EMC与SIPI工程的融合：Christian Schuster教授揭示高数据速率系统电磁兼容与信号完整性的协同设计新范式

《IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine》：Keynote Spotlight: Christian Schuster on the Convergence of EMC and SIPI Engineering

本刊特邀IEEE EMC Society会员服务副主席Janet O'Neil推荐：Christian Schuster教授（IEEE Fellow、汉堡工业大学教授）在2025年 EMC+SIPI 研讨会上发表主题演讲，深入探讨了电磁兼容(EMC)与信号/电源完整性(SIPI)工程的融合趋势。研究指出，随着数字系统数据速率与功率不断提升，传统上分属"合规导向"（EMC）与"性能导向"（SIPI）的学科需协同解决电流控制等共性问题。该研究通过多端口测量、物理建模与数据驱动仿真等关键技术，论证了学科间工具方法的互鉴价值，为高密度电子系统设计提供了跨学科集成解决方案。

　　

随着5G/6G通信、人工智能算力芯片等高速数字系统的迅猛发展，电子设备面临的电磁干扰问题已从传统的"能否通过法规认证"演变为"如何保障信号传输不失真、电源输送不崩溃"的系统级挑战。过去十年间，工程领域逐渐形成了两个看似平行发展的技术阵营：一方专注于控制设备对外界的电磁发射（电磁兼容，EMC），另一方则致力于优化芯片内部及板级互连的电气性能（信号/电源完整性，SIPI）。这种学科分野导致设计流程割裂——EMC工程师常依赖后期"打补丁"式整改（如粘贴铜箔、加装磁环），而SIPI工程师更倾向于前期仿真优化，但双方对彼此的核心方法论缺乏深度认知。当数据速率突破112Gbps、功率密度持续攀升时，单一学科的设计策略已难以应对由电磁耦合、电源噪声交织产生的复合型故障。

针对这一挑战，汉堡工业大学Christian Schuster教授在《IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine》相关研讨会上系统阐述了EMC与SIPI的融合路径。研究指出，二者本质均以电流控制为物理核心：EMC关注"有害电流"的抑制（如电缆辐射电流），SIPI聚焦"有益电流"的保真（如信号路径电流）。通过对比分析发现，传统EMC工程中针对接地回路低频干扰的场路耦合模型，可迁移至SIPI领域解释电源分配网络(PDN)的同步开关噪声；而SIPI常用的传输线拓扑优化技术，同样能有效抑制EMC领域的共模辐射。这种学科互鉴在毫米波频段尤为关键——当波长与封装尺寸可比拟时，任何互连结构同时兼具"信号通道"与"天线"双重属性。

研究团队通过整合工业界与学术界的典型案例，验证了跨学科方法论的协同效益。例如，在高速SerDes（串行解串器）系统中，SIPI工程师采用的均衡器(EQ)不仅能补偿信道损耗，还可通过预加重技术降低电磁干扰频谱峰值；而EMC领域成熟的近场扫描技术，被改造为芯片级电源噪声的定位工具。此外，教授特别强调建模范式的转变：传统基于解析方程的物理建模虽能保证参数可解释性，但面对复杂封装结构时计算效率低下；而数据驱动建模（如机器学习代理模型）可快速预测电磁行为，但需以高精度多端口测量数据作为训练基础。这种"物理模型+数据驱动"的混合框架，成为实现EMC+SIPI协同优化的关键技术支撑。

关键技术方法

研究依托多端口矢量网络分析仪(VNA)校准技术获取高精度散射参数(S参数)，建立从直流到毫米波频段的互联模型；开发基于部分元等效电路(PEEC)的物理建模方法描述封装寄生效应；结合实测数据构建机器学习代理模型，用于快速预测传输线串扰(TEXT)和地弹噪声；通过系统级验证平台对比传统EMC整改方案（如铁氧体磁环）与SIPI主动设计策略（如阻抗匹配）的协同效果。

学科视角的互补性分析

从SIPI视角看，EMC工程常被简化为低频段（通常指<1GHz）的合规性挑战，其建模复杂度导致测试优先于仿真。典型解决方案如铜箔屏蔽和铁氧体磁环，本质是通过被动吸收或反射路径来抑制干扰电流。反之，EMC视角下的SIPI工程专注于系统性能优化，例如通过三维全波仿真预测传输线间的近场耦合，其解决方案更倾向于主动电子设计（如均衡技术）和架构级集成。研究通过跨频段（从kHz到THz）案例证明，两种视角分别揭示了电磁现象的不同维度，但均受麦克斯韦方程组统一约束。

融合路径的实践验证

以高速背板连接器为例，传统EMC方法仅关注外壳屏蔽效能，而SIPI方法重点优化差分对阻抗连续性。融合方案则通过联合仿真外壳屏蔽与信号路径的转移阻抗，发现屏蔽层缝隙产生的谐振会同时恶化信号眼图和辐射发射。进一步采用电磁带隙(EBG)结构同步实现电源噪声抑制和电磁屏蔽，验证了"设计即EMC"的理念。此外，研究展示了如何将SIPI的频域反射计(TDR)技术应用于EMC故障定位，拓展了传统时域反射计的应用场景。

结论与展望

Christian Schuster教授强调，EMC与SIPI的收敛不是简单的技术叠加，而是电子工程范式的根本性转变。随着异质集成（如2.5D/3D封装）和太赫兹通信的发展，电流控制将超越传统学科边界，催生以"电磁完整性(EMI)"为统一框架的新方法论。该研究不仅为高密度电子系统提供了具体技术路径（如混合建模、多端口测量），更重塑了行业协作模式——通过打破EMC与SIPI团队间的认知壁垒，实现在设计初期的跨学科协同。未来方向包括开发统一标定体系（如将辐射发射限值转换为互连阻抗指标）、建立跨频段电磁行为数据库，最终形成支撑下一代通信与计算系统的集成设计标准。