電磁兼容性仿真分析課件

1、第12章 電磁兼容性仿真分析12.1 電磁兼容仿真分析的基本原理及特點(diǎn)12.2 電磁兼容仿真分析中的系統(tǒng)綜合性12.3 電磁兼容仿真分析方法12.4 仿真軟件介紹12.5 車輛電磁兼容仿真分析案例12.6 基于FSS加載的車輛電磁兼容設(shè)計(jì)案例習(xí)題12.1 電磁兼容仿真分析的基本原理及特點(diǎn)電磁兼容仿真分析是在工程與理論相結(jié)合的過程中發(fā)展起來的。一方面,電磁工程是 電磁兼容仿真分析開展所指向的客觀實(shí)體;另一方面,電磁理論為電磁兼容仿真分析過程 中的各環(huán)節(jié)提供了內(nèi)涵支撐。從宏觀角度來看,迄今對(duì)所有電磁系統(tǒng)的分析均基于 Maxwell電磁理論。該理論由物 理學(xué)家、數(shù)學(xué)家J.C.Maxwell(蘇格蘭,

2、18311879年)所建立。他首先揭示了電磁場的存 在,實(shí)現(xiàn)了電與磁的大統(tǒng)一,完成了光與電磁的大綜合,后世學(xué)者將他與 Newton和 Ein- stein并稱。在電磁系統(tǒng)中,電磁場是相互作用的客觀主體,作為一種特殊的物質(zhì)形態(tài),電 磁場所滿足的基本原理主要由以下經(jīng)典關(guān)系所支配。3.5.1 平行【例 3-2】 過點(diǎn) P 作一條水平線, 使其平行于定平面 ABCD,如圖3-34所示。 解: 過點(diǎn) C 作屬于 ABCD 的直線CE, 即先過c作ce, e取在ab上, 然后作出ce。 然后過點(diǎn) p 作直線pqce, 即pqce、 pqce。 直線 PQ 即為所求的水平線。 3.5.1 平行3.5.1.2

3、 兩平面平行 兩平面平行的幾何條件: 若一個(gè)平面內(nèi)有兩條相交直線分別平行于另一平面上的兩條相交直線, 則這兩個(gè)平面相互平行。如圖3-35所示, 位于平面 M 的相交兩直線 AD 和 BC與屬于平面 N 的兩直線 HG 和 FI 對(duì)應(yīng)平行, 即ADFI、BCHG, 則兩平面 M 與 N 平行。 【例3-3】 判斷圖3-36所示兩平面ABC 和LMN 是否平行。 3.5.1 平行解: 先作屬于ABC 和DEF 的一對(duì)相交的水平線和正平線, 看兩平面的相交直線是否對(duì)應(yīng)平行。因此, CE 和BF 為ABC 的水平線和正平線, 而LP 和 MQ 為LMN 的水平線和正平線。由圖可知: CEMQ (cem

4、q, cemq), BFLP (bflp, bflp), 于是兩平面平行。 3.5.2 相交 空間直線與平面相交于一點(diǎn), 這個(gè)點(diǎn)稱為交點(diǎn)。 交點(diǎn)是直線和平面的共有點(diǎn), 既屬于直線,又屬于平面。平面與平面相交于一條直線, 這條直線為交線。交線是相交兩平面的共有線。3.5.2.1 一般位置直線與特殊位置平面相交 若直線與平面相交或兩平面相交, 且其中之一為特殊位置時(shí), 可利用該特殊位置直線的某一投影的積聚性, 直接求得交點(diǎn)?！纠?-4】 求直線 MN 與鉛垂面CDG 的交點(diǎn) (圖3-37)。 電磁兼容是電磁理論的發(fā)展,其源于電磁,但又高于電磁。電磁兼容涵蓋微波、天線、 電路、材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等多學(xué)

5、科知識(shí)的交叉綜合,在信息化領(lǐng)域有著廣闊而豐富的應(yīng)用 空間。在實(shí)際中,電磁兼容經(jīng)常涉及規(guī)模龐大的復(fù)雜電磁系統(tǒng),其中會(huì)包括大量電氣、電 子設(shè)備和分系統(tǒng),諸如雷達(dá)、電臺(tái)、傳感、電控、動(dòng)力等,有時(shí)還需要兼顧所處平臺(tái)(陸、 海、空、天載體)以及周圍環(huán)境等要素。在此情況下,待分析問題的規(guī)模會(huì)急劇增大,由此 形成的電磁兼容問題整體性將變得復(fù)雜,即電磁復(fù)雜。顯然,如果沒有更為有效的工程處 理工具,而只是單純用電磁基本理論來直接分析這些復(fù)雜的實(shí)際問題,并以期實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng) 復(fù)雜電磁環(huán)境的整體認(rèn)知,雖然在理論上是可行的,但在實(shí)際情況中則往往顯得并不合 適。對(duì)此,必須為電磁兼容分析的工程化應(yīng)用尋求高效的解決途徑?，F(xiàn)代計(jì)

6、算機(jī)自20世紀(jì)中葉產(chǎn)生以來,歷經(jīng)飛速發(fā)展的階段,現(xiàn)在無論是超級(jí)計(jì)算設(shè) 備,還是個(gè)人計(jì)算機(jī)都較之早先的設(shè)備有了更大的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)及計(jì)算設(shè)備在數(shù)據(jù)、信息 處理方面所擁有的突出能力為分析復(fù)雜電磁兼容問題提供了便利。以此硬件為基礎(chǔ),通過 系統(tǒng)化、專業(yè)化的仿真分析技術(shù),使得對(duì)復(fù)雜電磁系統(tǒng)及其環(huán)境特性的有效了解與掌握成 為可能。電磁兼容仿真分析流程如圖121所示。圖121 電磁兼容仿真分析在電磁兼容仿真分析中,電磁模型是需要明確的仿真對(duì)象。對(duì)于電磁問題,麥克斯韋 (Maxwell)基本電磁關(guān)系是各種電磁現(xiàn)象最通用的理論模型。該模型雖然具有一般性,但 在實(shí)際工程中則較顯抽象。為此,基于對(duì)電磁兼容理論知識(shí)和工

7、程經(jīng)驗(yàn)的積累與深入,可 以針對(duì)實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)中的各種具體電磁兼容問題建立更合適的模型。通常,電磁兼容模型是多參函數(shù)。在建模過程中,既需要能確定參數(shù)間的有效關(guān)系,還需要考慮能在合理時(shí)間 內(nèi)進(jìn)行分析的解決辦法。在此過程中,采用何種參量、形式、途徑表征求解問題,如何使其 在有限的分析資源范圍內(nèi)給出結(jié)果,這是建模中需要重視的方面。在模型中,還需要考慮相應(yīng)模型對(duì)所描述具體現(xiàn)象或過程的可用性,電磁兼容仿真建 模流程如圖122所示?？捎眯酝ǔQ定于模型的方便程度和近似效果。對(duì)于系統(tǒng),建模 中往往需要根據(jù)系統(tǒng)要求突出電磁兼容問題的關(guān)鍵要素。以強(qiáng)電磁脈沖作用于架空導(dǎo)線為 例,其電磁模型需要考慮三個(gè)重要方面: 確定

8、強(qiáng)電磁脈沖源的初始分布; 確定強(qiáng)電磁 脈沖的傳輸過程; 確定架空導(dǎo)線對(duì)外部電磁場的耦合作用。另外,在建模中,還可以根 據(jù)分析要求補(bǔ)充特定的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)或理論公式,以增加模型的真實(shí)性。但需要注意,實(shí) 驗(yàn)和理論條件往往具有一些特殊性及針對(duì)性,這些往往是特定條件下的特定信息(例如, 響應(yīng)的線性部分),未必能完整反映系統(tǒng)作用,需要在使用時(shí)仔細(xì)對(duì)待。圖122 電磁兼容仿真建模從應(yīng)用角度來看,電磁場數(shù)值分析是電磁 兼容仿真分析中的重要部分,其主要框架如圖 123所示。針對(duì)電磁兼容問題中所涉及到的電 磁支配方程的數(shù)學(xué)關(guān)系,將實(shí)際電磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)化 為計(jì)算機(jī)可分析的電磁模型,通過電磁場數(shù)值 分析計(jì)算,可模擬復(fù)雜電磁

