复杂媒质的电磁场问题，具有较高的计算精度。一个复杂的问题难以靠一种单一的方法解决，使用混合算法，发挥各种方法的优势，可以更好地计算电磁问题。

ANSYS SIWAVE是一款功能强大的电路板仿真软件，在电磁仿真中，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，系统自动在模型表面划分网格，而在模型内部不会产生网格。

4.1 MPIE基本原理

S参数描述的是传输通道的频域特性，可以通过电子元件表面分布的电流密度来计算，电流密度可由空间域格林函数与矩量法相结合的方法求解。因此，需要选择合适的积分方程，求解过程中，混合位积分方程(MPIE)不需要像电场积分方程(EFIE)和磁场积分方程(MFIE)那样对格林函数求二阶导数，奇异点更少，所以选择MPIE方程。对于良导体，其表面阻抗为介质的特性阻抗，可定义为：

(1)

式(1)中：表示角频率；表示电导率。

划分网格后的几何模型，电流密度可以用下面的MPIE方程求解，即：

(2)

4.2 绘制PCB版图并建立仿真模型

SIWAVE支持ODB++格式文件导入，在Altium Designer中绘制电路原理图和PCB，导出为ODB++格式。打开SIWAVE软件，导入PCB版图。导入后，进行仿真前参数设置，根据弹载存储系统电路设计要求，依次进行PCB层叠设计、焊盘设置、器件参数修改。

针对需要仿真的信号，比如电路板上的时钟信号和数据收发信号，建立这些信号的网络端口，结合芯片模型，在EDT电子桌面上搭建仿真电路，提取PCB信号网络的S参数，同时观察通道的频域响应情况，将求解的S参数和电路模型结合，进行电路仿真，并将仿真结果作为电磁仿真的噪声源，建立的PCB仿真模型如图3所示。

图3 弹载存储系统PCB仿真模型示意图Fig.3 PCB simulation model of missile-borne storage system

由于电路板上的信号复杂且多样，通常包含时钟信号、模拟信号和高速数字信号等，不同功能信号，其工作频率不同，所以PCB上所有高频电路的谐波频率是一个复杂的组合。这里选取走线密集、电磁干扰严重的时钟信号和高速数字信号为分析对象，由于这些信号频率分布范围为30～100 MHz，将仿真频率范围设置在20～120 MHz即可。

5 PCB电磁兼容仿真分析及优化

5.1 自动布线PCB仿真

在对PCB进行近场仿真时，需要制定噪声源，通常有2种方式，第1种是自己设置噪声源，第2种是使用外部噪声源。外部噪声源是通过场路协同仿真的方式，利用SIWAVE和电路做动态链接仿真之后，将得到的信号和电源在各个端口上的数据推送回SIWAVE，然后计算相关辐射问题，这种方法更接近真实情况，故这里采用第2种方法。

场路协同仿真后，将获取的数据作为外部噪声源，在设置的频率范围内做电磁仿真，从结果分布来看，电磁干扰强度较强的频率是30 MHz、60 MHz和100 MHz等3处，电路板上处于这3个频点的信号数量也相对较多，与实际情况相符。为了方便分析，选取这3个频率的电场分布以及磁场分布情况。自动布线后的PCB仿真结果及优化后的PCB近场仿真结果如图4—图7所示。