第6講電磁兼容預(yù)測技術(shù)02

第6講電磁兼容預(yù)測技術(shù)02第一頁，共71頁。6.1電磁兼容性預(yù)測概述6.2電磁兼容性預(yù)測的數(shù)學模型6.3電磁兼容性預(yù)測算法6.4電磁兼容性預(yù)測軟件介紹Agenda第二頁，共71頁。6.1電磁兼容性預(yù)測概述基本原理基本方程數(shù)學方法電磁兼容性預(yù)測解析法近似法數(shù)值法第三頁，共71頁。6.1.1電磁兼容性預(yù)測基本原理一、為什么要電磁兼容預(yù)測

1.事后問題解決法：徹底解決困難，可能重新設(shè)計，成本高、周期長、性能下降。

2.系統(tǒng)設(shè)計法：設(shè)計階段進行干擾預(yù)測和分析，成本低、可用技術(shù)多時間技術(shù)、成本設(shè)計階段聯(lián)試階段生產(chǎn)階段成本可用技術(shù)第四頁，共71頁。電磁兼容性預(yù)測(ElectromagneticCompatibilityPrediction)：在設(shè)計階段通過理論計算的方法對電氣、電子元件、設(shè)備乃至整個系統(tǒng)的電磁兼容特性進行分析、評估。二、定義：第五頁，共71頁。應(yīng)用在方案設(shè)計階段和工程研制階段；分析不兼容的薄弱環(huán)節(jié)，評價系統(tǒng)或設(shè)備兼容的安全裕度，為方案修改、防護設(shè)計提供依據(jù)；在研制定型之前通過預(yù)先測知、發(fā)現(xiàn)干擾問題，采取抑制和防護干擾的措施；事半功倍，具有很高經(jīng)濟效益。三、特點：第六頁，共71頁。四、方法：計算機數(shù)字仿真技術(shù)用數(shù)學模型描述各種電磁干擾特性、傳輸函數(shù)和敏感度特性編制預(yù)測程序獲得潛在的電磁干擾計算結(jié)果運行預(yù)測程序第七頁，共71頁。五、作用：1.在已知設(shè)備電氣特性參數(shù)情況下，預(yù)測分析系統(tǒng)內(nèi)部所有設(shè)備的電磁兼容程度。2.當修改某個設(shè)備的特性參數(shù)時，分析電磁干擾的變化。3.對各種電磁防護設(shè)計的評估計算。4.制定干擾極限和敏感度規(guī)范。第八頁，共71頁。6.1.2電磁兼容性預(yù)測基本方程干擾源產(chǎn)生的干擾信號：傳輸函數(shù)：傳播到r處的干擾信號：（dBW）敏感設(shè)備的敏感度閾值：（dBW）備注：以上單位均為dBW

第九頁，共71頁。干擾裕度（InterferenceMargin，IM）：電磁兼容性預(yù)測基本方程，預(yù)測的基礎(chǔ)

>0，發(fā)生干擾，干擾源和敏感設(shè)備不兼容<0，兩者兼容IM越大，干擾越嚴重，安全裕度越??；IM越小，干擾越輕微，安全裕度越大；第十頁，共71頁。電磁兼容預(yù)測的數(shù)學實質(zhì)：6.1.3電磁兼容性預(yù)測的數(shù)學方法

根據(jù)一定的邊界條件來求解Maxwell微分方程或Maxwell積分方程的確定解。邊值問題求解三種方法：解析法；近似法；數(shù)值方法；第十一頁，共71頁。一、解析法：

建立和求解嚴格的偏微分方程或積分方程；微分方程：分離變量法積分方程：變換數(shù)學法

優(yōu)點：可將解表示為已知參數(shù)的函數(shù)，精確的結(jié)果；作為近似法和數(shù)值法的檢驗標準。

缺點：僅能用于解決很少量的問題，只有少數(shù)坐標系中能分離變量，而用積分法時往往又求不出結(jié)果，致使分析過程既困難又復(fù)雜。第十二頁，共71頁。二、近似法：

