CST EMC仿真 | CST解释辐射抗扰度测试的实质

引言

辐射抗扰度测试实质上是与辐射发射测试相反的一个测试过程。在PCB中，信号从源驱动端出发，传输到负载端，再从负载端将信号回流传回至源端，形成信号电流的闭环，即每个信号的传送都包含着一个环路。当外界的电磁场穿过此环路时，就会在这个环路中产生感应电压。本文用CST去仿真验证辐射抗扰度生成的这个电压跟计算结果是否一致。

辐射抗扰度测试的本质

• 辐射发射测试：测量设备/PCB本身产生并辐射出去的电磁骚扰强度，确保其不超过限值，避免干扰其他设备。

• 辐射抗扰度测试：将设备/PCB暴露在外部模拟的强电磁场中，检验其在这种骚扰环境下能否维持正常工作性能（不出现功能丧失、性能下降或数据错误）。

PCB中信号电流的环路特性

信号从源驱动端出发，传输到负载端，再从负载端将信号回流传回至源端，形成信号电流的闭环”。这是电路工作的基本原理（电流必须形成闭合回路）。

这个环路可以是：

（1）明确的导线（如信号线和紧邻的专用回流地线）。

（2）信号线和参考平面（如地平面或电源平面）之间的路径。

（3）布局不良时，信号线和迂回曲折的、高阻抗的地路径形成的较大环路。

回路在磁场中的感应电压如何计算

如图，单匝回路中对通过其磁场的感应电压计算公式为

如果面积S环路的感应处的瞬态电压为U，那么：

上面两式，可以求出

其中，U为感应电压(V);H为磁场强度(A/m);B为感应强度(T);μ0为自由空间磁导率，它等于4πX10^-7 H/m;S为回路面积(m^2)。

当平面波穿过回路的时候，回路中也会产生感应电压，其计算公式为：

式中，U为感应电压(V);S为回路面积(m^2);E为电场强度(V/m);F为电场的频率（MHz）

CST仿真验证

举个例子：

存在一个面积为20cm^2的回路，该回路在电场强度为30V/m的电磁场中进行辐射抗扰度测试。

（1）通过计算该回路在各个频率点产生的感应电压U

（2）通过CST仿真仿真该回路在各个频率点产生的感应电压U

最终对比计算和仿真的结果是否一致。

CST仿真明细：

（1）激励源为平面波，电场强度为30V/m

（2）回路面积5cmX4cm

（3）仿真频率是0~200MHz

仿真建模如下，中间加一个离散端口测感应电压：

平面波的磁场方向，也就是H轴要垂直于回路。

计算我们用后处理就行了

最后得出计算感应电压值和仿真的感应电压值，其结果几乎一致，如图：

本文总结

本文通过CST仿真得到的回路在电磁场中感应电压和理论公式计算的感应电压值相吻合，从而验证了CST在电磁仿真的准确性和优越性。另外展示了回路在电磁场中产生的感应电压如何计算。解释了辐射抗扰度测试的本质。

其实辐射抗扰度测试的核心挑战就在于，PCB上无处不在的信号电流环路会像小天线一样“接收”外部电磁场的能量（主要是磁场分量），并通过电磁感应在环路内部生成干扰电压/电流。最小化关键信号环路的面积是PCB设计层面提高辐射抗扰度最根本、最有效的策略。测试的目的就是验证在实际可能遇到的电磁环境中，这些环路感应产生的干扰不会导致设备失效。