作者 | Zhou Ming

 

以太網(wǎng)（ Ethernet ）是應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)通訊接口之一，在計(jì)算機(jī)設(shè)備、交換機(jī)、路由器、消費(fèi)類電子產(chǎn)品上有大量的應(yīng)用。以太網(wǎng)口的RE問題一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，很容易導(dǎo)致EMC測(cè)試超標(biāo)，EMC工程師需要花費(fèi)大量的時(shí)間去定位和整改。通過CST電磁仿真，工程師可以搞清楚網(wǎng)口RE問題產(chǎn)生的機(jī)理，在設(shè)計(jì)階段對(duì)RE結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)估，即使出現(xiàn)了測(cè)試問題也能快速地找到解決辦法。

 

 

 

系統(tǒng)級(jí)仿真方法的選擇

以太網(wǎng)口RE仿真屬于系統(tǒng)級(jí)仿真，在建模時(shí)需要考慮復(fù)雜的PCB、結(jié)構(gòu)、cable、測(cè)試場(chǎng)地、電場(chǎng)接收探針等關(guān)鍵因素。為了解決系統(tǒng)級(jí)EMC仿真難題，從2023版本開始，CST推出了3D combined功能，可以把3D模型和cable模型放在一起計(jì)算S參數(shù)，然后在電路中進(jìn)行combine。這種方法完美的解決了長(zhǎng)激勵(lì)信號(hào)仿真慢的問題，非常適合系統(tǒng)級(jí)EMC仿真，進(jìn)一步提升了CST的EMC仿真優(yōu)勢(shì)。

 

 

基于3D combined功能，客戶可以選擇兩種系統(tǒng)級(jí)RE仿真方法。

 

方法一，“PCB+結(jié)構(gòu)+cable工作室建?！? 3D Combine方法，如下圖所示。這種方法把PCB、結(jié)構(gòu)、cable模型放在一起建模，cable模型與PCB之間通過“Connect to 3D”實(shí)現(xiàn)連接，利用時(shí)域T求解器計(jì)算完整的S參數(shù)矩陣，然后在Schematic中進(jìn)行3D Combine，得到遠(yuǎn)場(chǎng)RE結(jié)果。

 

 

 

方法二，“PCB+結(jié)構(gòu)”提取S參數(shù)+“cable工作室”提取S參數(shù)+ 3D Combine方法，如下圖所示。這種方法先把“PCB+結(jié)構(gòu)”單獨(dú)計(jì)算S參數(shù)，再單獨(dú)計(jì)算cable的S參數(shù)，然后在Schematic中進(jìn)行3D Combine，得到遠(yuǎn)場(chǎng)RE結(jié)果。

 

 

本案例中我們重點(diǎn)介紹第二種方法。

 

網(wǎng)口隔離變壓器的建模

網(wǎng)口的隔離變壓器對(duì)共模噪聲能起到很好的隔離作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，3D建模難度太大，可以利用網(wǎng)分測(cè)試變壓器的S參數(shù)，用來替代真實(shí)的變壓器。

 

 

 

通過仿真我們可以看到網(wǎng)口隔離變壓器在125M的差模插損是-0.78dB，共模插損是-26.9dB。

 

 

 

利用cable工作室創(chuàng)建網(wǎng)線模型

根據(jù)網(wǎng)上查到的CAT6網(wǎng)線規(guī)格，在cable工作室中輸入銅線直徑、絕緣層厚度、線纜直徑等參數(shù)，完成以太網(wǎng)線的建模。

 

 

 

 

網(wǎng)口RJ45連接器的建模

網(wǎng)口RJ45由插頭和插座組成，這部分模型最好聯(lián)系生產(chǎn)廠家提供3D模型，這樣既能確保模型精度，也能降低建模的難度。

 

 

創(chuàng)建好的RJ45連接器與PCB組裝到一起，這樣就完成了PCB和結(jié)構(gòu)部分的建模。

 

 

創(chuàng)建RE測(cè)試場(chǎng)景模型

RE測(cè)試的場(chǎng)地是半電波暗室，是在電磁屏蔽室的基礎(chǔ)上，在墻面及天花板上貼裝吸波材料，地面為理想的反射面，從而模擬開闊場(chǎng)地的測(cè)試條件。為了模擬半電波暗室，地面設(shè)置為電邊界，其他為Open邊界。測(cè)試設(shè)備（EUT）和輔助設(shè)備（AE）的布置要與實(shí)際保持一致，cable的長(zhǎng)度和布置也要與實(shí)際一致。

 

為了模擬接收天線和轉(zhuǎn)臺(tái)，需要在周圍3m遠(yuǎn)的位置設(shè)置E-probe，如下圖所示。

 

 

創(chuàng)建系統(tǒng)級(jí)電路模型

切換到電路工作室，導(dǎo)入PCB的S參數(shù)模型，在電路中把PCB和cable連接到一起，Simulation mode選擇3D combined，如下圖所示。

 

 

 

創(chuàng)建Simulation task，可以選擇Trans或者AC。Trans的激勵(lì)源是時(shí)域信號(hào)，可以導(dǎo)入實(shí)測(cè)的共模信號(hào)波形，或者對(duì)某一固定頻率信號(hào)（例如125M、250M等）做精確的RE量化評(píng)估；AC的激勵(lì)源是頻域信號(hào)，適合于分析整個(gè)系統(tǒng)的諧振情況。

 

 

 

我們選擇AC task，共模激勵(lì)源設(shè)置為2mV，勾選上Combine Results。點(diǎn)擊update，開始計(jì)算。

 

 

 

 

仿真結(jié)果分析

 

 

以千兆網(wǎng)口為例，時(shí)鐘頻率是125MHz，通常RE超標(biāo)的頻點(diǎn)是125MHz及其倍頻（250M、375M、500M等），因此在這些頻點(diǎn)上如果出現(xiàn)諧振，是非常容易導(dǎo)致RE測(cè)試fail。導(dǎo)致出現(xiàn)諧振的原因主要是PCB、結(jié)構(gòu)和cable，感興趣的小伙伴還可以修改模型的尺寸，觀察諧振點(diǎn)的變化，對(duì)于我們學(xué)習(xí)RE輻射機(jī)理是非常有幫助的。

 

案例的最后，以下幾個(gè)問題留給大家思考：

l網(wǎng)口RE輻射為什么以共模為主？

l網(wǎng)口RE輻射的共模路徑是什么？

l哪些因素可能會(huì)影響共模輻射的結(jié)果？

l網(wǎng)口隔離變壓器模型如何建模？

l如何測(cè)試網(wǎng)口差分線的共模噪聲大??？

l選擇什么樣的系統(tǒng)級(jí)仿真方法？

l屏蔽網(wǎng)線如何建模？

 

（內(nèi)容、圖片來源：CST仿真專家之路公眾號(hào)，侵刪）

 

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