近似法：

1.逐步逼近法、微擾法、變分法、迭代變分法

2.結(jié)果一般都表示為級數(shù)。

3.可以求解一些用嚴格法不能解決的問題，簡便。

高頻近似技術(shù)：幾何光學法（GeometricalOptics，GO）物理光學法（PhysicalOptics，PO）幾何繞射法（GTD）物理繞射法（PTD）第十三頁，共71頁。幾何繞射理論（GeometricalTheoryofDiffraction,GTD）①繞射場沿繞射射線傳播，繞射射線是從源點經(jīng)繞射點至場點的極短傳播路徑；②繞射只取決于物體上繞射點鄰域內(nèi)的物理特性和幾何特性；③離開繞射點后，繞射射線沿直線傳播；④在繞射射線管內(nèi)能量守恒；⑤繞射場沿射線的相位延遲，等于媒質(zhì)的傳播常數(shù)與傳播距離的乘積?；靖拍睿旱谑捻摚?1頁。邊緣繞射尖頂繞射曲面繞射第十五頁，共71頁。

輻射和散射問題的高頻近似解是直射場、反射場和繞射場的疊加；射線尋跡：確定反射點和繞射點，并求出源點經(jīng)反射點或繞射點的極值路徑，得到反射、繞射軌跡。在物體幾何形狀復(fù)雜或者有遮擋時比較復(fù)雜，必須用數(shù)值計算方法進行射線尋跡。找出了反射線和繞射線后，即可通過疊加方法求出場點處的總場。求解方法：第十六頁，共71頁。三、數(shù)值法：

求解由于邊界復(fù)雜而不能解決的問題；通常用差分代替微分，用有限求和代替積分；使電磁場問題有可能通過計算機輔助分析獲得高精度的離散解（數(shù)值解）。第十七頁，共71頁。頻域數(shù)值算法：有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)矩量法(MethodOfMoment，MOM)差分法(FiniteDifferenceMethods，F(xiàn)DM)邊界元法(BoundaryElementMethod，BEM)傳輸線法(Transmission-Line-matrixMethod，TLM)快速多極子算法(FastMultipoleAlgorithm，F(xiàn)MA)……常用的數(shù)值算法第十八頁，共71頁。時域數(shù)值算法：時域有限差分法

(Finite-DifferenceTime-DomainMethod，F(xiàn)DTD)

有限積分法

(FiniteIntegrationTechnology，F(xiàn)IT)，時域平面波算法

(Plane-WaveTime-DomainAlgorithm，PWTD)……第十九頁，共71頁。6.2電磁兼容性預(yù)測的數(shù)學模型數(shù)學模型：1、干擾源模型2、耦合途徑模型3、敏感設(shè)備模型有意輻射干擾源、無意輻射干擾源、傳導(dǎo)干擾模型傳導(dǎo)耦合模型、輻射耦合模型接收機敏感模型、模擬數(shù)字電路敏感模型單頻連續(xù)波、脈沖序列、單脈沖、階躍（斜）波、調(diào)制波、振蕩波、噪聲波……第二十頁，共71頁。6.2.1干擾源模型（無線發(fā)射機模型）

輻射干擾的時間分布：取決于發(fā)射機的工作制式輻射干擾的空間分布：取決于發(fā)射功率和發(fā)射天線的方向圖輻射干擾的頻帶類型：基波、諧波、非諧波及寬帶噪聲輻射干擾源模型：第二十一頁，共71頁。一、基波發(fā)射模型基帶調(diào)制包絡(luò)函數(shù)：第二十二頁，共71頁。第二十三頁，共71頁。二、諧波發(fā)射模型通用諧波輻射模型：N為諧波次數(shù)，N≥2A、B、σ可由測量數(shù)據(jù)模型得到，或采用統(tǒng)計綜合諧波幅度模型。第二十四頁，共71頁。發(fā)射機諧波模型的常數(shù)注：由現(xiàn)成數(shù)據(jù)統(tǒng)計綜合模型得到第二十五頁，共71頁。諧波平均發(fā)射電平的綜合第二十六頁，共71頁。非諧波頻率：

