5G時代背景下，各行各業(yè)都面臨創(chuàng)新升級，無疑需要借助5G高速航道彎道超車，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的巨大成功。智慧系列場景，物聯(lián)網(wǎng)，AI、自動駕駛、大數(shù)據(jù)運算等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得電子設(shè)備的形式多樣，數(shù)量眾多，全頻帶覆蓋，電磁環(huán)境急劇惡化，隨之帶來的挑戰(zhàn)就是要在如此復(fù)雜而惡劣的電磁環(huán)境之下，設(shè)計出依然滿足電磁兼容性EMC認證要求的高性能產(chǎn)品。因此，EMC設(shè)計是當今復(fù)雜電子產(chǎn)品設(shè)計中極其重要的一環(huán)。

　　什么是EMC?

　　EMC 是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力，也就是我們常說的電磁兼容；該定義包含兩層含義，即該設(shè)備應(yīng)具備一定的電磁抗擾能力（EMS）,并且自身產(chǎn)生的電磁騷擾不能對其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生過大的影響，即電磁騷擾能力( EMI)。這種能力，是整個電子系統(tǒng)的內(nèi)部及外部表現(xiàn)，可以稱得上既要能做到安內(nèi)，也要能做到抵外。各行業(yè)有其對應(yīng)的EMC認證標準，如何通過相關(guān)電磁兼容性認證幾乎是所有帶電產(chǎn)品需要面臨的問題。

　　通常我們理解一個EMC問題是從其關(guān)鍵三要素出發(fā)：干擾源、傳播路徑、受擾體。

　　對于傳統(tǒng)的測試來說，當在EMC實驗室或者暗室測試發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不滿足相應(yīng)EMC認證要求時，或者發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)中存在被干擾的受擾體時，想要解決這類問題，也是從這三要素去思考解決辦法：

　　降低干擾源強度：干擾的源頭在哪里？一般電子設(shè)備干擾源是時鐘芯片，開關(guān)器件，高速芯片，電源，汽車機電電力系統(tǒng)中還有火花塞、電機、電磁閥、繼電器等。我們思考的問題是有沒有辦法去降低這些干擾源的干擾強度？如果有，通常是降低驅(qū)動能力，降低開關(guān)頻率，降低功率等，以犧牲一定的電性能來提升EMC兼容性。

　　優(yōu)化傳播路徑：噪聲的傳播路徑在哪里？當降低噪聲源強度有難度或者不能很好地去滿足EMC性能時，這時可以選擇從傳播路徑上進行設(shè)計優(yōu)化，分析噪聲的傳播路徑在哪里？怎么去阻止噪聲的傳播，而通常傳播路徑主要分兩種：

　　傳導(dǎo)路徑：如電源導(dǎo)線、信號導(dǎo)線、接地系統(tǒng)、線纜、PCB走線、連接器等，這種途徑通常采用的是電路的濾波處理，將諧波噪聲濾除

　　輻射路徑：主要是電路板的輻射、線纜的輻射、殼體縫隙的輻射、電磁場近場耦合等，通常采用屏蔽接地、貼吸波材料等

　　保護受擾體：發(fā)現(xiàn)被干擾的對象之后，有時從電路層面上保護受擾對像，如濾波，鉗位等，有時從空間電磁場層面保護受擾對象，如隔離、屏蔽接地等。

　　EMC之于產(chǎn)品設(shè)計

　　傳統(tǒng)的EMC設(shè)計通常是產(chǎn)品做出來之后測試，發(fā)現(xiàn)問題再去解決問題，分析思路雖然有了，但是，當我們面臨一個龐大而復(fù)雜的電子系統(tǒng)時，要去找到干擾源或者阻止傳播路徑不是一件容易的事情，因為噪聲源可能有幾個甚至幾十個，傳播路徑更是相當復(fù)雜，即有傳導(dǎo)又有輻射，你會很難通過后期的調(diào)試去解決所有的問題。

　　EMC設(shè)計直接關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性、安全性、可靠性等，是產(chǎn)品設(shè)計過程中，必須邁過去的一道坎。有什么方式可以在前期設(shè)計階段就解決這類EMC設(shè)計問題嗎？答案就是借助先進的仿真技術(shù)。

