使用CST Studio建模和仿真构建虚拟混响测试室 （MODSIM）

在这篇博文中，我们演示了如何在 SIMULIA CST Studio Suite 中对混响室进行建模和仿真。

电子设备需要经过认证，符合电磁兼容性 （EMC） 标准，以确保它们不会对其他设备造成干扰并承受外部干扰。仿真越来越多地用于评估设计期间的 EMC 性能，并通过虚拟测试复制认证。这需要被测设备 （DUT） 及其周围的虚拟孪生，以准确表示测试设置。

混响室是测试设备对外部电磁场敏感性的关键设备。混响室的壁和搅拌器反射电磁波，并将其分布到统计上均匀的场中，使设备受到来自各个方向的干扰。在这篇博文中，我们演示了如何在SIMULIA  CST Studio 套房.

模拟混响室使测试工程师能够设计适当的暗室设置，并为其 DUT 找到最佳配置。虚拟测试室还允许设计人员在开发的最早阶段分析敏感性，并在承诺构建原型之前解决任何问题。这节省了开发时间，并降低了返工和构建物理原型的成本，帮助制造商更快地将产品推向市场。

背景：什么是 EMC 仿真？

对于任何要销售的产品，制造商必须能够证明符合 EMC 标准。需要满足许多 EMC 标准，这些标准在不同的国家/地区和市场有所不同。确保商品符合所有相关标准可能需要进行大量测试。仿真通过多种方式减少了与 EMC 测试相关的时间和成本：

• 传统上在产品开发过程中执行的许多物理测试都可以被虚拟测试所取代。可以快速进行模拟，无需构建物理原型。

• 仿真可以在开发早期、设计锁定之前发现 EMC 问题。如果发现问题，可以通过减少返工快速解决。

• 监管机构越来越接受仿真结果作为用于支持认证过程的数据的一部分。这减少了所需的物理测试次数。

EMC 注意事项大致可分为几组。特别重要的是区分发射 - 设备产生的电磁场和电流引起的潜在干扰 - 和敏感性 - 设备对来自其他设备/源的干扰的脆弱性。这些可以进一步分为辐射和传导，具体取决于进出设备的干扰路径。这些都需要不同的测试设置。对于辐射敏感度，测试实验室通常采用混响室的形式。

什么是混响室？

混响室由一个屏蔽室组成，其墙壁在相关频率下会反射。混响室内部是一个发射天线，用于产生电磁场。该腔室充当谐振腔，导致磁场分布在整个测试室中。该腔室还将包括一个搅拌器——一个不规则的金属表面，旨在防止驻波和模式的形成，确保均匀性并创建一个一致的随机场，称为统计均匀场。

混响室的照片，包括天线（前景）和搅拌器（背景）。图片：Manuamador/Wikimedia Commons， CC-BY-SA

撞击 DUT 的统计均匀场复制了现实世界的干扰场景，包括人工干扰场景（例如 Wi-Fi 或蜂窝网络）和自然干扰场景 - 闪电和其他环境电磁效应 （E3）。

混响室的性能受到场的均匀性和最低可用频率 （LUF） 的限制——通常，混响室越小，LUF 就越高，从而限制了它的实用性。测试暗室工程师旨在优化天线和搅拌器的放置和设计，以便在很宽的频率范围内产生均匀的磁场，同时保持紧凑的占地面积，以最大限度地降低施工成本和空间使用。

MODSIM 在混响室设计中的优势

集成建模和仿真 （MODSIM）允许测试暗室工程师计算暗室中每个频率下每个点的磁场，而无需进行一次测量。可以在设计阶段、施工开始之前分析磁场均匀性和 LUF，从而降低以后出现问题的风险。

混响室有许多重要的设计参数。这些因素包括房间的尺寸、搅拌器的几何形状以及搅拌器和天线的位置。IEC 41000-6-21 等标准规定了许多不同的搅拌器位置 - 在 200 – 3000 MHz 的频率范围内，需要 50 个指定的搅拌器位置。自动参数扫描或优化可以找到满足设计要求的值组合，并帮助设计人员最大限度地减少搅拌器的占用空间（或所需的搅拌器数量）和腔室的总体积。

典型混响室的仿真模型。天线和搅拌器被建模为完美电导体 （PEC）。

混响室建模和仿真的工作流程

详细的腔室模型

上面显示的混响室是在 SIMULIA CST Studio Suite 中设计和优化的。这是一款行业领先的电磁仿真工具，包括许多针对 EMC 仿真的特定要求量身定制的工作流程和功能。有几种求解器，适用于仿真的不同方面。CST Studio Suite 包括一个强大的 3D TLM 求解器，适用于许多 EMC 应用。TLM 求解器支持八叉树网格划分，这可以显著降低空白空间中的网格单元密度。这降低了模拟腔室空白空间的计算要求，同时仍能捕获几何结构的关键小细节，例如外壳中的异纹、PCB 细节等。

TLM 用于混响室的一个缺点是它是一种时域方法，高 Q 值混响室可能需要许多微秒才能损失能量。这意味着精确计算场可能需要相对较长的仿真时间。在这种情况下，Frequency Domain 求解器（F 求解器）可能更合适。它使用自适应四面体单元对几何进行网格剖分，并计算每个指定频率点的场，以覆盖所需的频率范围。

腔室的 FEM 网格图片

如上所示的混响室的模拟场均匀性，显示了 X、Y 和 Z 维度的总标准偏差和标准偏差，以及 IEC 标准规定的限值。

一旦混响室完成设计和建模，就可以使用了。对于产品的虚拟测试，测试室的精确几何形状通常无关紧要 - 已经证明混响室会产生统计均匀场。

基于平面波叠加的暗室模型

为了加速虚拟测试，我们在 CST Studio Suite 中开发了平面波叠加工具。这会产生一组具有随机相位和极化的平面波激励，并使用它们来模拟工作体积中的电场和磁场。

蒙特卡洛方法用于迭代随机波集，以确保得到的峰场满足 IEC 标准的均匀性要求。

为了说明平面波叠加方法的优势，我们使用 TLM 求解器对无线路由器进行了 EMC 测试仿真。我们不需要模拟整个腔室，而只需要模拟 1 立方米的工作体积。尽管仿真的频率范围很广（100 MHz 至 7.25 GHz），但我们还是能够有效地仿真路由器的 EMC 性能。仿真揭示了通过外壳接缝的耦合路径，工程师可以重新设计这些路径以降低辐射敏感性，而无需构建和测试物理原型。

叠加平面波的场源

在暗室中的 157,464 个点处测得的模拟场强。场分布非常接近正态分布。

结论

混响室广泛用于 EMC 测试，以产生均匀的磁场，以分析对干扰的敏感性。虚拟 EMC 测试可以减少和取代物理测试，这可以缩短分析时间并降低成本，并允许设计人员在开发的任何阶段分析 EMC，从而降低风险。虚拟混响室可以全 3D 构建，也可以使用叠加平面波进行复制。这两种方法都允许工程师使用虚拟孪生测试其产品的 EMC 性能。