用一定頻率區(qū)間可能出現(xiàn)的概率來描述。三、非諧波及寬帶噪聲模型第二十七頁，共71頁。6.2.2敏感設(shè)備模型（無線接收機模型）

接收機的選擇性曲線：潛在干擾信號同頻道干擾鄰近頻道干擾帶外干擾互調(diào)、交調(diào)干擾第二十八頁，共71頁。

同頻干擾：

存在于最窄的檢波前通道（超外差接收機為中頻帶寬）內(nèi)的干擾；使接收機減敏或淹沒希望信號，或產(chǎn)生嚴重失真。鄰頻干擾：

存在于或接近于最寬的接收機通帶內(nèi)的干擾；在接收機內(nèi)產(chǎn)生減敏、交調(diào)、互調(diào)等作用。

帶外干擾：

頻帶大大高于接收機帶寬（射頻帶寬）的干擾；產(chǎn)生接收機內(nèi)的亂真響應(yīng)。第二十九頁，共71頁。一、同頻道敏感度閾值模型接收機噪聲電平：D為識別系數(shù)，即接收機輸出端所允許的最小信噪比第三十頁，共71頁。二、鄰近頻道敏感度閾值模型中頻選擇性的分段線形化函數(shù)：第三十一頁，共71頁。鄰近頻道敏感特性第三十二頁，共71頁。三、帶外敏感度閾值模型頻率的連續(xù)函數(shù)：第三十三頁，共71頁。四、互調(diào)模型

互調(diào)：多個信號由于器件非線性效應(yīng)而產(chǎn)生新的頻率的過程，可分為有源互調(diào)和無源互調(diào)；有源互調(diào)分為發(fā)射機互調(diào)和接收機互調(diào)。接收機互調(diào)（最嚴重）：兩個或兩個以上信號同時進入接收機，由于接收機內(nèi)部器件的非線性（放大器、混頻器等）而產(chǎn)生的互調(diào)。超外差接收機中，若兩個或多個干擾信號混頻產(chǎn)生的新頻率足夠靠近接收機調(diào)諧頻率，它們可能被放大和檢波，對設(shè)備產(chǎn)生干擾。第三十四頁，共71頁。產(chǎn)生的新頻率組合為：各個高次諧波的頻率組合為：第三十五頁，共71頁。

偶數(shù)階（n=2，4，6，……）的組合頻率失真項難以形成互調(diào)干擾；

三階互調(diào)干擾危害最大；

五階以上互調(diào)干擾的系數(shù)小，危害小；可忽略危害大第三十六頁，共71頁。五、交調(diào)模型

交調(diào)干擾：不希望信號對希望信號進行了調(diào)制；一般由在接收機鄰近頻道區(qū)中的強信號產(chǎn)生；產(chǎn)生于接收機的非線性效應(yīng)，并要求干擾源具有幅度變化，即調(diào)幅；在鄰近頻道區(qū)內(nèi)任意頻率的單一干擾信號可能產(chǎn)生交調(diào)，但希望信號對交調(diào)產(chǎn)物幅度的影響可能抑制信噪比，使交調(diào)不如互調(diào)那樣嚴重。第三十七頁，共71頁。由調(diào)幅雙邊帶干擾產(chǎn)生的交調(diào)可表示為：第三十八頁，共71頁。6.2.3耦合途徑模型（天線與天線間的輻射耦合）一、天線模型(1)遠場天線模型鑰匙型平面方向圖主波束截面叫主瓣；副波束截面叫旁瓣；主瓣區(qū)域為有意輻射區(qū)，非主瓣區(qū)域為非有意輻射區(qū)。假設(shè)非有意輻射是各向同性的。高增益天線主瓣很窄可忽略，認為非有意輻射在整個球面均勻分布。第三十九頁，共71頁。(2)近場天線模型