　　利用計算機軟件虛擬仿真技術(shù)完成對產(chǎn)品的研發(fā)及更新迭代，這已經(jīng)是當今高科技企業(yè)普遍采取的技術(shù)手段。電磁兼容問題，也可以利用仿真技術(shù)完成虛擬分析和優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計的前期、中期，以及到產(chǎn)品的調(diào)試階段，都可以利用仿真技術(shù)，輔助我們完成復(fù)雜設(shè)備，復(fù)雜環(huán)境的多種多樣的電磁兼容問題。

　　EMC仿真的藝術(shù)性與工程性

　　EMC仿真分析，像是一個藝術(shù)創(chuàng)作的過程，因為不同的工程師，對產(chǎn)品系統(tǒng)的認知程度不同、對EMC仿真思路不同、對軟件功能認識不同，建立的模型也會不同。因而仿真的結(jié)果也不一樣，這是EMC仿真工作的藝術(shù)特性，有著仁者見仁智者見智的意思。

　　但它又不僅僅是一門藝術(shù)，因為即使不同的工程師建立不同的模型，仿真得出不同的結(jié)果，只要正確掌握了仿真技術(shù)以及EMC有關(guān)的理論和設(shè)計思路，依然能夠仿真分析得出對產(chǎn)品的EMC性能提升非常有價值的優(yōu)化指導(dǎo)，或者整改措施，從而體現(xiàn)EMC仿真的工程性。

　　此外，EMC仿真又跟天線、電機、高速信號完整性等領(lǐng)域的仿真技術(shù)有所不同。這些領(lǐng)域追求的是與測試結(jié)果的一致性，正確反映產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀。而面對復(fù)雜系統(tǒng)的整機EMC仿真，例如產(chǎn)品包含機殼、各種數(shù)字處理板，射頻電路，電源電路板，線纜線束以及各種連接器、結(jié)構(gòu)件等，這時候EMC仿真的真正目的，并非是獲得與EMC測試結(jié)果或者現(xiàn)象非常一致的仿真結(jié)果，而是應(yīng)該以盡可能簡單的模型反映產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計因素，從而在最短的計算時間內(nèi)獲得對產(chǎn)品EMC性能有益的優(yōu)化設(shè)計或整改措施。

　　EMC仿真沒有想象那么難

　　有時候我們并不一定能夠獲取系統(tǒng)當中的某些電子部件模型/數(shù)據(jù)用于建模仿真，甚至大多數(shù)都獲取不到，但是，因為我們追求的目標并非是要與測試結(jié)果保持一致，而是解決/優(yōu)化EMC問題，所以某些部件模型的準確數(shù)據(jù)并不會顯得那么重要，可以利用替代模型甚至可以不用。

　　例如：一個電路板上電源芯片對模擬電路存在干擾，我們可能無法獲得這些外購的DC/DC噪聲器件模型及其輸出噪聲，但我們可以考慮從傳播路徑的角度來優(yōu)化這些噪聲器件對敏感電路的干擾問題，優(yōu)化電路板設(shè)計，包含器件的布局與布線。用軟件數(shù)值運算技術(shù)，幫我們定量計算復(fù)雜的PCB噪聲耦合，從仿真結(jié)果中可以找到優(yōu)化改善干擾問題的辦法與措施。

　　又或者整機輻射發(fā)射超標問題，如果是外殼通風口電磁泄露導(dǎo)致的，無需建立內(nèi)部各種噪聲源模型，完全可以單獨對機殼進行建模分析，優(yōu)化通風孔設(shè)計策略，從而達到滿足EMC性能指標的目的，當然你也可以對內(nèi)部噪聲源進行建模優(yōu)化分析，同樣可以起到提升整機EMC性能，這是EMC仿真的特殊性，也是它的藝術(shù)性。

　　面對一個復(fù)雜電子系統(tǒng)， EMC仿真究竟該如何去做？最好是能在產(chǎn)品研發(fā)前期，采用逐一攻破的策略進行建模仿真，將復(fù)雜系統(tǒng)問題簡單化，主要可以分為以下幾個主要部分：

