使用 CST 软件增强工业设备的电磁兼容性设计：原理、方法和应用
引言
随着工业设备向数字化和智能化快速发展，电磁兼容性（EMC）设计变得日益重要。EMC 是指设备在其电磁环境中正常工作，同时不对其他设备产生电磁干扰（EMI）的能力。在当今的工业环境中，电子系统的密集部署增加了干扰的风险，使得 EMC 设计成为产品开发中不可或缺的一部分。CST Studio Suite 作为一款强大的电磁场仿真工具，在 EMC 设计中发挥着关键作用。它可以帮助工程师在设计阶段早期预测和解决 EMC 问题，提高效率和产品质量。
CST Studio Suite 概述
软件介绍
CST Studio Suite 是一款全面的三维电磁场仿真软件，广泛用于分析全频谱电磁问题——从低频到高频，从静态场到动态场。它集成了各种模块，涵盖了全方位的电磁仿真，支持电磁组件和系统的设计、分析和优化。
核心功能模块
CST Studio Suite 提供了一系列核心功能模块，以满足不同的电磁仿真需求：
·高频仿真： 用于天线设计、微波设备分析，并利用时域/频域求解器（FIT、FEM）。
·低频仿真： 用于电机、变压器以及 PCB 上的 EMC 干扰分析。
·多物理场耦合： 支持电磁-热耦合、结构-电磁耦合分析。
·系统级协同设计： 集成 Altium 和 Cadence 等 EDA 工具；支持 5G、物联网。
·高级模块： 包括粒子仿真（PIC）、生物电磁建模。
图 1：CST Studio Suite 功能概述
CST 在 EMC 分析中的优势
CST Studio Suite 在 EMC 分析方面具有多项优势：
·高效的大规模仿真： 通过使用带 GPU/MPI 加速的时域求解器实现。
·集成电路与场分析： 支持双向耦合，用于全面的 EMI/ESD 仿真。
·电磁场可视化： CST 提供强大的电磁场可视化工具，有助于诊断和理解噪声源。
·线束分析： 该软件可以精确建模和分析线束，这是常见的 EMC 问题源。
·CAD 兼容性： CST 支持各种 CAD 格式，便于从不同平台无缝导入设计。
·人体模型： 对于医疗电子应用，CST 包含用于生物 EMC 分析的人体模型。
图 2：CST 中的 EMC 可视化工具
CST 在 EMC 设计中的应用
辐射和传导干扰分析
CST 可以对辐射和传导干扰进行详细分析。这包括仿真辐射方向图和增益，以及分析传导发射和抗扰度。典型的工作流程包括建模系统、定义材料、设置仿真、运行分析，然后分析结果。
电磁屏蔽设计
CST 是设计和优化电磁屏蔽解决方案（如外壳或涂层）的宝贵工具。它使工程师能够评估屏蔽设计的有效性。
图 3：电磁屏蔽仿真
耦合和场分布分析
该软件可以仿真不同元件之间的耦合，例如 PCB 走线和元件。它还可以分析内部电磁场分布。
系统级协同仿真
CST 通过与 PCB 设计工具集成，促进系统级 EMC 优化。它还支持根据各种标准（包括 CISPR 和 FCC）进行分析。
图 4：复杂系统中 PCB 的 EMC 仿真
使用 CST 进行 EMC 设计的实用技巧
模型构建与简化
在 CST 中进行有效的建模需要关注关键特征，并在可能的情况下利用对称性和阵列特征。可以在 CST 中直接导入或构建几何结构，并且应用准确的材料属性至关重要。
网格划分策略
选择合适的网格划分策略对于获得准确的仿真结果很重要。六面体网格通常用于低频应用，而四面体网格适用于具有尖锐边界的结构。CST 还支持网格的自适应细化。
求解器选择与设置
求解器的选择取决于具体的分析。时域求解器适用于宽带和快速响应分析，而频域求解器更适合窄带和谐振分析。FIT 求解器常用于微波设备，而 FEM 求解器适用于复杂几何结构。
CST 中的优化设计
CST Optimizer 提供了强大的功能来改进 EMC 设计：
·参数优化： 这允许优化几何形状和材料属性等参数。
·多目标优化： 工程师可以同时优化多个目标，如 S 参数、增益和效率。
·仿真模式： 优化器支持直接仿真和基于模板的后处理。
·自定义优化设置： 用户可以定义自定义设置，包括算法、收敛标准和迭代次数。
图 5：CST 中的多参数优化界面
案例研究
文章介绍了几个案例研究，展示了 CST 在 EMC 设计中的应用：
1.电机控制器 EMC 仿真：本研究涉及使用 SVPWM 波形生成和简化的零序注入方法来提高母线电压利用率。
2.电动汽车 EMC 仿真：本案例强调了线束建模对于电动汽车 EMI/EMS 的重要性，并包括结合轴承模型和电容端口放置的三维轴电压仿真。
3.电机堵转 EMC 仿真：本研究分析了电机堵转（零速）条件下的饱和效应，并根据 GBT 18488.2:2015 评估了非正弦电流和 EMC 性能。
4.电磁屏蔽窗网格设计：本案例涉及在硅基板上设计金属网格，以优化红外透射率和 EMI 屏蔽效能，使用 CST 优化网格周期和线宽。
结论与展望
CST 在 EMC 设计中的价值
CST Studio Suite 通过实现早期问题检测、提供宽带和全频谱仿真功能、支持多物理场耦合、提供强大的优化工具以及辅助符合标准，在 EMC 设计中提供了重要的价值。
未来方向
该领域的未来发展方向包括集成人工智能以实现智能仿真和设计、更复杂的多物理场耦合、增加对云和 HPC 加速的使用，以及更好地与数字化设计工作流程集成。