9、環(huán)境中的相互作用。 一般情況下,分析中需要完成由電磁場問題向 矩陣代數(shù)問題的數(shù)值轉(zhuǎn)化,其涉及主要步驟如 下:首先,根據(jù)系統(tǒng)電磁分析的要求,基于電磁 專業(yè)知識(shí),將實(shí)際待分析電磁兼容問題中的關(guān) 鍵數(shù)理支配關(guān)系或方程提煉出來,并確定待分析問題的邊界。不同方程往往會(huì)采用不同的 分析方法。圖123 電磁數(shù)值分析主要框架一般而言,數(shù)值仿真分析方法的重要作用就是將電磁兼容工程中用于描述復(fù)雜電磁環(huán) 境內(nèi)相互作用的電磁語言轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算設(shè)備高效處理的計(jì)算語言。而在此轉(zhuǎn)換過程中, 又具體涉及兩個(gè)重要的轉(zhuǎn)換內(nèi)容,即將實(shí)際問題中解析化的支配關(guān)系轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算機(jī)處 理的離散數(shù)學(xué)形式,將實(shí)際問題中整體化幾何模型轉(zhuǎn)化為便于

10、計(jì)算機(jī)處理的離散數(shù)據(jù)信 息。這涉及電磁數(shù)值分析方法與計(jì)算設(shè)備間高效的相互協(xié)調(diào)、共同工作。需要注意的是,雖然計(jì)算設(shè)備為電磁兼容仿真分析提供了重要基礎(chǔ),但是面對(duì)信息科 技的不斷發(fā)展、電磁兼容適用范圍的不斷拓寬、電磁兼容仿真分析要求的不斷提升,迄今 所有的計(jì)算資源都存在著不同程度的局限性。面對(duì)問題,資源總是有限的。在電磁兼容問 題分析中,任何提升分析效率的手段和技術(shù)都是有必要的。因此,對(duì)于電磁兼容問題的仿 真分析,需要在實(shí)踐中不斷探索與發(fā)展。12.2 電磁兼容仿真分析中的系統(tǒng)綜合性電磁環(huán)境是存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和,是電磁兼容研究的主要對(duì)象。在 實(shí)際應(yīng)用中,為深入剖析系統(tǒng)預(yù)定工作電磁環(huán)境的

11、特征狀態(tài),一般必須進(jìn)行具體的電磁環(huán) 境分析。在對(duì)電磁環(huán)境的兼容性分析中,常要考慮諸多要素。一些通用的綜合分析中常常 涉及以下幾方面問題:設(shè)定干擾源的空間、時(shí)間、頻率、幅度、相位以及極化等特性;制定 電磁功率密度或場強(qiáng)的頻譜關(guān)系曲線,以說明在指定頻率范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的干擾;估計(jì)最 惡劣的電磁環(huán)境電平,計(jì)算干擾電平不超過某一允許值的區(qū)域范圍;分析綜合電磁環(huán)境電 平的危害等級(jí),區(qū)分導(dǎo)致系統(tǒng)性能降級(jí)與造成系統(tǒng)失效的電磁環(huán)境電平。在電磁兼容中,干擾三要素是復(fù)雜電磁系統(tǒng)的基本單元構(gòu)成,其中,傳輸耦合途徑為 干擾源與敏感設(shè)備間的電磁作用構(gòu)建起連接的通道。耦合是電磁干擾三要素中的重要連接 環(huán)節(jié),其反映了設(shè)備、系

12、統(tǒng)間的電磁聯(lián)系,起到了能量聯(lián)系傳輸?shù)淖饔?。在電磁系統(tǒng)中,具 體的電磁連接形式往往復(fù)雜多樣,一般可分為輻射和傳導(dǎo)兩種主要方式,如圖124所示。 圖12 4 電磁傳輸耦合分類從電磁理論角度來看,電磁耦合作用可分別以“場”與“路”的形式存在。由電磁兼容基本原 理可知:在輻射耦合分析中,各種具體的輻射耦合方式主要以分布電磁場為模型基礎(chǔ);而 在傳導(dǎo)耦合分析中,則主要是以集總電路為模型基礎(chǔ)。二者不同的形態(tài)往往對(duì)應(yīng)于不同的 分析方法。雖然形式有別,但“場”和“路”有著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。電磁兼容中的場路協(xié)同關(guān)系如 圖12 5所示。圖125 電磁兼容中的場路協(xié)同在電磁環(huán)境中,干擾源端發(fā)射電磁能量,通過電磁傳輸耦合途徑

13、后,電磁能量會(huì)在敏 感設(shè)備端被接收。若將各種具體的干擾源、傳輸耦合途徑、敏感設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性簡化、抽 象,則可以通過建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型對(duì)騷擾的傳輸耦合進(jìn)行分析。從理論上來看,對(duì)于電 磁傳輸耦合途徑所在的區(qū)域V 可由封閉曲面S 界定。若設(shè)定S 面與傳輸耦合途徑所聯(lián)系 各電磁系統(tǒng)端口的參考面相吻合,則可認(rèn)為所有的相關(guān)電磁作用都來源于端口,除端口 外,S 面上其余部分的場作用可略去。電磁傳輸耦合中的系統(tǒng)等效如圖126所示。圖126 電磁傳輸耦合中的系統(tǒng)等效式(12 1)式(12 4)分別從能量和收發(fā)的角度展現(xiàn)了電磁系統(tǒng)傳輸耦合作用中“場” 與“路”的內(nèi)在聯(lián)系。這些反映了系統(tǒng)內(nèi)同一電磁規(guī)律的不同形式,對(duì)

14、電磁兼容分析中復(fù)雜 電磁作用的內(nèi)在統(tǒng)一認(rèn)知提供了便利。同時(shí),由此也可以清楚地看到,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng), “場”的形式更多地反映了電磁系統(tǒng)的分布特征,而“路”的形式則更多地反映了電磁系統(tǒng)的 集總特征。由基礎(chǔ)理論可知,“場”是電磁的基本形式。但是,為了便捷應(yīng)對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)問 題,電磁兼容中常會(huì)將“場”與“路”的形式相聯(lián)系、相協(xié)同。由此啟發(fā)電磁兼容相關(guān)的研究 者和讀者,在電磁兼容仿真分析中應(yīng)逐步樹立起系統(tǒng)和協(xié)同的思想,以應(yīng)對(duì)待研問題中的 復(fù)雜多樣性,同時(shí)要針對(duì)復(fù)雜電磁問題明確主、次矛盾的關(guān)系,在具體問題中突出重點(diǎn)。 雖然電磁兼容仿真分析屬于工程技術(shù),但其顯然與電磁理論密不可分。例如,電磁場的唯 一性定理和線

15、性疊加原理就從理論的角度指明了電磁場解所內(nèi)含的確定組合性,這為實(shí)際 工程中通過計(jì)算機(jī)離散的方式求解與分析電磁兼容問題提供了“化整為零、集零為整”的理 論依據(jù)。從總體角度來看,在電磁兼容仿真分析中“場”與“路”、理論與應(yīng)用之間的相互結(jié) 合、相互關(guān)聯(lián),在一定程度上深刻地反映了電磁兼容學(xué)科中系統(tǒng)綜合性的內(nèi)在特色。12.3 電磁兼容仿真分析方法電磁兼容涉及對(duì)于復(fù)雜電磁系統(tǒng)及環(huán)境的分析。由于所包含的具體電磁問題數(shù)量眾多,在其仿真中可采用多種分析方法,如有限差分法、矩量法、有限元法、高頻法、時(shí)域有 限積分法、傳輸線矩陣法等,典型方法的應(yīng)用如圖127所示。圖127 典型的電磁兼容仿真分析方法12.3.1 有