　　PCB的EMC分析

　　隔離度，電源濾波，輻射，傳導(dǎo)、時鐘干擾，ESD，接地、高速串擾等

　　線纜的EMC分析

　　布局、輻射、捆扎耦合，接地等

　　機殼的EMC分析

　　屏蔽效能、諧振分布、器件部件、電磁泄露等

　　接地系統(tǒng)EMC分析

　　接地阻抗、共地阻抗、接地噪聲等

　　整機系統(tǒng)的EMC分析

　　輻射發(fā)射，輻射抗擾等

　　環(huán)境級EMC分析

　　RFI, 天線共址，收發(fā)靈敏度等

　　一般最后再考慮做整機系統(tǒng)的EMC仿真，這樣拆分的好處是建模簡單，問題好定位，優(yōu)化措施有針對性，建模仿真效率高，從概念設(shè)計到后期產(chǎn)品調(diào)試都可以進行模型的建立與分析，最重要的還是在產(chǎn)品的EDA/CAD開發(fā)階段，這時候可選的優(yōu)化設(shè)計措施會更多，模型數(shù)據(jù)會更充分。

　　通用的EMC仿真體系架構(gòu)

　　如前所述，EMC仿真與一般的復(fù)現(xiàn)性仿真不同，因此，相對而言，EMC仿真涉及面更廣，挑戰(zhàn)也更大。好在現(xiàn)代仿真技術(shù)經(jīng)過幾十年突飛猛進的發(fā)展，已經(jīng)到了比較成熟的階段，可以解決大部分的問題。

　　下圖是ANSYS基本的場路協(xié)同仿真配置框圖，各個模塊各司其職，相互配合，以場路協(xié)同的核心思路建立各種部件及系統(tǒng)的模型，包括電路、電磁場，從而獲得相應(yīng)的傳導(dǎo)/輻射仿真結(jié)果。配合選項模塊，如參數(shù)掃描、自動優(yōu)化，高性能計算等功能，可以極大提升EMC仿真的計算效率，優(yōu)化效率，從而提高工作效率，縮短研發(fā)周期。

　　ANSYS場路協(xié)同的仿真框架

　　ANSYS的仿真體系架構(gòu)提供了從芯片、封裝、磁性器件、機電系統(tǒng)、PCB系統(tǒng)、整機/整車系統(tǒng)到環(huán)境級系統(tǒng)的建模能力，不同客戶關(guān)注的不同EMC問題都能在這里找到對應(yīng)的解決方案，同時具備電磁、流體、結(jié)構(gòu)多物理場耦合仿真能力，是全面而強大的體系架構(gòu)。

　　ANSYS完整的EMC建模能力一覽

　　常見EMC問題案例分析

　　EMC仿真的案例不勝枚舉，以下是幾個比較常見的EMC仿真應(yīng)用示例。

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　　電路板的電磁輻射

　　電路板是電子系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，在產(chǎn)品EMC性能中有著舉足輕重的地位，而且也是主要的噪聲源之一，當電路板開關(guān)器件工作，高速信號傳輸，電源波動時就可能造成電路板的對外電磁輻射，這些輻射能量耦合到機殼縫隙、通風口、線纜線束上時就很可能造成整機輻射發(fā)射指標超標問題，首先想到的優(yōu)化思路就是對PCB這個噪聲源進行噪聲抑制，影響PCB電路系統(tǒng)EMI性能的因素有很多，所以不同的工程師設(shè)計的電路板的EMC性能也表現(xiàn)不一，這里面包括：

　　關(guān)鍵芯片/器件的布局

　　疊層的設(shè)計

　　電容擺放策略/容值選擇、

　　高速信號布線

　　電源/地的布線

　　電源地過孔的設(shè)計

　　材料及工藝選擇

　　其他……

　　完成一個良好的PCB必須要考慮到信號完整性、電源完整性以及電磁兼容性問題，通過SIwave可以快速建立整板PCB模型，進行各項有關(guān)于SI/PI/EMC性能的功能仿真分析，以及自動優(yōu)化分析工具，可以方便定位PCB的噪聲，抑制噪聲強度、提升產(chǎn)品EMC性能。

