一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法

摘要

本发明公开了一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，属于构建电磁辐射源的等效模型领域。该建模方法将结构未知的真实辐射源(电子器件/部件等)等效为虚拟的电磁偶极子阵列，利用偶极子模拟屏蔽罩内真实辐射源对其周围元件的电磁耦合。首先利用无屏蔽罩时真实源的辐射电磁场计算偶极子的位置和初始辐射强度(偶极矩)，然后利用有屏蔽罩时真实源的泄露场调整偶极子的辐射强度，最后，将偶极子的位置和最终辐射强度、屏蔽罩带入全波电磁仿真模型中，计算偶极子与周围元件的耦合电压/功率，该耦合电压/功率即为真实源在屏蔽罩存在时对其周围元件的耦合电压/功率。本发明的建模方法解决了传统偶极子方法无法准确预测屏蔽罩内电磁耦合的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及构建电磁辐射源的等效模型领域，尤其涉及一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法。

背景技术

自动驾驶、高性能计算、5G通信、人工智能等，使得已知和未知的高速电子设备全方位渗透入军事、生产与生活。相关电路工作频率不断刷新，其高次谐波已达数百GHz，导致元器件尺寸与电磁波长相比拟，成为意想不到的“天线”。高速电路的电磁辐射干扰问题已日益普遍并愈发严重。面对越来越复杂的电子产品，传统的全波仿真方法无法精确、快速地分析其电磁干扰问题。这是由于全波仿真算法面对结构复杂的多尺度(电路板级-器件级-芯片级)问题，仿真效率十分低下。面对这类问题，近场扫描技术显现出了巨大的优势，它可以在器件结构细节未知的情况下诊断和定位电磁干扰问题。特别地，利用近场扫描的电磁场，可以构建真实、复杂辐射源的简化等效模型(比如结构简单的偶极子阵列)，从而快速量化分析复杂系统中电磁干扰问题。

为了减小有害电磁辐射，辐射源通常放置于屏蔽罩内。传统等效偶极子通过扫描真实辐射源在屏蔽罩不存在时的电磁场获得，当放入屏蔽罩后，由于屏蔽罩内的电磁反射作用，导致偶极子计算得到的屏蔽罩内电磁场与真实辐射源的电磁场的误差较大。

发明内容

为了克服现有屏蔽罩内电子器件的辐射源建模误差大的问题，本发明提供一种两步法的辐射源建模方法，关键点通过测试辐射源在屏蔽罩外部的泄露场来调整虚拟偶极子的偶极矩，从而提高屏蔽罩内辐射源建模的精度。

本发明的技术内容如下：

一种屏蔽罩内电子器件的辐射源建模方法，包括：

将屏蔽罩内电子器件的辐射源等效为虚拟的电磁偶极子阵列，基于偶极子辐射场构建等效模型；

利用无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场，计算得到偶极子的位置和初始偶极矩；

固定偶极子的位置和数量，利用有屏蔽罩时真实辐射源的泄露场，调整屏蔽罩内偶极子模型的初始偶极矩，得到偶极子的最终偶极矩；

将偶极子的位置、最终偶极矩、屏蔽罩带入全波电磁仿真模型中，计算偶极子阵列与屏蔽罩内外元件的耦合电压或功率，所述的耦合电压/功率即为真实辐射源在屏蔽罩存在时对其周围元件的耦合电压或功率。

本发明用虚拟偶极子代替真实辐射源(结构未知的电路器件)，并分两步分别计算得到虚拟偶极子的位置和偶极矩(偶极子的辐射强度)信息。

第一步，扫描无屏蔽罩或屏蔽罩打开状态时真实辐射源的真实辐射电磁场，将真实辐射电磁场作为所述的等效模型中的等效辐射电磁场，反推与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩。