16、限差分法 有限差分法是較為成熟的一種數(shù)值方法。在電磁兼容仿真分析中,此種方法可以用來 分析系統(tǒng)中所涉及的靜場(靜電、磁場)以及動(dòng)場(變化電磁場)等工程問題。作為一種具有 代表性的分析技術(shù),有限差分法的基本分析思想是:把連續(xù)的求解區(qū)域用由有限個(gè)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的離散網(wǎng)格來替代,即用離散節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解來逼 近連續(xù)場區(qū)域內(nèi)的真實(shí)解。該分析方法是一種近似方法。 有限差分法的核心求解過程主要包括如下環(huán)節(jié): 近似 替代,即采用有限差分公式替代每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)運(yùn) 算;區(qū)域離散,即把所給偏微分方程的求解區(qū)域細(xì)分 成由有限個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖128所示; 逼近求解,使用插值法等求解得到整個(gè)區(qū)域的數(shù)值結(jié) 果

17、。圖128 差分法中的網(wǎng)格劃分在有限差分法中,重要的一步就是在每個(gè)離散點(diǎn)上將微分方程中涉及的各階導(dǎo)數(shù)用該 點(diǎn)的差商近似表示。這一處理方式在數(shù)學(xué)上是明確的,當(dāng)x 很小時(shí),微分u(x)可以近似 用差商u(x+x)-u(x)/x 或者u(x)-u(x-x)/x 來代替。與此相仿,u(x) 可以近似用二階差商u(x+x)-2u(x)+u(x-x)/(x)2 來代替,進(jìn)而使用差分方 程來代替微分方程。以二維靜場為例,其偏微分方程為可用如下方程在方程的求解中,支配方程反映了求解問題區(qū)域中的 作用規(guī)律。在有限差分法中對(duì)方程進(jìn)行離散化處理,則相應(yīng) 地需要對(duì)問題區(qū)域進(jìn)行離散。下面以二維情況為例,對(duì)問題 區(qū)域的離

18、散過程進(jìn)行說明。首先做平行于坐標(biāo)軸的兩組直 線,如圖129所示,以此將區(qū)域 D 分割成有限數(shù)目的網(wǎng) 格,網(wǎng)格的邊長 x、y 可稱為步長,點(diǎn)(xi,yi)為網(wǎng)格上 的節(jié)點(diǎn),xi=x0+ix、yi=y0+iy。當(dāng) x、y 足夠小 時(shí),在任一節(jié)點(diǎn)處,原二維方程可具體表示為圖129 差分法中的區(qū)域離散有限差分法在時(shí)域的主要體現(xiàn)為 FDTD。該方法自1966年由 K.S.Yee提出以來,經(jīng) 歷了幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)日趨成熟并被逐漸應(yīng)用在電磁兼容中的多個(gè)方面,如天線輻 射和目標(biāo)散射研究、瞬態(tài)電磁場研究、微波電路和光路的時(shí)域傳導(dǎo)分析等多個(gè)領(lǐng)域。這一 方法的經(jīng)典思想是把帶時(shí)間變量的麥克斯韋旋度方程轉(zhuǎn)化為差分

19、形式,計(jì)算區(qū)域在空間各方向上(如x、y、z)分別用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)(如直角)網(wǎng)格進(jìn)行離散,從而模擬出電磁波和目標(biāo)作 用的時(shí)域響應(yīng)。由麥克斯韋旋度方程組出發(fā),可得下列方程組:上面的兩組關(guān)系也可稱為空間離散和時(shí)間離散。當(dāng)完成 以上差分近似后,需要對(duì)空間任意分布的電場E 和磁感 應(yīng)強(qiáng)度H 六個(gè)分量進(jìn)行合理的組合,圖1210給出了 具體的設(shè)置方式。在 FDTD 中,空間上連續(xù)分布的電磁 場物理量被離散排布。圖1210 FDTD中的 Yee網(wǎng)格有限差分法在頻域的主要體現(xiàn)為 FDFD。從求解形式上來看,頻域麥克斯韋方程同瞬 態(tài)麥克斯韋方程相比較,通常沒有對(duì)時(shí)間求偏微分這一個(gè)步驟。FDFD 有時(shí)也可稱為穩(wěn)態(tài) 或靜態(tài)

20、有限差分法。對(duì)于 FDFD,仍然可以采用與 FDTD 相類似的空間網(wǎng)格離散,從而得 到基于 FDFD的基本方程分析形式。FDFD的求解過程一般是將空間離散化后,在每個(gè)節(jié) 點(diǎn)建立差分方程,然后將所有的方程組成一個(gè)系數(shù)矩陣和右端向量,從而通過求解該矩陣 方程得到該空間上各個(gè)離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電場或磁場值。該方法不存在時(shí)域有限差分法的不穩(wěn) 定問題,但是 FDFD要聯(lián)合所有的方程,通過求解一個(gè)大型的稀疏矩陣從而求得最終的 解。當(dāng)電磁場的規(guī)模增大、網(wǎng)格增多時(shí),該方法的矩陣方程規(guī)模會(huì)急劇增加,進(jìn)而導(dǎo)致計(jì) 算和存儲(chǔ)上的困難。12.3.2 矩量法 在電磁領(lǐng)域中,矩量法是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)值計(jì)算方法,該方法常被用于分析

21、天線輻 射和導(dǎo)體散射等問題。矩量法的基本分析思想是:從頻域麥克斯韋方程出發(fā),推導(dǎo)出相應(yīng) 的積分方程,將積分方程通過基函數(shù)的內(nèi)積運(yùn)算轉(zhuǎn)化為矩陣方程進(jìn)行求解。此解的精確程度受到fn 和Wm 選擇的影響,當(dāng) Wm =fn 時(shí),稱為伽遼金(Galerkin)方法。 在任何一個(gè)特定問題的求解分析中,其中一個(gè)主要的任務(wù)就是選擇合適的fn 和Wm 。選擇 fn 時(shí),要使其某種疊加能相當(dāng)好地逼近f;選擇Wm 時(shí),則應(yīng)使誤差盡可能地小。影響選 擇fn 和Wm的一些其他因素包括:所要求的精度,計(jì)算矩陣元素的難易程度,能夠求逆的 矩陣的大小,良態(tài)矩陣lmn的可實(shí)現(xiàn)性等。矩量法的優(yōu)點(diǎn)是通常無需額外設(shè)置邊界條件,且計(jì)算

22、結(jié)果較準(zhǔn)確,但其缺點(diǎn)往往也較 為明顯。對(duì)于復(fù)雜的電磁問題,矩量法常常以低頻方法的形式表現(xiàn),會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存形成 較大的消耗,所需計(jì)算時(shí)間也較長,消耗計(jì)算資源高,計(jì)算效率低。尤其對(duì)于電大尺寸問 題,由于未知量非常多,個(gè)人計(jì)算機(jī)較難求解。因此,產(chǎn)生了很多矩量法的加速算法,例如 多層快 速 多 極 子 方 法 (MLFMM)、稀 疏 矩 陣 規(guī) 范 網(wǎng) 格 (SMCG)、帶 狀 矩 陣 規(guī) 范 網(wǎng) 格 (BMIA/CAG)及傳播內(nèi)層展開(PILE)等,這些具體技術(shù)有利于復(fù)雜電磁問題的快速求解。12.3.3 有限元法 有限元法也是一種典型的數(shù)值計(jì)算方法。該方法常被應(yīng)用于分析復(fù)雜介質(zhì)中的電磁傳 播、天線輻

23、射和目標(biāo)散射、電路發(fā)射和傳導(dǎo)、屏蔽和濾波結(jié)構(gòu)等。有限元法的基本分析思 想是:以變分原理為基礎(chǔ),應(yīng)用變分原理將所要求解的微分方程及邊值問題,轉(zhuǎn)化為相應(yīng) 的變分問題泛函求極值問題,再利用對(duì)求解區(qū)域的剖分插值,把變分問題離散化為多 元函數(shù)的極值問題,最終得到一組多元代數(shù)方程組,對(duì)其進(jìn)行求解即可得到待分析問題的 數(shù)值解。一般遇到的幾乎所有物理問題在實(shí)際空間上都是三維的,本節(jié)主要介紹三維棱邊有限 元法。麥克斯韋方程組描述了電磁場的普遍規(guī)律,在頻域,可通過時(shí)諧形式來表示。通過 聯(lián)立頻域麥克斯韋方程組中的各個(gè)方程,分別消去電場強(qiáng)度E 和磁場強(qiáng)度H,即可得到只 含有一個(gè)未知場量的二階微分方程,若以電場和磁場分

