無人機電磁仿真系統(tǒng)設(shè)計方案

無人機電磁仿真系統(tǒng)設(shè)計方案

1.無人機的現(xiàn)狀與未來發(fā)展

無人機（UAV）先后經(jīng)歷了無人靶機、預(yù)編程序控制無人偵察機、指令遙控

無人偵察機和復(fù)合控制多用途無人機等發(fā)展階段，目前已經(jīng)發(fā)展到了無人作戰(zhàn)

飛機系統(tǒng)（UAS）。UAS的主要功能包括：

1、信息獲??；

2、攻擊及支援;

3、奪取戰(zhàn)場電磁權(quán)；

4、提供預(yù)警及通信中繼能力；

5、目標(biāo)指引；

6、戰(zhàn)場輸送。

為順應(yīng)作戰(zhàn)運用的變化，美軍在《空軍2025》報告中提出今后幾十年無人

機的關(guān)鍵需求，明確了多任務(wù)平臺為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)無人機的下一個發(fā)展方向。在

綜合集成方面，無人機本身就是飛行器、各類傳感器、武器、發(fā)射與回收裝

置、通信系統(tǒng)、指控系統(tǒng)的融合體。除在目前的已知應(yīng)用領(lǐng)域，無人機的任務(wù)

設(shè)置還將深入進(jìn)攻、生化探測、反地雷、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御、電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)等各

個領(lǐng)域。

“全球鷹”無人偵察機由美國諾斯羅普?格魯門公司制造，是一種高空長

航時無人偵察機，續(xù)航時間大于42小時，可以提供高質(zhì)量的實時圖像，對大面

積區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。該機實用升限20500米，活動半徑5560千米，是目前世界上無

人機中最大的一種，裝一臺渦扇發(fā)動機。主要設(shè)備有：對地搜索雷達(dá)、光電探

測系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)、威脅報警系統(tǒng)和雷達(dá)干擾箔條投放系統(tǒng)?！叭蝥棥?/p>

可通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈把偵察到的圖像信息實時傳輸給地面站，該機能在20000米的

高度準(zhǔn)確識別停放在地面上的各種飛機、導(dǎo)彈和車輛的類型。美國洛克希

德?馬丁公司研制的X-47海軍型無人戰(zhàn)斗機，在攜帶900千克載荷執(zhí)行攻擊任務(wù)

時，作戰(zhàn)半徑可達(dá)2400千米以上，飛行高度12200米，自部署距離為6435-8045

千米。機上裝有探測/地面運動目標(biāo)指示雷達(dá)，探測距離可達(dá)96千米。波音公

司為美國空軍研制的X-45無人戰(zhàn)斗機，武器系統(tǒng)采用掛設(shè)計，機身中線兩側(cè)各

有一個武器艙，能夠根據(jù)作戰(zhàn)需要攜帶JDAM和小型精密制導(dǎo)炸彈等。

圖1-1.全球鷹無人機

下一代無人機的發(fā)展趨勢是：多用途；模塊化；全隱身；自主式；高空長

航時。關(guān)鍵技術(shù)包括：光技術(shù)、全頻譜高分辨率傳感器技術(shù)、片級集成技術(shù)、

智能蒙皮技術(shù)等。

其中全頻譜高分辨率傳感器技術(shù)是指未來無人機系統(tǒng)必須具備很強的目標(biāo)

探測能力，這就對雷達(dá)、集成紅外（IR）焦平面陣列、紫外（UV）焦平面陣

列、低溫慣導(dǎo)、激光雷達(dá)和微波探測儀等的傳感器在分辨率、精度、覆蓋圍和

實時性等方面提出了更高的要求。片級集成是一項新興技術(shù)，它可以將信號產(chǎn)

生、信號控制、信息處理、化學(xué)和物理敏感元件、液壓和機械傳動機構(gòu)以及輻

射的產(chǎn)生和探測等集成在一片3/8in薄片上。單片集成技術(shù)可以極大提高各種傳

感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和費用。集成的模擬、數(shù)字、聲、

磁、電磁、光電和機械電路系統(tǒng)將在未來的無人機系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在傳

統(tǒng)的設(shè)計概念中，飛機蒙皮是一種滿足氣動外形、強度和剛度要求的構(gòu)造結(jié)

構(gòu)，當(dāng)需要在飛行器上安裝天線和傳感器時，就在飛機蒙皮上鑿孔，這種安裝

方法會帶來不必要的結(jié)構(gòu)、氣動力、溫度和費用損失問題。負(fù)載和飛機機體低

水平集成的結(jié)果是機體更大、空中待命時間更短（由于更大的阻力導(dǎo)致飛行效

率降低）、生存力降低。比如在現(xiàn)有飛機上，前視紅外和微光電視旋轉(zhuǎn)平臺、

天線，甚至控制面的凸出物，不僅增加了飛機的氣動阻力，而且增強了飛機的

信號特征，從而使敵方傳感器很容易探測到無人機。智能蒙皮技術(shù)是指，在飛

機設(shè)計和制造期間就將天線、傳感器、發(fā)射機、接收機、信號和信息處理機、

射頻電纜、電力電纜、電控制電纜和溫控設(shè)備嵌入飛機蒙皮。此時，某些結(jié)構(gòu)