近場不能由單一方向圖表示，它是角位置和天線距離的函數(shù)；過渡距離：近場增益的瞄準波瓣近似：第四十頁，共71頁。(3)天線區(qū)域的確定干擾源對干擾敏感體的影響程度主要取決于方向圖寬度，旁瓣電平，主波束相互取向，掃描方式和掃描扇形區(qū)范圍；若干擾敏感體配置在干擾源天線的主瓣內(nèi)（有意輻射區(qū)），且兩者的主瓣相互對準，干擾源對干擾敏感體的影響將是最大的。第四十一頁，共71頁。第四十二頁，共71頁。發(fā)射區(qū)：方位角：高低角：接收區(qū)：

方位角：高低角：方位角：高低角：或第四十三頁，共71頁。二、耦合算法電磁場的數(shù)值算法：矩量法(MOM)-一致性幾何繞射法(UTD)第四十四頁，共71頁。6.3電磁兼容性預(yù)測算法每個發(fā)射端口都可能與一個或多個接收端口有耦合路徑；耦合路徑既考慮空間輻射，也詳細考慮載體的繞射。假設(shè)端口、耦合媒質(zhì)為線形的，且每個發(fā)射端口的發(fā)射是統(tǒng)計獨立的，進入某接收端口的一個或多個發(fā)射信號可以按均方根或功率組合起來。計算接收端口的干擾余量，從而確定設(shè)備的電磁兼容性。電磁兼容性預(yù)測的思路：第四十五頁，共71頁。耦合路徑11耦合路徑22耦合路徑j(luò)k耦合路徑2k發(fā)射源1發(fā)射源2發(fā)射源j……敏感設(shè)備1敏感設(shè)備2敏感設(shè)備k……干擾值11干擾值22干擾值jk干擾值2k

預(yù)測時通常采用逐對考慮的方式，每次選一個發(fā)射源和一個敏感設(shè)備以及一種耦合方式，這稱為一個“發(fā)射-響應(yīng)對”。第四十六頁，共71頁。

為減少需考慮的發(fā)射-響應(yīng)對數(shù)目，通常采用四級預(yù)測方法，即：四級篩選方法：幅度篩選頻率篩選詳細分析性能分析

每級預(yù)測對整個問題作快速“掃描”，剔除明顯不可能呈現(xiàn)干擾的發(fā)射-響應(yīng)對，保留可能存在干擾的發(fā)射-響應(yīng)對。第四十七頁，共71頁。四級篩選流程圖：第四十八頁，共71頁。6.3.1幅度篩選(以通過天線耦合的電磁干擾為例)

分離大量弱干擾與少數(shù)強干擾，剔除明顯的非干擾情況，縮小預(yù)測范圍。分離的依據(jù)：計算得到的潛在干擾余量；假定：（1）傳輸損耗最小，（2）發(fā)射輸出的頻率和敏感設(shè)備所感應(yīng)的頻率一致。原理：

考慮：發(fā)射機基波、雜波功率電平和接收機基波、雜波響應(yīng)敏感度門限電平；天線方向性和傳輸損耗干擾裕度超過剔除電平，則保留該發(fā)射－響應(yīng)對；否則，剔除。應(yīng)正確選擇剔除電平。第四十九頁，共71頁。主要考慮四種情況：(1)基波干擾余量（FIM）：基波發(fā)射和基波響應(yīng)的頻率對準，并以無抑制的方式存在時的干擾電平。(2)發(fā)射機干擾余量(TIM)：基波發(fā)射與雜波響應(yīng)的頻率對準時的干擾電平。(3)接收機干擾余量(RIM)：基波響應(yīng)與雜波發(fā)射的頻率對準時的干擾電平。(4)雜波干擾余量(SIM)：雜波發(fā)射與雜波響應(yīng)的頻率對準時的干擾電平。先計算FIM，如果它小于剔除電平則不需計算其它情況，否則需計算TIM和RIM，如果其中任一個超過剔除電平，還需計算SIM。第五十頁，共71頁。6.3.2頻率篩選