具体的，通过差分进化等优化算法调整电磁偶极子阵列的等效模型中偶极子的位置和偶极矩，从而得到与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩。这个时候的偶极矩是在无屏蔽盖、自由空间情况下得到的，其辐射场与真实辐射源的场在无屏蔽罩、自由空间时的一样。但是，当偶极子放入屏蔽罩内后，其辐射场与真实辐射源的场有较大误差。这是因为偶极子模型是“透明”的，即其只能辐射电磁场而不能反射电磁场。屏蔽罩内存在多次反射的电磁波，这些电磁波将“穿透”偶极子，但这些电磁波将被真实辐射源反射。

第二步，根据所述的偶极子的位置和初始偶极矩，建立虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型，所述的虚拟屏蔽罩与真实屏蔽罩形状、大小相同；扫描有屏蔽罩时真实辐射源的真实外部泄露场，将真实外部泄露场作为虚拟屏蔽罩+偶极子阵列的仿真模型的仿真外部泄露场，反推虚拟偶极子的最终偶极矩。

具体的，观察发现，真实辐射源在通过屏蔽罩孔缝的泄露场与其屏蔽罩内部的辐射场有很大的相关性。工程上探头无法深入屏蔽罩内部测试真实辐射源的辐射场，但屏蔽罩外部的泄露场可以通过探头扫描测得。另一方面，通过建立屏蔽罩+偶极子的仿真模型，通过优化算法调整第一步里得到的偶极子的位置和初步的偶极矩，使得偶极子仿真出来的泄露场和真实源在屏蔽罩外部非泄露场一样。这样就保证了偶极子和真实源源在屏蔽罩内部的场的吻合度。换句话说，加上屏蔽罩后，通过进一步调整偶极子的偶极矩来模拟偶极子对屏蔽罩内电磁波的反射，得到偶极子最终的偶极矩。在这一步中，偶极子的位置和数目保持和第一步中的一样。需要说明的是，第二步中，测量真实源泄露场和仿真屏蔽罩+偶极子模型时，只要求两者中的屏蔽罩类似，但屏蔽罩可以和实际场景中的屏蔽罩在形状、大小等方面不一样，比如只保留原屏蔽罩的顶盖、去掉其四壁(对于扁平屏蔽罩而言)，或者在原屏蔽罩不同位置开孔方便测量泄露场，等等，只要保留原屏蔽罩主体即可。这样一来，使得本方法具有更好的通用性，即在调整偶极矩时，形状、大小等类似的原屏蔽罩可以用一个近似的屏蔽罩来代替。

在得到偶极子最终的偶极矩后，将偶极子的位置和偶极矩信息带入全波电磁仿真中，计算偶极子与周围元件的耦合电压/功率，该耦合电压/功率即为真实辐射源对其周围元件的耦合电压/功率。

因屏蔽罩通常含有孔缝，本发明通过测量屏蔽罩存在时真实辐射源的外部泄露场，从而调整偶极子的偶极矩，最终提高了屏蔽罩内用偶极子预测真实辐射源辐射场和耦合电压的精度。由于偶极子结构简单、辐射场具有解析公式，用偶极子代替真实辐射源大大提高了计算效率。

附图说明

图1是屏蔽盖打开时辐射源、受扰体的实物摆放图。

图2是屏蔽盖闭合时辐射源耦合到受扰体的耦合功率值。

图3是屏蔽盖闭合时测试真实辐射源的泄露场实验配置。

图4是屏蔽盖及其辐射源、受扰体的仿真模型。

图5是有屏蔽盖时，贴片天线(实际辐射源)(c)、偶极矩修正前(a)和修正后(b)的偶极子分别在屏蔽罩内产生的总电场分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和一个实测例子对本发明做进一步的说明。

根据电磁等效原理，如果两种不同性质的源能够在所研究的区域内产生相同的电磁场，则称这两种源在这个区域内是等效的。基于此，真实辐射源可以用虚拟的电磁偶极子等效。位于坐标原点、沿z方向的电偶极子的辐射场为：