表面對各種射頻信號來說應(yīng)該是透明的，或者具有可控屬性以方便信號發(fā)射和

接收。各種有源和無源傳感器不一定只給單一的通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)、敵我識

別或?qū)Ш较到y(tǒng)提供信號，天線和傳感器分布可能覆蓋了75%的飛機蒙皮，可以提

供從幾兆赫到光頻圍（光波覆蓋的頻譜圍，包括紅外、可見光、紫外等，通常

可達(dá)到吉赫，太赫）的孔徑。

1.1工程仿真的重要角色

航空航天和國防工業(yè)的應(yīng)用之復(fù)雜，即便是實現(xiàn)精確仿真這類最基礎(chǔ)需求也

需要高質(zhì)量的物理域仿真及系統(tǒng)建模和仿真能力，并輔助以高性能計算和自動優(yōu)

化設(shè)計能力。天線共址時的電磁干擾評估、帶復(fù)雜材料涂覆的飛機的RCS計算、

功率和熱管理、或關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中的嵌入式驗證軟件、以及如影隨形的電磁、熱

和流體間相互作用等，ANSYS公司的研發(fā)愿景同航空航天和國防工業(yè)的需求始終

保持著高度的一致。這也是該行業(yè)的客戶對ANSYS的仿真技術(shù)信任長達(dá)40多年

的根本原因。

然而，想要在未來依然保持競爭力，單靠將這些各領(lǐng)域的仿真技術(shù)做精做深

是不夠的，還需要一系列關(guān)鍵的建模、仿真、設(shè)計和知識管理能力，從而真正做

到改進(jìn)整個產(chǎn)品開發(fā)流程。

1.2電磁、結(jié)構(gòu)、流體的多物理場仿真

ANSYS向客戶提供基于統(tǒng)一平臺、同一個參數(shù)化整機模型的電磁、結(jié)構(gòu)、流

體、乃至嵌入式系統(tǒng)的多個物理域仿真能力，能夠兼顧系統(tǒng)在外形、電磁、熱、

結(jié)構(gòu)等多方面的需求，方便的在多個物理場仿真之間進(jìn)行協(xié)同驗證和設(shè)計迭代。

將多物理相互制約因素納入數(shù)字化樣機研發(fā)的考慮疇，使得數(shù)字化樣機更加逼真。

完備、全面、精確地仿真真實的物理世界。ANSYS在物理域仿真方面提供的主要

能力如下：

?電磁、結(jié)構(gòu)、流體多個物理域及其耦合仿真;

?電路/電磁場雙向耦合仿真;

?高性能計算;

?多學(xué)科優(yōu)化;

圖1-2Workbench平臺下的多物理場仿真機

現(xiàn)今，在許多科研單位，建模和仿真數(shù)據(jù)的在工程師之間傳遞經(jīng)常是封閉且

效率很低的，這也經(jīng)常成為誤差和不確定性的源頭，因為在不同軟件工具之間傳

遞模型經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。例如，星載天線在環(huán)境溫度及大發(fā)射功率導(dǎo)致的電損

耗熱源的混合作用下產(chǎn)生的溫度場導(dǎo)致形變，從而影響天線的電性能。由于這種

形變通常非常微小且不規(guī)則，和在結(jié)構(gòu)和電磁仿真工具之間傳遞模型產(chǎn)生的誤差

幾乎在同一量級，采用傳統(tǒng)的仿真方法無法精確的對這個問題進(jìn)行預(yù)估。

ANSYS提供的多物理場仿真解決方案從這類特殊的多物理場耦合的問題入手,

對唯一的數(shù)學(xué)模型采用不同物理域的仿真技術(shù)進(jìn)行仿真，形變后的網(wǎng)格可在不同

仿真器之間自動交互，全面解決了計算精度和效率的問題，進(jìn)而延伸成為涉及多

個物理場仿真的工程問題的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

圖1-3通過電磁場仿真得到的天線電損耗分布

圖1-4溫升導(dǎo)致的應(yīng)力場分布

Gainphi=OdegHFSSDesign_03_smaller4

圖1-5形變前后的天線電性能（遠(yuǎn)場方向圖）變化

綜上所述，無人機的電子系統(tǒng)涉及很寬的頻段，為了避免各分系統(tǒng)之間的干

擾以及與結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)之間的干涉，必須在設(shè)計之初進(jìn)行系統(tǒng)性的規(guī)劃，系統(tǒng)