24、別表示,則有式中,Ji 為外加電流或源電流,c=-j/ 為傳導(dǎo)電流E 和位移電流jD 的綜合貢獻(xiàn), 上面兩個(gè)方程也稱為矢量亥姆霍茲方程。廣義地來說,三維麥克斯韋方程組是三維電磁場 問題的支配方程,在此,為便于求解和建模,一般情況下大多選取上述的矢量亥姆霍茲方 程作為支配方程。為了方便起見,以無源區(qū)的電場方程形式作為求解區(qū)域內(nèi)的支配方程,則有式中,r 為復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率,r 為復(fù)相對(duì)介電常數(shù),k0= 00 ,為自由空間傳播常數(shù)。對(duì) 于簡單材料,由變分原理,可以得到如下的泛函形式:離散剖分和單元差值是有限元法的核心部分。對(duì)于三維問 題,基本的離散單元可以選用四面體或六面體等。但是,一 般來說,不同的離

25、散單元對(duì)于有限元計(jì)算的速度、精度和 內(nèi)存需求都有所不同。四面體單元是三維空間最簡單的離 散單元。為解決時(shí)諧電磁場問題中可能會(huì)出現(xiàn)的截面不連 續(xù)、偽解和奇異點(diǎn)等問題,可采用棱邊單元(也稱為矢量有 限元),如圖1211所示。棱邊與節(jié)點(diǎn)編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的 定義如表121所示。圖1211 三維棱邊單元在四面體單元e內(nèi),電場矢量可以用如下差值函數(shù)表示:在每一個(gè)四面體單元內(nèi)將插值函數(shù)帶入前面的泛函形式中,將總 的區(qū)域積分分解為各單元積分之和,可得到:有限元法的優(yōu)點(diǎn)是適用于含有復(fù)雜媒質(zhì)、具有復(fù)雜邊界形狀或邊界條件的定解電磁問 題。有限元法具有較高的計(jì)算精度,而且各個(gè)環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,從而得到通用的計(jì)算程序。由

26、于有限元法是區(qū)域性解法,需要對(duì)求解的區(qū)域進(jìn)行離散剖分,使得剖分的單元數(shù)和 節(jié)點(diǎn)數(shù)較多,導(dǎo)致得到的方程組元素很多,從而計(jì)算時(shí)間長且對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量有較高的 要求。而近些年,有限元法與自適應(yīng)網(wǎng)格剖分和加密技術(shù)相結(jié)合,在解決上述問題方面做 出了進(jìn)步。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)就是根據(jù)場量分布求解的結(jié)果,重新調(diào)整網(wǎng)格的剖分密 度,在網(wǎng)格密集區(qū)采用高階插值函數(shù),進(jìn)一步提高計(jì)算精度,同時(shí)在場域變化劇烈的區(qū)域, 采用加密技術(shù)進(jìn)行多次加密剖分而其他區(qū)域不變。這些都可以減少剖分網(wǎng)格的數(shù)量,從而 降低對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的要求,減少計(jì)算時(shí)間。12.3.4 高頻方法 高頻方法含有幾何光學(xué)、幾何繞射、物理光學(xué)等多種方法。這些方法通

27、?；诟哳l射 線理論,被用于分析電磁傳輸、電大尺寸等問題。高頻方法明顯具有計(jì)算效率高、消耗計(jì) 算機(jī)內(nèi)存少的特點(diǎn),但是對(duì)于精細(xì)電磁結(jié)構(gòu)來說,此類方法會(huì)存在精度不夠的問題。1.幾何光學(xué)法 幾何光學(xué)(GO)法從射線方法的角度來解釋電磁散射的發(fā)生機(jī)制和電磁能量的傳播機(jī)制 ,其具有形象直觀的特點(diǎn),有助于使用者對(duì)電磁規(guī)律的理解。在高頻區(qū)域,目標(biāo)的電磁 散射存在局部效應(yīng),忽略了各個(gè)部件之間的耦合作用,射線方法可以將復(fù)雜的目標(biāo)視為簡 單幾何體的疊加,故射線法對(duì)處理復(fù)雜大型目標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。幾何光學(xué)法中的程函方程 是在幾何光學(xué)極限的前提下推導(dǎo)出來的,認(rèn)為入射波波長為零,散射體表面的曲率半徑遠(yuǎn) 大于波長,由此可知

28、對(duì)應(yīng)的散射體應(yīng)為電大物體。幾何光學(xué)法依據(jù)能量守恒推導(dǎo)出強(qiáng)度定 律,可以繞過復(fù)雜的積分運(yùn)算,大大加快了場的求解速度。幾何光學(xué)射線場可表示為其中,E1、E2 分別為兩個(gè)不同波陣面1、2處場值大小,1、2 分別是波陣面1、2的主曲 率半徑,s為兩波陣面間的距離。由此可知,幾何光學(xué)法可以用于研究直射、反射和折射問題。這也決定了幾何光學(xué)法 主要在亮區(qū)生效,而在陰影區(qū),幾何光學(xué)法是失效的。在相鄰射線相交匯而形成的區(qū)域, 幾何光學(xué)法也是不成立的,因?yàn)樵诖祟悈^(qū)域,散射場會(huì)變大,甚至無窮大。在場強(qiáng)變化劇 烈的區(qū)域,幾何光學(xué)法也不能準(zhǔn)確計(jì)算散射場。2.幾何繞射法 當(dāng)幾何光學(xué)法遇到劈尖、邊緣等表面不連續(xù)處時(shí),將產(chǎn)生

29、光學(xué)射線不能進(jìn)入的陰影區(qū) 域,因此會(huì)導(dǎo)致陰影處的幾何光學(xué)場為零,這與實(shí)際情況不符。為解決這種情況,J.B.Kel- ler提出了幾何繞射理論(GTD),引入了繞射射線,其作用于目標(biāo)表面的不連續(xù)處。繞射射 線不僅能在亮區(qū)產(chǎn)生作用,也可以進(jìn)入暗區(qū),這樣暗區(qū)的場可以由繞射射線來計(jì)算,進(jìn)而 拓展了幾何光學(xué)法的適用范圍。幾何繞射系數(shù)是根據(jù)經(jīng)典問題的嚴(yán)格解推導(dǎo)出的,對(duì)高頻 散射問題可以提供一定的精度支持。繞射場的計(jì)算是在射線法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,省去了表 面電流分布的計(jì)算,具有計(jì)算簡單的優(yōu)點(diǎn)。和幾何光學(xué)法一樣,幾何繞射理論也無法計(jì)算 相鄰射線相交匯區(qū)域的場。3.物理光學(xué)法 在求解高頻條件下理想導(dǎo)體的散射問題時(shí)

30、,可以使用感應(yīng)電流的物理光學(xué)(PO)法近似,用目標(biāo)表面的感應(yīng)電流取代目標(biāo)本身而作為散射源,然后通過對(duì)表面感應(yīng)電流進(jìn)行積 分,從而得到散射場。在求目標(biāo)表面感應(yīng)電流時(shí),要滿足兩個(gè)前提條件:其一,目標(biāo)表面的 曲率半徑遠(yuǎn)大于波長;其二,感應(yīng)電流僅存在于目標(biāo)表面的亮區(qū)。這種方法被廣泛應(yīng)用于高 頻電磁散射問題的分析,與幾何光學(xué)法相比,其不存在相鄰射線交匯區(qū)域無法計(jì)算的問題。 但物理光學(xué)方法也有一些缺陷,在計(jì)算交叉極化場和目標(biāo)的不連續(xù)性等方面存在不足。12.3.5 時(shí)域有限積分法 時(shí)域有限積分法是以積分形式建立起來的一整套分析方法。這種方法是基于麥克斯韋 積分方程,并以此引入一個(gè)矩陣方程組,同時(shí),矩陣方程組