类似地，位于坐标原点、沿z方向的磁偶极子的辐射场为：

公式(1)和(2)中，其中，IΔl和I

扫描无屏蔽罩时真实辐射源的辐射电磁场。根据等效原理，认为这些辐射场是由虚拟偶极子辐射的。偶极子的数目给定，但其位置和偶极矩为待求量。通过公式(1)和(2)，可以得到如下线性方程组：

AM＝EH (3)

其中，A表示场和源之间的转换矩阵，其值由公式(1)-(2)计算得到，M表示偶极子的偶极矩列向量(可以是电偶极子、磁偶极子或者两者的组合)，EH表示扫描得到的电磁场列向量(可以是电场、磁场或者两者的组合)，EH包含相位信息(比如扫描场是由网络分析仪测量得到的)。当EH不包含相位信息时(比如扫描场是由频谱仪测量得到的)，线性方程组(3)变为非线性方程组(4)：

|AM|＝|EH| (4)

其中，||表示取幅度运算。

本发明中，用虚拟偶极子代替真实辐射源，并分两步分别计算得到虚拟偶极子的位置和偶极矩(偶极子的辐射强度)信息。

第一步，扫描屏蔽罩打开时真实辐射源的辐射电磁场，通过优化算法反推与真实辐射源对应的虚拟电磁偶极子的位置和初步的偶极矩(改变A和M)，使得方程组(3)或者(4)左右相等。

图1给出了一个屏蔽罩打开图，其底部铺上铜箔防止底部泄露，其中间放置一个结构未知的芯片，作为辐射源；左边放置一个小的单极子天线作为受扰体。首先，用近场探头扫描不加屏蔽罩上盖(如图1所示的屏蔽罩打开情况)时辐射源的辐射场，用20dBm的信号源激励辐射源，扫描面距离辐射源2mm。本实施例中，测试了辐射场的E

然后采用差分进化算法(Differential Evolution Algorithm，DE)求解方程组(4)得到偶极子的位置和初步偶极矩。本实施例中，选取z方向的电偶极子、x方向的磁偶极子和y方向的磁偶极子若干，作为未知芯片的等效源。

将得到的偶极子、屏蔽罩、受扰体一起进行全波电磁仿真，计算得到偶极子耦合到受扰体上的耦合功率。本实施例计算了9GHz和14.9GHz两个频点的耦合功率，其数值如图2中圆点所示。图2中的参考值指屏蔽罩存在时，用20dBm的信号源激励辐射源，用频谱仪连接受扰体测得的受扰体接受的耦合功率。从图2可见，偶极矩修正之前偶极子预测的耦合功率误差较大。

第二步，扫描屏蔽罩闭合后真实辐射源的外部泄露场，通过优化算法反推虚拟偶极子的最终偶极矩。

图3显示的是加上屏蔽罩上盖后(屏蔽上盖有两个洞)，用近场探头测试真实辐射源通过这两个洞的泄露场，泄露场距离屏蔽罩上盖1mm。其中，探头和辐射源分别接到频谱仪和信号源，再通过探头的校准因子并考虑线缆的损耗，最后将频谱仪的度数转化为泄露场的E

将第一步得到的偶极子和屏蔽罩一起进行全波仿真，计算偶极子的泄露场E

接下来，通过一个仿真例子说明本发明修正偶极矩的方法可以提高偶极子和真实源源在屏蔽罩内部的场的吻合度。图4为本实施例建立的仿真模型，其中长方体屏蔽罩厚度为1mm，放置在PCB板上，屏蔽罩四壁距离PCB表面有0.2mm的缝隙。屏蔽罩内的辐射源为一个贴片天线。图5(a)和(b)分别是偶极矩修正前和修正后的偶极子在屏蔽罩内产生的总电场分布图，图5(c)是贴片天线在屏蔽罩内产生的总电场分布图。从图中可以看出，偶极矩修正后，偶极子产生的的电场图亮斑与贴片天线产生的电场图亮斑更吻合。从而说明本发明所提方法能够提高屏蔽罩内耦合功率计算精度的原因。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。