仿真在規(guī)劃中的地位顯而易見。

電磁仿真軟件應(yīng)用于工程設(shè)計可分為三個層次：一是部件級的仿真，如單片

集成電路、單天線、陣列天線、濾波器、功分器等；二是系統(tǒng)級的仿真，如天線

與饋電網(wǎng)絡(luò)、天線罩、收發(fā)鏈路設(shè)計等；三是布局仿真，如機載天線系統(tǒng)、平臺

電磁兼容設(shè)計等。如果說之前由于計算機硬件資源的限制，大部分應(yīng)用還停留在

第一個層次的仿真，那么隨著超級計算機和集群機的普及，隨著快速算法日益成

熟，第二、第三個層次的仿真越來越受到重視。

在無人機的設(shè)計中，這三個層次的任務(wù)都存在。對于片上集成電路系統(tǒng)，涉

及到信號完整性、電源完整性、數(shù)?；旌想娐泛碗姶偶嫒?電磁干擾問題，基于

傳統(tǒng)“路”的概念的方法已經(jīng)不能適應(yīng)技術(shù)的需要。結(jié)構(gòu)的電磁特性需要利用電

磁場仿真工具進(jìn)行電磁場計算，而參與輻射的信號能量大小則需要通過電路仿真

計算。同樣的結(jié)構(gòu)，在不同的頻率上，輸入不同的信號，具有不同EMI特性；另

外，同樣幅度的干擾信號，用于不同的結(jié)構(gòu)上，對不同的器件，會產(chǎn)生不同的EMC

結(jié)果；同時，對于我們目前的系統(tǒng)來說，還要進(jìn)行電路的時域和頻域仿真，研究

輻射干擾的幅度和傳導(dǎo)干擾的幅度，用于進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計，驗證EMC設(shè)計措施的

有效性，因此，對于EMI/EMC設(shè)計來說，電路和電磁場仿真都是必須的。

圖-6.板載模塊模型

圖1-7.單片級仿真

對于系統(tǒng)級的仿真，同樣需要電磁場、電路仿真協(xié)同，如圖「4所示，陣列

天線、饋電網(wǎng)絡(luò)與有源器件協(xié)同仿真，可以充分考慮各種因素對天線方向特性的

影響，極大縮短項目設(shè)計周期，提高研發(fā)效率。

Antenna

RFFeedI

圖「8.系統(tǒng)級仿真

考慮板載影響前后的天線方向特性如圖4-5所示。

AntennaAloneAntennawithBoard

圖「9.加載板載天線系統(tǒng)前后結(jié)果對比

1.2.機載雷達(dá)同無人機的一體化設(shè)計仿真

雷達(dá)已經(jīng)成為武器裝備系統(tǒng)的核心。隨著新軍事技術(shù)變革的發(fā)展，武器裝備

已經(jīng)完成了從機械化向信息化的跨越，目前正在向智能化的方向推進(jìn)。雷達(dá)在當(dāng)

前和下一個階段的主要發(fā)展方向是功能性增強，這個功能包括探測與隱身兩方面

容：1）探測功能增強是指探測距離增加、識別概率增高、低空探測能力提高。

這就要求雷達(dá)方向特性具有更低的副瓣、更高的增益、更寬的工作帶寬、更低的

掃描跟蹤角度。2）隱身功能增強是指要在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中更好地隱蔽自

身，這包括要能夠做到抗干擾、抗ARM低截獲概率（LPI）以及更小的雷達(dá)散射

截面（RCS）。綜合而言，現(xiàn)代雷達(dá)需要在時域、空域、譜域進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，達(dá)到

探測與隱身的目的。

由于無人機執(zhí)行任務(wù)的特殊性，特別是智能蒙皮技術(shù)的發(fā)展，機載雷達(dá)往往

需要與機體進(jìn)行一體化設(shè)計，這就是說，必須在雷達(dá)樣機設(shè)計時考慮其他電子系

統(tǒng)以及平臺對機載雷達(dá)的影響。

利用HFSS,可以實現(xiàn)有限大陣列的快速仿真分析、反射面天線的混合求解

計算、近遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)導(dǎo)入、陣列天線雜散電平分析、大規(guī)模陣列天線的并行計

算、天線罩與天線的協(xié)同仿真等，其中平臺對天線方向特性的影響如圖4-5所

示

圖「6.無人機平臺對機載雷達(dá)天線性能的影響

綜合而言，隨著大規(guī)模并行計算技術(shù)的發(fā)展，無人機電子系統(tǒng)的整體設(shè)

計已是大勢所趨，尤其是智能蒙皮設(shè)計，需要部件級、系統(tǒng)級和平臺級的協(xié)同仿

真，節(jié)省資源、提高效率，實現(xiàn)設(shè)計水平的關(guān)鍵性突破。

2.1整機電磁兼容設(shè)計

系統(tǒng)級EMC設(shè)計的目標(biāo)是整個裝備上各分系統(tǒng)電子設(shè)備間能夠互相兼容正

常工作，提高整系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，設(shè)計者關(guān)注的是以GJB1389A為基礎(chǔ)的

系統(tǒng)級電磁兼容性要求,如CE102、CS10KCS106、CS114.CS115,CS116.