31、中每一個(gè)方程和原有麥克斯韋 方程具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,將有限積分技術(shù)應(yīng)用于時(shí)域便構(gòu)成了時(shí)域有限積分法。不同于 其他一些方法,時(shí)域有限積分法是對(duì)以下積分形式的麥克斯韋方程進(jìn)行離散的,即對(duì)于上述方程,計(jì)算變量是電壓e和磁通b。這兩個(gè)量在時(shí)間軸上交替出現(xiàn),形成如圖 1212所示的蛙跳過程。圖1212 時(shí)域有限積分迭代計(jì)算示意圖由圖1212可知,該過程具有典型的迭代性。例如,在t=(n+1)t時(shí)刻的磁通可由 上一時(shí)刻t=nt的磁通和上半步t=(n+1/2)t的電壓計(jì)算求得。需要注意的是,在計(jì) 算中,時(shí)間積分過程的穩(wěn)定性是有條件的,其穩(wěn)定條件為12.3.6 傳輸線矩陣法 傳輸線矩陣法是于1971年由 P.

32、B.Johns和 R.L.Beurie提出的,后又經(jīng) P.B.Johns、W. J.R.Hoefer等人不斷完善。在各種電磁兼容或電磁干擾問題的仿真計(jì)算方法中,傳輸線矩 陣方法簡單、高效,并且占用資源少、計(jì)算穩(wěn)定性高,因此備受電磁兼容工程師的青睞,也 被廣泛應(yīng)用于多種電磁兼容問題分析中。如果電磁波在介質(zhì)或波導(dǎo)系統(tǒng)中的傳播具有一定的方向性,那么這類介質(zhì)或波導(dǎo)系統(tǒng) 一般被統(tǒng)稱為傳輸線。傳輸線矩陣法基于惠更斯原理的波傳播模型,將連續(xù)空間離散為由 一系列節(jié)點(diǎn)組成的基本網(wǎng)絡(luò),電磁場以各節(jié)點(diǎn)上沖擊脈沖的散射來表示,且其各級(jí)子波在 相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳輸線上不斷傳播。該方法運(yùn)用空間電磁場方程與傳輸線網(wǎng)格中電壓和電

33、流 之間關(guān)系的相似性確定網(wǎng)格響應(yīng),通過分析經(jīng)過離散的時(shí)域波在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中的傳播情況, 獲得波的傳輸特性。該方法在處理寬帶問題時(shí)能保持較高的精度,較適用于 EMC/EMI/ E3問題。在該方法中,基于惠更斯原理的波傳播模型的時(shí)間和空間分量會(huì)進(jìn)行離散,以便 于在計(jì)算設(shè)備上處理。時(shí)間單元 t和空間單元 l的關(guān)系式為 t=l/vc ,式中,vc 為空 間中的光速。二維空間離散模型可以用圖1213來表示,圖中,l為笛卡爾節(jié)點(diǎn)陣列的 間距,t為電磁脈沖在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間傳播所需的時(shí)間。假設(shè)一個(gè)單位能量的脈沖函數(shù)從x 負(fù)半軸入射至節(jié)點(diǎn),將會(huì)以原始脈沖能量的1/4向四個(gè)方向散射,其相應(yīng)場量則為1/2, 且沿入射方

34、向的反射系數(shù)取為負(fù)值,由此可保證節(jié)點(diǎn)處場的連續(xù)性。該離散模型可以由正 交的傳輸線或傳輸線矩陣來模擬,等效的傳輸線網(wǎng)格模型如圖1213所示。由于傳輸線上 的電壓脈沖與電磁脈沖散射相似,因此傳輸線上的電壓和電流方程與電磁場的麥克斯韋方 程是等價(jià)的。如圖1213所示,假設(shè)傳輸線網(wǎng)格支路1上有一單位電壓脈沖入射至節(jié)點(diǎn), 由于四條支路的特性阻抗相等,則入射脈沖的電壓反射系數(shù)為-1/2,因此反射電壓脈沖 為-1/2V,其他三個(gè)傳輸電壓脈沖為1/2V。圖1213 二維離散惠更斯波傳播模型和等效傳輸線網(wǎng)絡(luò)模型將沖擊脈沖函數(shù)在傳輸線網(wǎng)格中隨時(shí)間變化的傳播過程進(jìn)行表示,圖1214給出了 經(jīng)過兩次迭代的沖擊脈沖函數(shù)

35、的散射過程示意圖。圖1214 二維傳輸線矩陣網(wǎng)格沖擊脈沖散射過程因此,如果已知kt時(shí)刻所有脈沖的幅度、位置和方向,就可以推算出(k+1)t時(shí)刻網(wǎng)格 中任意節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)值。傳輸線矩陣法的計(jì)算過程如圖1215所示。傳輸線矩陣法的整個(gè)求解過程均在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行,如果需要得到頻域內(nèi)的信息,則可以 經(jīng)過傅里葉變換得到。傳輸線矩陣法可將任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡化處理,該算法劃分的網(wǎng)格較 其他算法更為簡單,因此計(jì)算所需時(shí)間和內(nèi)存較少。由于該算法基于時(shí)域的電磁場計(jì)算, 避免了收斂、穩(wěn)定以及偽解等不同問題的同時(shí)發(fā)生。在該算法中,一次計(jì)算中涵蓋了大量 信息,不僅可得到模型的脈沖響應(yīng),還可導(dǎo)入任意激勵(lì)源求解模型的激勵(lì)響應(yīng)。雖然傳

36、輸 線矩陣法有很多優(yōu)點(diǎn),但是也存在兩個(gè)較大的缺點(diǎn):其一,由于時(shí)域算法的計(jì)算時(shí)間是有 限的,當(dāng)信號(hào)通過傅里葉變換從時(shí)域變換到頻域時(shí),難免會(huì)產(chǎn)生截?cái)嗾`差;其二,電磁波 在傳播過程中,因?yàn)轭l率的影響,速度不同,會(huì)產(chǎn)生色散效應(yīng)。12.4 仿真軟件介紹1.CST軟件 CST 工作室套裝軟件是面向三維電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)等方面的一款較為全面、精 確、集成度高的專業(yè)仿真軟件包,其軟件界面及應(yīng)用如圖1216所示。圖1216 CST軟件界面及應(yīng)用1)CST 軟件結(jié)構(gòu) 該軟件主要結(jié)構(gòu)包括以下幾部分: (1)CST 設(shè)計(jì)環(huán)境(CSTDESIGNENVIRONMENT):這是進(jìn)入 CST 工作室套裝的 通道,包含前

37、處理、后處理、優(yōu)化器、材料庫等四大部分,用于完成三維建模,具有 CAD/ EDA/CAE接口,支持各子工作室軟件間的協(xié)同,可對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理和導(dǎo)出。(2)CST 微波工作室(CST MICROWAVESTUDIO):屬于系統(tǒng)級(jí)電磁兼容及通用高 頻無源器件仿真軟件,應(yīng)用包括電磁兼容、天線/散射、高速互連 SI、手機(jī)、磁共振成像、 濾波器等?？捎?jì)算任意結(jié)構(gòu)及材料的電大寬帶電磁問題。 (3)CST 電纜工作室(CSTCABLESTUDIO):屬于專業(yè)線纜級(jí)電磁兼容仿真軟件, 可以對(duì)真實(shí)工況下由各類線型構(gòu)成的長線束及周邊環(huán)境進(jìn)行 EMI/EMS/SI分析,可用于 解決線纜/線束瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)輻射、受輻照雙向