　　PCB輻射優(yōu)化前后對比-近場遠場

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　　電路板的EMC規(guī)則檢查

　　在進行PCB的EMC設(shè)計時，通常主要依靠工程師的工作經(jīng)驗，不同設(shè)計環(huán)節(jié)的工程師使用著不同的驗證方法，或者根本無驗證手段。一些不適當?shù)牟季€方式很難發(fā)現(xiàn)，也不可能特意去花精力進行仿真。例如線寬間距，退耦過孔與焊盤的距離，IO電路與高速器件間距等，這些細微的設(shè)計因素在整個電路板EMC當中也不可以忽視。

　　當需要對PCB進行仿真時，一般只針對的是復(fù)雜的設(shè)計、關(guān)鍵電路或高速電路，某些EMC相關(guān)的細節(jié)仿真的時候有可能被忽略，如此就可能帶來一些隱患，規(guī)則檢查可以彌補這塊的缺失，依據(jù)SIwave軟件自帶規(guī)則或者自定義的規(guī)則監(jiān)視PCB的設(shè)計情況，實施EMI Scanner功能分析，可以幫助我們發(fā)現(xiàn)需要優(yōu)化的地方。

　　EMI scanner規(guī)則檢查

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　　開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾

　　開關(guān)電源式適配器以強勁的發(fā)展勢頭超越了工頻變壓器式適配器，但開關(guān)電源的電磁兼容性較差，隨著開關(guān)電源工作頻率不斷提高，電磁干擾問題也變得日益嚴重，仿真勢在必行。

　　在進行開關(guān)電源仿真時，主要思路是用Q3D抽取傳播路徑的參數(shù)模型，如PCB、線纜的RLC寄生參數(shù)，分析零部件的高頻特性，如電阻、電容、電感、變壓器等的高頻特性，可以利用Maxwell/PExprt對電力電子部件進行建模仿真，然后在機電系統(tǒng)平臺Simplorer當中，將這些電阻、電容、電感、變壓器、MOSFET、二極管等部件的高頻模型連接成完整的開關(guān)電源仿真電路，即可獲得其對外傳導(dǎo)干擾的差模與共模噪聲頻譜分布。對比相應(yīng)CE標準可知其EMC性能狀態(tài)，然后進行電路的優(yōu)化改善分析。

　　傳導(dǎo)干擾優(yōu)化-共模差模噪聲

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　　接地系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

　　接地設(shè)計是電力電子設(shè)備的主要難點之一，劣質(zhì)的接地設(shè)計將使得設(shè)備噪聲強度增大，從而影響芯片電路器件的正常工作，甚至會燒毀關(guān)鍵器件，同時也會造成更大的輻射與干擾問題。

　　理論上，低頻電路單點接地，高頻電路多點接地，復(fù)雜電路系統(tǒng)采取混合接地，但具體接地方式帶來的接地阻抗，共地阻抗的影響，理論分析很難獲得量化的結(jié)果。

　　利用軟件Q3D能夠?qū)ο到y(tǒng)接地通路設(shè)計進行虛擬建模，抽取接地阻抗，結(jié)合電路系統(tǒng)simpolrer/Circuit軟件搭建電路系統(tǒng)分析，就能獲得接地設(shè)計的缺陷，從而指導(dǎo)接地設(shè)計的優(yōu)化，找到最佳接地方式。

　　接地噪聲輻射-PCB聯(lián)合機殼

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　　線纜的輻射發(fā)射分析

　　線纜的布局與接地可以直接影響電子設(shè)備的EMC特性，在高頻段，線纜類似于單極子天線，會將線纜當中的噪聲通過空間輻射出去，形成對外干擾，同時也會耦合到來自其他高頻噪聲源的能量，如點火系統(tǒng)，天線、開關(guān)器件、高速電路板等，然后線纜將能量傳導(dǎo)到電路內(nèi)部，從而造成對敏感電路受干擾，也就會影響設(shè)備的整機EMC測試表現(xiàn)結(jié)果。而通常線纜的選型與布局必須進行仔細的虛擬分析，否則可能造成整機產(chǎn)品的EMC性能不滿足指標要求。通過Q2D建立線纜截面模型，通過circuit指定各個線纜端子的噪聲頻譜和負載電路，然后在HFSS里面建模外殼模型以及其他結(jié)構(gòu)件，指點線纜布線路徑，即可與Q2D聯(lián)合，實現(xiàn)3d cable modeling技術(shù)，快速完成線纜輻射發(fā)射仿真。