RE102、RS103等。

整機電磁兼容設(shè)計任務(wù)

EME效應(yīng)

屏蔽接地

本系統(tǒng)產(chǎn)

屏蔽效能、接地方案

G殳備輻射等環(huán)境電平仿

扮真孔腔諧振宿真

真，抗EME分

等仿真析等

圖2-1整機電磁兼容設(shè)計

2.2整機天線布局設(shè)計

從電磁干擾源、干擾途徑和電磁干擾接受者這電磁兼容三要素的角度分析,

天線作為飛機上最直接的射頻能量發(fā)射和接收裝置，是電磁干擾和受擾的最直接

載體；機身、機艙及若干關(guān)鍵電纜為有害電磁能量提供了干擾途徑。因此合理有

效地完成天線布局設(shè)計是整個平臺系統(tǒng)設(shè)計成功與否的最重要的環(huán)節(jié)之一。

2.2.1整機天線布局仿真需求

整機天線布局設(shè)計主要針對飛機上天線的不同放置位置，多幅天線的相互

影響以及飛機平臺對于天線的性能影響等方面進(jìn)行分析，以及對多種可能工況

進(jìn)行參數(shù)掃描，實現(xiàn)天線布局的最優(yōu)化，得到最合理的天線布局設(shè)計。

2.2.2ANSYS針對整機天線布局的功能特點

HFSS天線庫置多種天線類型，可滿足天線設(shè)計及總體部門的快速天線建模

需求，HFSS軟件擁有業(yè)界最先進(jìn)的有限元求解器，其HFSS-HPC模塊具備超線

性加速比的DDM技術(shù)，結(jié)合HFSS-IE模塊，實現(xiàn)強大的混合算法FEBI,該方法

是求解天線布局這類電大尺寸問題的最佳方法，可達(dá)到最佳效費比。

Optimetrics模塊可實現(xiàn)天線布局的參數(shù)掃描和設(shè)計優(yōu)化，方便得到最佳設(shè)

計。AnsoftLinks模塊可導(dǎo)入外部CAD數(shù)據(jù)模型，省卻大型復(fù)雜模型的建模工

作量。

1）完備的天線模型庫，置多種常用天線類型，可直接生成參數(shù)化的三維仿

真模型，并可管理自定義的天線類型。

2）對任意三維結(jié)構(gòu)的全波頻域有限元、積分方程法求解器，以及最先進(jìn)的

FEBI求解技術(shù)結(jié)合HPC技術(shù)，全面考慮飛行器及其裝載設(shè)備對系統(tǒng)各天

線的影響，如方向圖的畸變以及各天線間的耦合效應(yīng)。

3）多端口技術(shù)及獨立的后處理技術(shù)可同時求解包含十幾付甚至幾十付天線

的布局問題。

4）在天線系統(tǒng)預(yù)布局時即可通過對虛擬原型仿真得到整個運載平臺和天線

系統(tǒng)的綜合電磁特性，得到天線工作時飛機周圍及機艙的電磁場環(huán)境分

布，實現(xiàn)快速、精確的天線布局設(shè)計預(yù)測。

2.2.3整機天線布局仿真實例

一個飛行器上通常會包含十幾乃至數(shù)十副天線，在整機天線布局驗證階段需

要對這幾十副天線同時進(jìn)行仿真，得到天線隔離度。HFSS可在一次仿真中同時

求解多部天線的互耦，因此在天線布局的仿真和設(shè)計效率上有巨大的優(yōu)勢。

C2BLoS

(Ku-Band)ATCGround

(118-137MHz)

圖2-2軍用無人機天線裝配示意圖

色標(biāo)圖顯示的多部天線之間的耦合度矩陣。通過顏色直觀地顯示天線之間

的互耦強度，藍(lán)色區(qū)域表示互耦小于一60dB,橘紅色區(qū)域的互耦在一16dB左

右。

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<=-6OdBCoupling

RL=ReturnLoss

圖2-3天線之間耦合度色標(biāo)圖

圖2-4無人機天線同時工作時天線輻射場圖

HFSS-IE采用積分方程法，支持無限平面邊界條件，其典型應(yīng)用在于研究飛

行器近地效應(yīng)。

圖2-5傾斜旋翼機降落過程中VHF機載天線的方向圖變化

2.3系統(tǒng)級射頻干擾仿真平臺EMIT

ANSYS公司多系統(tǒng)共址條件下的電磁兼容預(yù)估仿真分析軟件EMIT,用于仿真

如飛機、艦船、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、車輛等各種平臺，以及由它們組合構(gòu)成的復(fù)

雜系統(tǒng)中多個收發(fā)信機及設(shè)備干擾冗余度的精確仿真、分析、設(shè)計與系統(tǒng)評估。

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圖2-6.系統(tǒng)級射頻干擾仿真平臺EMIT

EMIT軟件的仿真設(shè)計思路從射頻干擾三要素（發(fā)射干擾源、耦合路徑、接收

機）出發(fā)，是與實際工程中射頻抗干擾性能緊密結(jié)合的仿真分析方案，利用其先

進(jìn)功能，在設(shè)計、更改、設(shè)備驗收或系統(tǒng)定型，維護系統(tǒng)開發(fā)，認(rèn)證和評審的整

個生命周期的各個階段，方便快速診斷與分析各類復(fù)雜系統(tǒng)之間的電磁兼容性和

射頻干擾，是整體大平臺項目在各個階段性決策節(jié)點所需要的分析與支持工具。

ANSYS公司的EMIT軟件提供豐富的Tx/Rx（發(fā)射機/接收機）模型參數(shù)、天

線參數(shù)、射頻器件模型參數(shù)等，可利用豐富的模型庫組成復(fù)雜且完善的多個收發(fā)