38、問題。(4)CST 印制板工作室(CSTPCBSTUDIO):屬于專業(yè)板級(jí)電磁兼容仿真軟件,對(duì)印 制板的SI/PI/IR Drop/眼圖/去耦電容等進(jìn)行仿真。與CST MWS聯(lián)合,可對(duì)印制板和機(jī) 殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)輻射、受輻照雙向問題分析。 (5)CST 規(guī)則檢查(CSTBOARDCHECK):屬于印制板布線 EMC和SI規(guī)則檢查軟 件,能對(duì)多層板中的信號(hào)線、地平面切割、電源平面分布、去耦電容分布、走線及過孔位置 及分布等進(jìn)行快速檢查。(6)CST 電磁工作室(CSTEM STUDIO):屬于(準(zhǔn))靜電、(準(zhǔn))靜磁、穩(wěn)恒電流、低 頻電磁場仿真軟件?？捎糜诩s DC100 MHz頻段電磁兼容、傳

39、感器、驅(qū)動(dòng)裝置、變壓器、 感應(yīng)加熱、無損探傷和高低壓電器等。 (7)CST 粒子工作室(CSTPARTICLESTUDIO):主要應(yīng)用于電真空器件、高功率 微波管、粒子加速器、聚焦線圈、磁束縛、等離子體等自由帶電粒子與電磁場相互作用下, 相對(duì)論及非相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的仿真分析。(8)CST 設(shè)計(jì)工作室(CST DESIGNSTUDIO):屬于系統(tǒng)級(jí)有源及無源電路仿真軟 件,支持SAM 總控,支持三維電磁場、電路的瞬態(tài)和頻域協(xié)同仿真,用于約 DC100 GHz的電路仿真。(9)CST 多物理工作室(CST MPHYSICSSTUDIO):屬于瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)溫度場、結(jié)構(gòu) 應(yīng)力形變仿真軟件,主要應(yīng)用于電磁損耗、

40、粒子沉積損耗等所引起的熱以及熱所引起的結(jié) 構(gòu)形變分析。2)CST 軟件優(yōu)勢 在具體工作中,CST 工作室套裝具有以下主要優(yōu)勢: (1)涵蓋電磁、電路、帶電粒子、熱學(xué)和力學(xué)多物理場的高集成度專業(yè)數(shù)值仿真軟件 包,8個(gè)子軟件全部集成在同一個(gè)用戶界面中,方便切換。 (2)覆蓋板級(jí)、線纜/線束、機(jī)箱設(shè)備及系統(tǒng)級(jí)全方位電磁兼容分析應(yīng)用。(3)頻率覆蓋范圍廣,從 DC光波頻段,甚至可以達(dá)到、 射線及 TeV 粒子束頻 段。(4)具有完備的電磁算法,包括傳輸線矩陣法、時(shí)域有限積分法、頻域有限積分法、頻域有限元法、矩量法、本征模法、物理光學(xué)法等。此外還內(nèi)嵌優(yōu)化器和參數(shù)掃描器,包括差 值準(zhǔn)牛頓法、遺傳算法、粒子

41、群法、協(xié)方差矩陣法等。2.FEKO軟件 FEKO是一款針對(duì)三維任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場分析的軟件,其軟件界面及應(yīng)用如圖1217 所示。FEKO 一詞源于德語 FEldberechnungbeiKrpernmitbeliebigerOberflche(任意 復(fù)雜電磁場計(jì)算)首字母的縮寫。可用于分析各種電磁確定性問題,在工程中有著廣泛的 應(yīng)用。FEKO 軟件包含三個(gè)子模塊,分別為 CADFEKO、EDITFEKO 和 POSTFEKO。其 中 CADFEKO 用于建模和劃分網(wǎng)格,可參數(shù)化建立多種形狀,如球體、椎體、環(huán)等,也可 以使用布爾操作對(duì)模型進(jìn)行復(fù)雜變換。EDITFEKO 用于設(shè)置求解參數(shù),控制激勵(lì)

42、和輸出 等。POSTFEKO 用于模型檢查及數(shù)據(jù)后處理,可查看電流/電荷顯示、2D/3D 視圖結(jié)果, 支持切平面顯示以及顏色幅度顯示。FEKO 軟件的典型應(yīng)用領(lǐng)域包含:天線設(shè)計(jì)、分析和 布局(如線天線、喇叭天線、反射天線、天線陣、微帶天線等),微帶電路設(shè)計(jì)和分析,電磁 兼容分析,生物電磁(如無線終端的輻照效應(yīng)),電磁散射 RCS分析等。FEKO 軟件中運(yùn)用的 最重要的求解方法是矩量法,此外還有基于矩量法的多層快速多極子算法,高頻方法 GO/ UTD/PO,有限元法以及混合方法(各方法與矩量法混合使用)。該軟件所具有的突出優(yōu)勢有:圖1217 FEKO 軟件界面及應(yīng)用(1)多種求解方法可供選擇以解

43、決各種問題,且基于矩量法的混合求解技術(shù)使得速度 和精度得到了有效提升。 (2)TimeFeko利用 FFT 可將頻域解變換到時(shí)域,從而提供了時(shí) 頻域的對(duì)應(yīng)分析。(3)具有相對(duì)成熟的自適應(yīng)頻率掃描功能,可節(jié)省計(jì)算量。 (4)可導(dǎo)入多種 CAD數(shù)據(jù)及網(wǎng)格模型。(5)EDITFEKO 帶有編程功能,提供編程語句,以便復(fù)雜建模及求解控制。3.ANSYSHFSS軟件 ANSYSHFSS軟件是一款高頻電磁場仿真軟件,其軟件界面及應(yīng)用如圖1218所 示。該軟件在精度、求解器和高性能計(jì)算技術(shù)等方面的特點(diǎn),使其成為在高頻、高速電子 設(shè)備和平臺(tái)上進(jìn)行準(zhǔn)確、快速分析與設(shè)計(jì)的有效工程工具。圖1218 ANSYSHFS

44、S軟件界面及應(yīng)用1)ANSYSHFSS軟件構(gòu)成 ANSYSHFSS包括的主要求解器有: (1)HFSS:即三維全波頻域電磁場求解器。工程師能夠以此提取S Y Z 參數(shù),可視 化三維電磁場,并生成組件模型,用于分析評(píng)估信號(hào)質(zhì)量、傳輸路徑損耗、阻抗失配、寄生 耦合和遠(yuǎn)場輻射。 (2)HFSS瞬態(tài):用于仿真瞬態(tài)電磁場的特性,并在諸如時(shí)域反射、地面穿透雷達(dá)、靜 電放電、電磁干擾和雷擊等應(yīng)用中可視化場或系統(tǒng)響應(yīng)。該技術(shù)是對(duì) HFSS頻域解決方案 的補(bǔ)充,讓工程師能夠在同框架中了解電磁時(shí)域和頻域特性。(3)HFSSSBR+:屬于高級(jí)天線性能仿真軟件,可以在大型電氣平臺(tái)上快速準(zhǔn)確地 預(yù)測安裝天線的方向性、近

45、場分布和天線間的耦合。該軟件利用近似的射線彈跳法(SBR +)技術(shù),以較高的速度和可擴(kuò)展性,高效地計(jì)算準(zhǔn)確的解。(4)HFSSIE:即 HFSS積分方程法,使用三維矩量法技術(shù)。這是研究輻射(如天線設(shè) 計(jì)或安裝)和散射(如雷達(dá)截面積 RCS)等問題的理想選擇。求解器可以使用多層快速多極 子算法或自適應(yīng)交叉近似算法(ACA),減少內(nèi)存需求和求解時(shí)間,使得該工具能夠用于求 解電大尺寸問題。(5)HFSS混合技術(shù):有限元邊界積分(FE BI)混合技術(shù)為 HFSS 提供了理想的吸收 邊界條件。通過減少有限元域總體積的共形輻射邊界(包括凹性幾何形狀)設(shè)置,顯著減小 尺寸,實(shí)現(xiàn)天線平臺(tái)集成問題的仿真?；旌锨?/p>