　　汽車線纜的輻射-空間輻射場分布

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　　電磁敏感度分析-ESD抗擾

　　電磁敏感度分析，即EMS性能要求，表明在受到電磁噪聲“攻擊”的情況下的EMC兼容能力，通常測試內(nèi)容包括ESD\EFT\Surge\RS\CS\PMS等，而在利用仿真技術(shù)進行建模分析優(yōu)化時，同樣可以從電路、空間電磁場兩個角度來進行建模分析，觀測電路上的電壓電流噪聲以及空間上的電磁場干擾。根據(jù)不同的分析目標，采用適合的軟件進行建模仿真，例如電路板的ESD抗擾仿真，基本思路是通過Q3D建立測試環(huán)境的三維模型，抽取測試桌面與地面的關(guān)鍵寄生參數(shù)， SIwave建立電路板模型，在觀測點與ESD噪聲注入點添加端口提取寬帶S參數(shù)，然后在電路系統(tǒng)Circuit中集合ESD激勵模型、器件模型(TVS\Commonchoke等)、提取的PCB參數(shù)模型建立完整的ESD分析電路，即可獲得觀測點的電壓電流時域、頻域結(jié)果，從而可以分析產(chǎn)品ESD抗擾能力,指導(dǎo)產(chǎn)品的抗擾設(shè)計優(yōu)化。

　　R19版Circuit集成了常用EMC工具

　　PCB的ESD抗擾分析-探測點電壓波形

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　　PCB的輻射敏感度優(yōu)化

　　受試設(shè)備暴露在外界電磁噪聲輻射情況下，電路系統(tǒng)是否會出現(xiàn)異常。一般在EMC暗室/GTEM小室測試該項性能，很多弱電控制系統(tǒng)處在惡劣的電磁環(huán)境當中，容易受到來自外界的高頻，高壓電磁場的輻射影響，例如高頻天線，大功率開關(guān)，汽車點火系統(tǒng)等，PCB上的關(guān)鍵敏感電路耦合到外界的電磁能量，轉(zhuǎn)換成干擾電信號，從而影響芯片正常工作，出現(xiàn)控制系統(tǒng)異?；蚴У默F(xiàn)象，可能會造成非常嚴重的后果。

　　在這方面，ANSYS的SIwave工具能夠定義電磁輻射源的強度和方向，用于PCB的抗輻射特性仿真，獲取各個敏感電路節(jié)點上的感應(yīng)電壓強度，從而指導(dǎo)電路板設(shè)計的抗輻射優(yōu)化設(shè)計.

　　PCB抗輻射分析-各個探測點感應(yīng)電壓

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　　機殼屏蔽效能分析

　　當機殼有各種通風口、接口、縫隙時，內(nèi)部噪聲源通過空間輻射的路徑，在這些結(jié)構(gòu)特征上會形成電磁能量的輻射與泄露。對于整機EMI性能，從阻止傳播路徑的角度，可以單獨對機殼進行建模，在HFSS軟件當中可以支持各類電磁噪聲的直接定義，例如電偶極子，磁偶極子，平面波，高斯波，柱面波等, 無需創(chuàng)建實體的噪聲器件模型就可以對機殼進行電磁屏蔽性能分析。

　　當然，也可以引入其他仿真結(jié)果源數(shù)據(jù)，如SIwave仿真的電路板輻射。仿真完成后可查看空間電磁場強度分布，可以發(fā)現(xiàn)不同頻點的電磁泄露情況、主要泄露的位置、以及屏蔽效能值。從而可以發(fā)現(xiàn)機殼的設(shè)計缺陷，找到整改措施。