系統(tǒng)。軟件輸入為這些設(shè)備的RF通路及發(fā)射機和接收機頻譜特性，輸出為整個

系統(tǒng)中敏感接收機的射頻抗干擾余量（EMIBudget）oEMIT軟件特有多重保真共

址干擾預(yù)測技術(shù)可在復(fù)雜的射頻環(huán)境下快速診斷并定位射頻發(fā)射干擾源，可以幫

助各總體單位實現(xiàn)系統(tǒng)級電磁兼容和射頻抗干擾預(yù)估定性分析。

2.3.1多系統(tǒng)共址的射頻干擾冗余度計算

在分析多系統(tǒng)通道間的射頻干擾問題時，對多系統(tǒng)共址建模尤為關(guān)鍵，這是

一個復(fù)雜且跨越涉多學(xué)科的問題，如何管理多個系統(tǒng)的通道、器件以及天線數(shù)據(jù)

成為最大的挑戰(zhàn)。借助于EMIT豐富的通道、器件模型庫可以方便快速地建立多

系統(tǒng)共存原理圖。如下圖所示，左邊是數(shù)個發(fā)射通道，右邊的模塊則是數(shù)個接收

通道，發(fā)射頻譜、雜散、諧波、接收敏感度、信噪比等通道指標(biāo)都能以參數(shù)輸入

或者外部實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入的形式賦予。在系統(tǒng)中的射頻元器件的線性/非線性參數(shù)

也可以人為輸入或通過外部參數(shù)形式導(dǎo)入。

圖2-7.EMIT多系統(tǒng)通道共存原理圖

對于其中任意一對收發(fā)通道，EMIT都可以單獨對其進(jìn)行仿真，將計算得到

的接收機收到的干擾電平與其敏感度進(jìn)行比對，從而得到出當(dāng)前情況下接收機的

射頻干擾余量(EMIMargin),如下圖的M(f)就是針對某發(fā)射機能量，經(jīng)過收發(fā)

鏈路和天線空間耦合后進(jìn)入到接收機處的干擾電平與靈敏度的差值，如果大于1

則表示干擾功率高于靈敏度接收功率，接收機性能將收到影響。

M(f)=Ptx(f)+Ttx(f)+ATA(f)+Trx(f)-Srx(f)

圖2-8.1對1收發(fā)系統(tǒng)射頻干擾仿真

EMIT還可以仿真當(dāng)多個發(fā)射系統(tǒng)同時工作時，在多個收發(fā)通道之間產(chǎn)生的

有源互調(diào)交調(diào)產(chǎn)物，主要來源于兩個方面。第一是多發(fā)射機同時工作，產(chǎn)生的發(fā)

射頻譜耦合到接收機后與接收通道上的射頻前端非線性器件（如LNA等）產(chǎn)生的

交叉調(diào)試。第二是不同發(fā)射通道之間的互調(diào)，發(fā)射頻譜耦合到其他發(fā)射通道中,

與其通道的非線性器件（如PA等）也會互調(diào)，得到的互調(diào)產(chǎn)物會經(jīng)由該發(fā)射通

道往外二次耦合至接收通道，進(jìn)而影響接收機靈敏度。

圖2-9.多系統(tǒng)N對1射頻干擾效應(yīng)

多系統(tǒng)N對1仿真完成后，可以通過EMIT軟件的可視化結(jié)果直觀地觀察到

所有發(fā)射系統(tǒng)對特定接收信道的靈敏度影響，如下圖右下方矩陣圖所示，矩陣圖

中綠色單元表示對應(yīng)的兩個收發(fā)通道的耦合不會影響接收靈敏度，黃色單元表示

收發(fā)系統(tǒng)間產(chǎn)生的干擾能量與接收靈敏度水平相當(dāng)，紅色表示干擾能量超過接收

敏感電平，此時接收機靈敏度將會有所惡化?？梢愿淖兪瞻l(fā)系統(tǒng)中各器件的非線

性參數(shù)或者收發(fā)耦合量，就可以在矩陣圖中實時觀察到對接收靈敏度的改變。

圖2-10.多系統(tǒng)射頻干擾仿真可視化結(jié)果

除了直觀的矩陣圖顯示之外，EMIT還可以生成如下圖所示多發(fā)射系統(tǒng)同時

工作狀態(tài)下接收機抗干擾余量，所有的通道間交調(diào)互調(diào)產(chǎn)物都可以直觀顯示，也

可以看到每一個交調(diào)互調(diào)分量產(chǎn)生的來源，從而指引設(shè)計者找到消除惡化接收靈

敏度的方法和途徑。

100

50

(

s

p

)

-50

?>p

r100

u150

c

6

e

w

-200

1,0002100c310co4,000510Go6100c7,0008,000

Frequency(MHz)

PointEMIMarginPeakIn-BandEMIMarginReceiverSusceptibility-0-NoiseIn-BandEMIMargin

------PoweratRx

圖2-n.多發(fā)射通道同時工作時接收機的抗干擾余量

3.1機載射頻系統(tǒng)設(shè)計

機載射頻系統(tǒng)主要包括通信系統(tǒng)，電子對抗系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，分