46、解技術(shù)建立在 HFSS、HFSS IE 和域分解方 法 (DDM)上,用于計(jì)算復(fù)雜的大型電氣、電子系統(tǒng)?？捎糜诰植繎?yīng)用適當(dāng)?shù)那蠼馄骷夹g(shù),可 以使用 HFSS的有限元算法求解具有大量幾何細(xì)節(jié)和復(fù)雜材料屬性的區(qū)域,可用 HFSS IE 的矩量法解決大型目標(biāo)或已安裝天線的平臺(tái)區(qū)域。該混合求解方法在單個(gè)設(shè)置中即可實(shí) 現(xiàn),并使用單個(gè)或可擴(kuò)展的形式進(jìn)行矩陣求解。2)ANSYSHFSS軟件的優(yōu)勢 由于 HFSS軟件中的各個(gè)求解器采用特定的電磁數(shù)值分析技術(shù),因此在工程中需要以 專業(yè)的電磁理論知識(shí)為指導(dǎo),根據(jù)工程電磁問題的特點(diǎn)有針對(duì)性地選擇應(yīng)用。ANSYS HFSS軟件的主要優(yōu)勢包括以下幾方面:(1)先進(jìn)的自適

47、應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)提供對(duì)分析效率的提升,用戶只需要指定幾何形狀、 材料屬性和期望的輸出即可。網(wǎng)格生成過程使用高度穩(wěn)健的體網(wǎng)格生成技術(shù),并且具有多 線程加速功能,減少了內(nèi)存使用量,并縮短了求解時(shí)間。(2)可以仿真考慮諸多情況下(包括單元間耦合、天線輻射方向圖、掃描輸入阻抗和 近/遠(yuǎn)場輻射)的周期陣列電磁效應(yīng)。可以利用幾何形狀的周期性,高效模擬無限大和有限 規(guī)模的陣列。(3)高性能計(jì)算技術(shù)可以更加快速和準(zhǔn)確地求解問題。例如,利用單臺(tái)計(jì)算機(jī)上的多 個(gè)內(nèi)核縮短計(jì)算時(shí)間,多線程技術(shù)加快了初始網(wǎng)格生成、矩陣求解和場恢復(fù)過程;將多個(gè) 求解頻點(diǎn)分布到多個(gè)核和節(jié)點(diǎn)上并行計(jì)算,從而加速頻率掃描等。(4)ANSYSSI

48、選項(xiàng)為 HFSS 添加了瞬態(tài)電路分析模塊,使用戶能夠創(chuàng)建包含驅(qū)動(dòng)電 路和高速通道的分析與設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路可以是晶體管級(jí)電路、基于輸入/輸出信息規(guī)范(I- BIS)的電路或理想電路。(5)全波SPICE功能可一鍵生成高精度、高帶寬的SPICE模型。該功能使用戶能夠在 考慮千兆頻率效應(yīng)的情況下,設(shè)計(jì)電子和通信組件。4.ADS軟件 ADS軟件是一款具體針對(duì)電路及系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)軟件,其軟件界面及應(yīng)用如圖 1219 所示。集成了多種仿真軟件的優(yōu)點(diǎn),仿真手段豐富多樣,可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、 數(shù)字與模擬、線性與非線性、高頻與低頻、噪聲等多種仿真分析手段,范圍涵蓋小至元器 件、大到系統(tǒng)級(jí)的仿真分析設(shè)計(jì)。圖12

49、19 ADS軟件界面及應(yīng)用1)ADS軟件的特點(diǎn) 對(duì)于完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),該軟件具有如下突出特點(diǎn): (1)該軟件是創(chuàng)新和行業(yè)領(lǐng)先的仿真技術(shù),包含S參數(shù)線性頻率域仿真器,諧波平衡 非線性頻域模擬器,電路包絡(luò)混合時(shí)域/頻域非線性模擬器,瞬態(tài)/卷積時(shí)域模擬器,Mo- mentum3D平面 EM 模擬器,有限元全3DEM 模擬器,X 參數(shù)發(fā)生器模擬器,信號(hào)完整 性通道模擬器,KeysightPtolemy系統(tǒng)模擬器。(2)該軟件使用顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。其數(shù)據(jù)顯示功能使工程師可以通過后處理和 分析數(shù)據(jù)來了解設(shè)計(jì)的性能,而無需重新運(yùn)行模擬。許多內(nèi)置功能簡化了流程,為了增加 靈活性,工程師甚至可以自行編寫命

50、令(例如,創(chuàng)建負(fù)載牽引輪廓,增益圓或眼圖等)。(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。初始設(shè)計(jì)完成后,ADS優(yōu)化器可以進(jìn)一步提高其標(biāo)稱性能。ADS優(yōu)化 可提供多個(gè)優(yōu)化變量、交互式調(diào)整和進(jìn)度控制的交互式環(huán)境。使用該軟件可以進(jìn)行最佳性 能分析,同時(shí)獲得優(yōu)化變量與目標(biāo)的設(shè)計(jì)。(4)合理進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。ADS具有獨(dú)特且易于使用的統(tǒng)計(jì)工具,可在設(shè)計(jì)過程中查 明問題。良率靈敏度直方圖有助于確定最敏感的組件,以及如何更好地設(shè)置其規(guī)格以提高 制造產(chǎn)量。 (5)輕松的布線。ADS提供了一個(gè)功能齊全的工具,用于生成 RF布局。憑借大量認(rèn) 可的分析設(shè)計(jì)套件,ADS可幫助工程師在第三方的特定工藝中布局特定的設(shè)計(jì)。MMIC工 具欄和布局命令行

51、編輯器可在所有增強(qiáng)型代工工藝分析與設(shè)計(jì)套件(PDK)中使用,確保用 戶可輕松訪問布局編輯命令,并提供全套布局驗(yàn)證工具。(6)使用 ADS桌面 DRC 和 LVS盡早捕獲錯(cuò)誤。通過 ADS桌面設(shè)計(jì)規(guī)則檢查工具 (DRC)可以確定物理布局是否滿足第三方分析與設(shè)計(jì)規(guī)則。使用 ADS桌面布局與原理圖 (LVS)來驗(yàn)證布局和原理圖之間是否存在差異,以識(shí)別缺少的組件,并輕松查找和更正原 理圖或布局中的連接?；诮M件的LVS采用嵌套技術(shù)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì),可找到模塊級(jí)布線和引腳交換錯(cuò)誤。ADS還支持 Calibre和 Assura軟件的 DRC/LVS功能。(7)具有集成的電熱解算器。ADS提供完整的三維熱解算器

52、,與 ADS布局環(huán)境和電 路仿真器緊密集成。只需將 Electro-Thermal控制器添加到 ADS原理圖,啟動(dòng)電路仿真, 集成的熱解算器將在后臺(tái)運(yùn)行。無需手動(dòng)即可將IC 布局導(dǎo)出至獨(dú)立的熱解算器,并將溫 度數(shù)據(jù)導(dǎo)入電路仿真器。 (8)系統(tǒng)化的多技術(shù)能力。ADS可以在分析、設(shè)計(jì)或共同分析設(shè)計(jì)的IC、層壓板、封 裝和印刷電路板上以交互方式進(jìn)行功能權(quán)衡。采用多種技術(shù)設(shè)計(jì)的電路可以在電路和全 3DEM 級(jí)別進(jìn)行組合仿真。不同于前面的電磁場仿真軟件,ADS軟件更適用于電路的仿真分析。而這一特點(diǎn)較好 地滿足了電磁兼容場 路仿真中路分析的要求。ADS軟件的主要優(yōu)勢如下: (1)該軟件是業(yè)界流行的電路和系

53、統(tǒng)仿真器,屬于全套快速、準(zhǔn)確且易于使用的模擬 器,優(yōu)化操作,在使用多個(gè)強(qiáng)大的優(yōu)化器中的任何一個(gè)時(shí),可進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和控制。 (2)具有較為完整的原理圖捕獲和布局環(huán)境,可直接訪問3D平面和全3DEM 場解算器。(3)具有廣泛的 RF和 MW PDK 覆蓋范圍,得到領(lǐng)先的代工廠和行業(yè)合作伙伴的認(rèn) 可,EDA 和設(shè)計(jì)流程與 Cadence、Mentor和 Zuken等公司整合,從電路原理圖生成的 X 參數(shù)模型可用于非線性高頻設(shè)計(jì)的 Keysight非線性矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(NVNA)。(4)具有不斷更新的無線庫,用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證新興的無線標(biāo)準(zhǔn)。5.簡單仿真分析舉例 下面給出三個(gè)簡單的仿真分析案例,包括金屬盒