　　機殼屏蔽性能-電磁泄露

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　　整機系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射分析

　　整機系統(tǒng)通常包含外殼，各類電路板，線纜，開關(guān)器件等，通常這類仿真建模涉及的電子部件會比較多，所以相對來說，仿真也就越趨復(fù)雜。

　　ANSYS在這方面采用不同軟件模型數(shù)據(jù)相互傳遞的思路實現(xiàn)整機系統(tǒng)的建模與仿真，所以建模難度不算復(fù)雜。主要是基于HFSS全波系統(tǒng)電磁場仿真軟件，HFSS建立整機外殼結(jié)構(gòu)件的模型及材料，將SIwave仿真獲得的PCB輻射數(shù)據(jù)導(dǎo)入進來，然后Q2D建立的各類線纜的截面場和噪聲端子頻譜定義，在HFSS指定線纜路徑即可引入三維空間線纜的輻射數(shù)據(jù)。另外，也可引入用Maxwell建立的低頻器件電磁場數(shù)據(jù)，如火花塞，電感線圈等，將各個部件場數(shù)據(jù)映射在整機外殼內(nèi)部空間的相應(yīng)位置，即可完成寬頻帶的整機輻射發(fā)射分析。

　　整機系統(tǒng)輻射發(fā)射-RE

　　以上列舉的是EMC仿真部分案例，類似案例還有很多，譬如機箱諧振分布，數(shù)?；旌细蓴_，電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾，線纜捆扎干擾，PCB關(guān)鍵芯片布局，EFT，BCI大電流注入，設(shè)備輻射受擾分析等，在這里就不一一列舉。

　　平臺級一站式EMC解決方案

　　綜上，EMC仿真已經(jīng)是電子及電力電子行業(yè)高速發(fā)展趨勢下的必要分析手段，是一門科技藝術(shù)，同時也是一門科技工程。在5G的背景下，頻段高，速率高，密度高，帶來的EMC問題必然巨大，在萬物互聯(lián)的復(fù)雜電磁環(huán)境下，企業(yè)需要的是平臺級的一站式EMC解決方案，需要提供小到芯片，封裝，PCB，大到平臺，機房，互聯(lián)，數(shù)據(jù)中心，城市環(huán)境等在內(nèi)的全覆蓋電磁兼容模擬和優(yōu)化設(shè)計。

　　這就要求仿真軟件體系架構(gòu)需要滿足以下幾個方面的要求：

　　不同尺度，不同背景產(chǎn)品的模擬技術(shù)，包括芯片，PCB，天線，電機，電纜等各種電子零部件的建模和參數(shù)提取能力；

　　將上述各個零部件模型，通過電路與系統(tǒng)的方式，無縫連接成一個整體，實現(xiàn)從上到下的系統(tǒng)級仿真模型和仿真體系，底層數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，共享且同步更新；

　　跨學科的綜合設(shè)計能力，能考慮高功率，震動，風載，雨雪等條件下的產(chǎn)品綜合性能，各個方面的分析可以是相互依賴，相互影響的，從而保證產(chǎn)品模擬的真實性；

　　跨學科的優(yōu)化能力，軟件體系需要具備強大的底層優(yōu)化器，能夠驅(qū)動不同學科，不同領(lǐng)域的軟件，共同完成復(fù)雜多參數(shù)空間的快速分析和優(yōu)化設(shè)計，快速找到最佳方案。

　　放眼業(yè)界，ANSYS所提供的EMC仿真解決方案，可實現(xiàn)從部件到系統(tǒng)的詳細建模分析，方便定位EMC根源問題，可以量化分析設(shè)計狀態(tài)，可視化電磁場空間狀態(tài)，同時可以讀取測試數(shù)據(jù)進行測試虛擬聯(lián)合分析，是非常值得信賴的選擇！

　　ANSYS也將在10月開始啟動多場網(wǎng)絡(luò)研討會和線下技術(shù)研討會，屆時也有豐富的電磁兼容相關(guān)主題內(nèi)容。歡迎大家踴躍報名研討會，將有機會近距離了解EMC仿真的藝術(shù)性與工程性！