別負(fù)責(zé)情報交互，干擾/反干擾，目標(biāo)探測和定位。為了適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的需

要，無論是通信，電子對抗還是雷達(dá)系統(tǒng)的性能都越來越高，傳統(tǒng)的設(shè)計采用的

是單一化的思路，即在飛機上分別設(shè)計安裝通信，電子對抗，雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng),

除了成本高昂之外，還會導(dǎo)致在一個狹小的空間中有多個系統(tǒng)相互爭奪資源，影

響作戰(zhàn)配合能力和電磁兼容能力。為了克服獨立射頻系統(tǒng)的缺點，目前的機載射

頻系統(tǒng)往往使用綜合射頻系統(tǒng)，采用公共射頻口徑，寬頻帶的接收機，在盡可能

接近天線的地方采用A/D轉(zhuǎn)換完成信號的數(shù)字化，從而統(tǒng)一考慮雷達(dá)，通信，電

子對抗和導(dǎo)航四個方面。采用綜合射頻系統(tǒng)可以降低射頻系統(tǒng)成本，減輕重量,

節(jié)約空間，并提高系統(tǒng)升級的靈活性，已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。

天線

綜合射頻系統(tǒng)構(gòu)架

ANSYS軟件具備機載綜合射頻系統(tǒng)的仿真能力，能夠完成通信，電子對抗,

雷達(dá)和導(dǎo)航子系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，以下為具體應(yīng)用說明。

3.1.1綜合射頻系統(tǒng)仿真

綜合射頻系統(tǒng)要現(xiàn)：共用天線的多波束，并且每個波束可以智能地實現(xiàn)雷達(dá),

通信，電子對抗和導(dǎo)航中的一種功能；足夠?qū)掝l帶的T/R模塊，采用數(shù)字化的頻

率合成技術(shù)，對應(yīng)每種應(yīng)用都要能夠?qū)崿F(xiàn)多載波的工作方式。

ANSYS軟件可以實現(xiàn)電路和電磁場和協(xié)同仿真，通過控制射頻電路的輻射和

相位，從而動態(tài)的改變天線陣列的波束情況，實現(xiàn)多波束多頻帶掃描，并且可以

分析射頻電路的不一致性導(dǎo)致的天線波束的變化。

AmplifierSub1

AmplifierSub1

AmplifierSub1

AmplifierSub1

NonLinear

transistormodel

陣列天線

在上圖的例子中，ANSYS軟件采用仿真層次化的項目管理方式，使用場路協(xié)

同仿真的方法，將放大器，移相器，衰減器等射頻電路和天線放在同一個項目中

進(jìn)行仿真，并將各個衰減系數(shù)，相移角度等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成變量進(jìn)行自動掃描,

從而形成不同的天線波束，以滿足通信，雷達(dá)和電子對抗應(yīng)用對于波束形狀的不

同要求

3.1.2雷達(dá)系統(tǒng)仿真

雷達(dá)通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波

發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。通常而言，雷達(dá)

的射頻系統(tǒng)需要滿足低旁瓣，高頻譜純度和低噪聲系數(shù)的要求。利用ANSYS軟件,

可以仿真包括雷達(dá)波形生成，發(fā)射通道，傳播路徑，目標(biāo)RCS,反射路徑，接收

通道，信號處理在的完整射頻鏈路，對于射頻通道指標(biāo)的要求和分配有顯著的指

導(dǎo)意義。

Time㈣Ee幽

經(jīng)過信號處理后得到兩個目標(biāo)回波射頻通道帶寬的增加導(dǎo)致更多噪聲

上述例子描述了一個典型的線性調(diào)頻（LFM）雷達(dá)所接收到的真實回波信號，

包含混疊在一起的兩個目標(biāo)回波以及背景雜波，可以看到射頻通道的帶寬的增加

會導(dǎo)致底噪顯著抬升。

雷達(dá)接收機部分的射頻通道后可以使用算法模型，從而可以研究在真實射頻

通道指標(biāo)（如濾波特性，非線性指標(biāo)和響應(yīng)速度等）下，被雜波干擾的不同雷達(dá)

波形的實際表現(xiàn)，從而指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計。

3.1.3通信系統(tǒng)仿真

通信系統(tǒng)需要在保證一定誤碼率的情況下，盡可能地提高傳輸數(shù)率和減低被

截獲概率，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)化。通信一般會使用各種先進(jìn)調(diào)制方式，提高

頻譜利用率，減少不同信道之間的干擾和泄漏，因此射頻通道的性能對通信系統(tǒng)

的整體表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。ANSYS提供了多種通信系統(tǒng)的接收機的模型，能夠方