54、電磁分析、各向異性復(fù)合板的屏蔽效 能分析以及頭部對(duì)于手機(jī)輻射的吸收仿真。這些案例較為直觀地反映了仿真分析在電磁兼 容領(lǐng)域中的應(yīng)用特點(diǎn)。1)金屬盒電磁分布分析 (1)問題描述。本例展示的是一個(gè)由同軸線饋電、帶有空槽的金屬盒子的電磁兼容性 計(jì)算,重點(diǎn)關(guān)注饋電結(jié)構(gòu)的S11、金屬盒電場遠(yuǎn)場分布、表面電流分布以及距離金屬盒3m 和10m 處的電場強(qiáng)度。(2)仿真模型。整個(gè)結(jié)構(gòu)由長方體金屬盒與上表面的同軸線饋電結(jié)構(gòu)組成。金屬盒底 棱的上方開一個(gè)狹槽,金屬盒內(nèi)部填充空氣。金屬盒頂部非中心位置處垂直安裝同軸線饋 電結(jié)構(gòu),同軸線內(nèi)導(dǎo)體與一根圓柱體導(dǎo)線連接。該導(dǎo)線另一端延伸至金屬盒底部,并連接 一個(gè)47 的集總電

55、阻。整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖12 20所示。輸入信號(hào)由同軸線頂端饋入,頻率設(shè) 為 0Hz1.7GHz。圖1220 帶空槽的金屬盒子模型及激勵(lì)(3)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果如圖1221所示。對(duì)于饋電端口的S參數(shù),當(dāng)f40.9MHz 時(shí),S11-10dB,由標(biāo)識(shí)“1”指定。當(dāng)1034 MHzf1116 MHz時(shí),S11-10dB,由 標(biāo)識(shí)“2”和“3”指定。在這些頻段中,輸入信號(hào)能量反射較小。整個(gè)結(jié)構(gòu)在各個(gè)頻點(diǎn)下的電 場遠(yuǎn)場結(jié)果均可以由仿真計(jì)算得出。在本案例中,僅以頻段中心頻點(diǎn),即850MHz處的電 場遠(yuǎn)場結(jié)果作為典型進(jìn)行分析。在金屬盒開槽的方向,遠(yuǎn)場電場輻射較強(qiáng)。激勵(lì)的存在會(huì) 導(dǎo)致金屬盒表面電 流 變 化,類 似

56、 的 各 個(gè) 頻 點(diǎn) 下 的 表 面 電 流 均 可 計(jì) 算 得 出。圖1221 金屬盒仿真結(jié)果2)各向異性復(fù)合板的屏蔽效能分析(1)問題描述。本例展示的是一塊各向異性復(fù)合板的電磁波透射特性,主要關(guān)注入射 平面波穿過該平板后,與電磁波極化相關(guān)的透射特性。(2)仿真模型。各向異性復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖1222所示。圖1222 各向異性復(fù)合板模型及激勵(lì)(3)仿真結(jié)果。所得各向異性復(fù)合板背面電場值的x 和y 分量如圖1223所示?？梢?看到透射波中,y 方向場值大于x 方向場值,這是由于各向異性復(fù)合板y 方向電導(dǎo)率較小 所導(dǎo)致的,符合分析預(yù)期。此外,隨著頻率升高,透射電場值有所減小,表明復(fù)合板的屏蔽 效能隨

57、頻率增大而增大。圖1223 復(fù)合板背面仿真結(jié)果3)頭部對(duì)于手機(jī)輻射的吸收仿真 (1)問題描述。本例將展示用戶手持手機(jī)通話時(shí),手機(jī)天線的輻射情況以及頭部對(duì)電 磁波的吸收特性。在此重點(diǎn)關(guān)注0.9GHz和1.8GHz時(shí),手機(jī)遠(yuǎn)場輻射特性以及頭部比吸 收率(SAR)。(2)仿真模型。模型的整體結(jié)構(gòu)如圖1224所示。模型包含一個(gè)完整的手部、手機(jī)以 及頭部的模型。手機(jī)模型較完整的包含了手機(jī)的大部分零部件,如外殼、PCB電路板、電 池、鍵盤、屏幕、天線等。手部模型僅包含手腕以下部分,天線輻射對(duì)手臂部分影響小而忽 略。頭部模型與手部模型類似,在通話時(shí),手機(jī)對(duì)頭部以下的身體部分輻射影響小而可以 忽略。整個(gè)模型存

58、在于空氣中。對(duì)手機(jī)進(jìn)行饋電,分別記錄0.9GHz和1.8GHz時(shí)的計(jì)算 結(jié)果。圖12 24 手持手機(jī)打電話模型(3)仿真結(jié)果。頭部SAR分布如圖1225所示,為便于觀察分析,分析后的結(jié)果中去 掉了手機(jī)和手部的幾何模型?？梢钥吹皆诳拷謾C(jī)的部位,SAR 值較大;遠(yuǎn)離手機(jī)的部 位,SAR值較小。在頻率較高的情況下,SAR 分布更集中,且 SAR 值更大,f=0.9GHz 時(shí),SAR值最大約為0.561 W/kg,f=1.8GHz時(shí),SAR最大約為0.751 W/kg。圖1225 頭部對(duì)手機(jī)輻射的仿真結(jié)果12.5 車輛電磁兼容仿真分析案例電磁兼容仿真是將電磁理論、電磁兼容理論應(yīng)用于實(shí)際電磁兼容工程問

59、題的過程。在 工程應(yīng)用中,仿真是研究設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性的有效途徑。通過電磁兼容仿真,可以在 已知一些預(yù)備知識(shí)的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)的一些未知電磁兼容性規(guī)律進(jìn)行模擬和表現(xiàn), 從而為開發(fā)、研制、生產(chǎn)等后續(xù)技術(shù)提供一定的預(yù)判、分析準(zhǔn)備。在電磁兼容系統(tǒng)仿真分 析中,除了考慮設(shè)備的性能外,還需要考慮系統(tǒng)平臺(tái)的特性。12.5.1 車外天線空間特性仿真分析 對(duì)于一些綜合電磁傳感性能要求較高的車輛,往往分布著大量的收發(fā)天線。這些車載 天線可能包括短波電臺(tái)天線、超短波電臺(tái)天線、導(dǎo)航天線、衛(wèi)星通信天線及毫米波天線等。 由于這些車載天線的工作頻段跨度大,且發(fā)射輸出功率不盡相同,當(dāng)其集成裝備在車輛上 時(shí),不但可能會(huì)

60、引起天線的原先性能發(fā)生變化,還會(huì)使得車輛整體處在天線收發(fā)所產(chǎn)生的 特殊電磁環(huán)境中。一般而言,由于車輛上天線功能多樣,首先,應(yīng)根據(jù)天線的收發(fā)特性、增益、波束等特 點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行歸類。其次,結(jié)合車載系統(tǒng)要求、空間約束以及功率和頻率分配等關(guān)系,依照 分類,逐次仿真分析不同形式的天線在與車輛平臺(tái)結(jié)合后,其輻射的變化特征。最后,還 可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)、調(diào)整、優(yōu)化等方面的工作?？臻g輻射性能是天線的重 要特征。當(dāng)設(shè)計(jì)好的天線加載于平臺(tái)上時(shí),其方向圖會(huì)發(fā)生畸變。此時(shí),需要分析天線上 裝后的空間輻射特性的變化規(guī)律,考察其是否滿足系統(tǒng)兼容性的要求。對(duì)于車載天線仿真 分析,常需要考慮的問題包括:在天線的近