考慮：發(fā)射機帶寬和調(diào)制特性、接收機響應(yīng)帶寬和選擇性、發(fā)射機發(fā)射和接收機響應(yīng)之間的頻率間隔等因素，修正幅度篩選階段所得的干擾裕度。若干擾裕度仍超過剔除電平，則保留該發(fā)射－響應(yīng)對。否則，剔除。原理：第五十一頁，共71頁?；靖拍睿悍治鲈谔囟òl(fā)射－響應(yīng)對之間的可能存在干擾的各種概率；兩種基本同頻概率：接收機帶寬等于或大于發(fā)射機帶寬，與發(fā)射機輸出有關(guān)的功率都被接收;接收機帶寬小于發(fā)射機帶寬，則僅接收與發(fā)射頻譜有關(guān)的部分功率。第五十二頁，共71頁。6.3.3詳細分析

考慮：特定傳播方式、極化匹配、近場天線增益修正、多個干擾信號的綜合效應(yīng)、時間相關(guān)統(tǒng)計特性、干擾裕度的概率分布等。

干擾裕度的概率分布與發(fā)射機功率、天線增益、傳輸損耗和接收機敏感度門限有關(guān)。如果所有分布均為正態(tài)的，則干擾裕度的最終概率分布也呈正態(tài)分布。

互調(diào)預(yù)測比較重要；第五十三頁，共71頁。6.3.4性能分析

主要問題：將預(yù)測的干擾電平與性能的量度聯(lián)系起來，即：將預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)換為描述系統(tǒng)性能惡化的定量表達式。需要建立系統(tǒng)性能的數(shù)學模型。系統(tǒng)性能分析采取的工作性能指標：清晰度記數(shù)、比特誤差率、分辨率、檢驗概率、虛警概率、方位角、距離、經(jīng)緯度、高度等誤差。第五十四頁，共71頁。接收機性能預(yù)測的方法和因素：第五十五頁，共71頁。評定系統(tǒng)性能的三種基本方法：(1)依據(jù)工作性能門限：工作性能門限基于系統(tǒng)所特定的信噪比（S/N），此比值為可接受性能和不可接受性能間的界限。此方法最為簡單，應(yīng)用最廣。(2)依據(jù)系統(tǒng)的基本性能：如清晰度記數(shù)、誤差率、分辨率等的度量。這方法主要用于分析具體信號和干擾狀態(tài)。(3)依據(jù)系統(tǒng)的效果。第五十六頁，共71頁。6.4電磁兼容性預(yù)測軟件介紹6.4.1國外EMC預(yù)測軟件

美，羅姆航空發(fā)展中心研制，電磁干擾預(yù)測程序IPP-1（InterferencePredictionProcessOne），用于分析和預(yù)測發(fā)射機和接收機之間的潛在干擾。

俄羅斯，國家系統(tǒng)科學研究院，航空機載設(shè)備電磁兼容性評估計算軟件，用于分析計算和評估航空機載設(shè)備在外部電磁干擾作用下的電磁兼容性和可靠性。(3)歐洲，航天局，TDAS-EMC（TestDataAnalysisSystemforElectromagneticCompatibility）第五十七頁，共71頁。(4)美，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，AirborneCommunicationNode(ACN)，用于飛行器通信系統(tǒng)的EMC仿真分析；(5)其他軟件：Antenna-to-AntennaPlusGraphics(AAPG)，GeneralEMModelfortheAnalysisofComplexSystems(GEMACS)，TransmitterandReceiverEquipmentDevelopment(TRED)，SpecificationsandEMCAnalysisProgram(SEMCAP)，IntrasystemEMCAnalysisProgram(IEMCAP)。第五十八頁，共71頁。（6）商業(yè)化軟件：美國ANSOFT公司HFSS、

Agilent公司ADS、

AppliedSimulationTechnology公司的Apsim，南非EMSS公司FEKO(FeldberechnungbeiKorpernmitbeliebierOberflache，任意形狀電磁場計算)

大多基于某幾種數(shù)值算法的混合，比如矩量法（MOM）、有限元法（FEM）、物理光學法（PO）等。它們的優(yōu)點是通用性強，精度高，界面友好。第五十九頁，共71頁。6.4.2國內(nèi)EMC預(yù)測軟件航空航天部門；艦船設(shè)計部門；國防科技大學：飛船電磁兼容性預(yù)測軟件

第六十頁，共71頁。軟件界面第六十