便的改變

End-to-EndMPSKModulationSystem

BasebandMPSKTransmitterandReceiverhandletimealignmentandup/downconversion

RFTransmitterandReceivermodelfrequencybasednonlineardistorboneffects

MPSK調(diào)制通信系統(tǒng)

i#入時十袋的麻謹(jǐn)時十哭儲中的軸謹(jǐn)涅相派和馀入工力泵的￥本

從ANSYS軟件的仿真結(jié)果可以看到放大器的非線性會導(dǎo)致顯著的相鄰信道功

率泄漏，從而影響誤碼率的指標(biāo)，從而可以幫助設(shè)計人員改進(jìn)前端射頻功率控制

算法和電路，以提高通信系統(tǒng)性能。

4.1.無人機的隱身設(shè)計

目標(biāo)電磁散射特性的研究利用電磁波與目標(biāo)相互作用所產(chǎn)生的各種信息為

雷達(dá)準(zhǔn)確的獲得目標(biāo)的特征參數(shù)，推導(dǎo)其形狀、體積、姿態(tài)，為對目標(biāo)進(jìn)行分類、

辨別與識別奠定了基礎(chǔ)，對我國國防現(xiàn)代化建設(shè)有著重要意義，也是計算電磁學(xué)

的重要研究領(lǐng)域之一。

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS)的測試難度很大，滿足需求的測量環(huán)境少，且

測量誤差難以評估，因此，采用數(shù)值仿真的方法一直是目標(biāo)特性研究的重要手段。

隨著雷達(dá)隱身、反隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)特性的研究也不斷面臨新的挑戰(zhàn)，

因此成為對仿真新技術(shù)需求最為迫切的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

仿真技術(shù)是目標(biāo)特性研究的主要手段，目前國外在仿真的計算方法、建模技

術(shù)、以及工程實際應(yīng)用方面出現(xiàn)了若干研究熱點，如特殊結(jié)構(gòu)、特殊材料的目標(biāo)

特性研究、天線陣和天線罩RCS的研究、RCS的時域瞬態(tài)研究等。以下結(jié)合業(yè)界

最權(quán)威的仿真技術(shù)對其應(yīng)用進(jìn)行逐一說明。

4.1.1復(fù)雜飛行器的外形隱身設(shè)計與RCS仿真

采用FE-BI和DDM技術(shù)，結(jié)合高性能計算機的硬件平臺能夠有效求解復(fù)雜

飛行器的RCS仿真，并且單次仿真可得到數(shù)百入射角度下的單站RCSo

4.1.2介質(zhì)涂覆材料的隱身設(shè)計及仿真

涂覆吸波材料已經(jīng)在飛行器隱身方面應(yīng)用了多年，由于涂覆材料一般為薄

層介質(zhì)，屬性復(fù)雜，多層的涂覆結(jié)構(gòu)更加給模擬帶來了挑戰(zhàn)，其仿真具有非常

大的應(yīng)用價值，在涂覆材料的選擇和涂覆位置的選擇上，具有直接的指導(dǎo)作

用，對優(yōu)化飛行器的設(shè)計指標(biāo)具有非常重大的意義。HFSS軟件具有方便的薄層

模擬功能，能方便的仿真此類涂覆材料問題，可有效解決涂覆吸波材料的問

題。

如圖所示的彈體，分析其在雷達(dá)波正對鼻錐方向入射下的彈體表面電流分

布，分別分析了不涂覆，涂覆材料a,涂覆材料b三種不同情況下的情形，從

分析結(jié)果很容易看到不同的涂覆材料和涂覆方式會帶來不同的效果，其表面電

流的改變很明顯，通過計算其回波，可輕易判斷涂覆材料的效果好壞。在涂覆

隱身設(shè)計中，軟件的仿真將大大的縮短材料選型和優(yōu)化的過程，為實際設(shè)計提

供足夠的理論和仿真數(shù)據(jù)支撐。

彈體純金屬彈體有涂廈材料a

雷達(dá)波正對鼻錐方向入射時，入射波照射下

的彈體表面電流.

4.1.3復(fù)合材料的隱身特性仿真

復(fù)合材料也是隱身設(shè)計中經(jīng)常采用的方法，但由于復(fù)合材料相比金屬材料,

其屬性更加復(fù)雜，仿真和計算都具有相當(dāng)?shù)碾y度。HFSS軟件具有強大的基于函

數(shù)的建模功能，基于主從邊界的單元法適合模擬此類材料問題。單元法一采用

Floquet端口配合周期性邊界條件，利用Floquet模式理論，通過單元電性能綜

合得到整個周期性排列的陣列的電性能。

編織型復(fù)合材料單元法建模復(fù)合材料的RCS

4.1.4天線（陣）的RCS仿真

飛行器的散射主要由兩部分共享組成，一部分來自于外形及結(jié)構(gòu)，另一部

分主要的來源就是雷達(dá)天線。由于天線/天線陣的強電磁敏感性，在雷達(dá)波的照

射下，天線和天線陣往往會激發(fā)很強的散射貢獻(xiàn)，成為散射的重要貢獻(xiàn)源。所

以天線和天線陣列以及天線罩在整機隱身設(shè)計中地位居首。

天線的散射由結(jié)構(gòu)項散射和模式項散射構(gòu)成。結(jié)構(gòu)項散射是指天線的金屬

外形結(jié)構(gòu)對于電磁波的散射。模式項散射是指天線作為電磁波接收裝置，將入

射電磁波接收后，由不匹配的端口再次輻射形成的散射。天線陣由于還要考慮

單元間的互耦，因此模式項散射更為嚴(yán)重。

HFSS軟件中可方便的定義天線陣的散射計算，在定義入射波的同時，每個

天線單元都設(shè)置端口，這樣的設(shè)置可以降天線陣散射的結(jié)構(gòu)項和模式項都考慮

在，得到天線或天線陣的全部散射貢獻(xiàn)。

天線陣的模式散射計算定義方式

Mono?iatKRCS_p?_pb

在HFSS中仿真天線陣在工作頻點的單站RCS,紅色曲線為僅考慮結(jié)構(gòu)項的單站RCS,藍(lán)色

曲線為同時考慮結(jié)構(gòu)項和模式項在的單站RCS

4.1.5天線罩的RCS仿真

天線罩與天線互耦的問題包含許多復(fù)雜的近場效應(yīng)，全波有限元算法能夠為

近場解算提供必要的精度。HFSS中具有針對介質(zhì)薄層的邊界條件，其算法突破

傳統(tǒng)阻抗邊界在處理介質(zhì)薄層問題中的局限性，既能夠精確的考慮損耗，又能夠

將電場與磁場分量在介質(zhì)薄層兩側(cè)的變化考慮在。因此，HFSS可以在保證精度

的情況下，高效的求解多層介質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)，極降低了天線罩仿真的運算量。

在電尺寸不變的情況下，F(xiàn)SS層結(jié)構(gòu)會讓計算規(guī)模在原有基礎(chǔ)上提升30?

50倍，目前的解決方案為采用有限單元邊界積分法（FE-BI）配合域分解技術(shù)

在高性能計算機上并行求解。

4.1.6FSS與天線罩的RCS計算

特殊結(jié)構(gòu)或者稱之為結(jié)構(gòu)型材料在現(xiàn)代飛行器的隱身設(shè)計中越來越重要，

頻率選擇性表面(FSS)就是一類重要的特殊結(jié)構(gòu)，由于其頻率選擇的特性，在

天線罩上應(yīng)用廣泛，可降低帶外散射而又不影響帶電磁波的通過，對提升設(shè)備

的生存能力極有意義。

采用HFSS的主從邊界條件可方便的模擬FSS的周期性結(jié)構(gòu)，在設(shè)計FSS和

優(yōu)化設(shè)計的過程中，提高效率，保證效果。如下圖為耶路撒冷十字型FSS結(jié)構(gòu)

的仿真結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果，從圖上可看到仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合非常良好。

HFSS仿典結(jié)X

fs

li

-A

1?.W，，*MBF*equ?ncy|GKt)

15書目i**FrequencySeloctrve

SurfacesTheoryandDe&?gn",

BenAMunk.Fig215.pg38

FSS在雷達(dá)罩中廣泛使用，但其建模和仿真都極具挑戰(zhàn)，HFSS中可導(dǎo)入外

部模型，精確仿真得到包含F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)的天線罩的散射性能。

4.1.7縮減RCS設(shè)計與超寬帶RCS

已有的RCS研究主要關(guān)注在頻域窄帶RCS,但隨著超寬帶雷達(dá)應(yīng)用于目標(biāo)

探測以及縮減目標(biāo)RCS的設(shè)計需求，時域仿真也將成為RCS研究的重要手段。

它可為目標(biāo)特性的研究直接提供一維距離像信息，以及生成二維距離像所需的

數(shù)據(jù)，在縮減目標(biāo)RCS的設(shè)計中指導(dǎo)吸波材料的鋪放位置。并且時域仿真的入

射脈沖可看作具有超寬帶頻譜分量的入射波，對時域仿真得到的脈沖回波進(jìn)行

FFT變換后可直接得到目標(biāo)的超寬帶散射特性。

HFSS-Transient是HFSS的時域求解器，基于間斷伽略金時域（DGTD）

法，能夠很好地實現(xiàn)采用脈沖激勵類型的仿真，因此特別適合如雷擊、靜電放

電、瞬態(tài)RCS等短時激勵下的瞬態(tài)場顯示。DGTD是HFSS-Transient中采用的

時域算法，采用非均勻四面體網(wǎng)格和非均勻時間步長，結(jié)合了FDTD/FIT和時域

有限元法（FETD）、有限空間時域法（FVTD）的優(yōu)點，既通過四面體共形網(wǎng)格保

障了模型保真度，比FDTD/FIT法具有更高的精度，同時具備FDTD/FIT在速度

和存消耗上的優(yōu)勢。

目標(biāo)的瞬態(tài)場仿真和由此得到的一維距離像

5.1雷電防護

5.1.1雷電防護技術(shù)背景

雷電、高強度輻射場（HIRF）、電磁/核電磁脈沖（EMP/NEMP）等問題，已

成為影響飛機飛行安全的重要因素。在地球大氣中，平均每天約發(fā)生800萬次

雷電。其中幅值高達(dá)到200千安以上的雷電流占0.5%,電流的上升速率最高可

達(dá)每秒1000千安培左右。有統(tǒng)計表明，無人機在飛行過程中可能遭受惡劣天

線，甚至雷擊的影響。為提高飛機飛行性能，大量采用了現(xiàn)代電子技術(shù)，如計

算機飛控系統(tǒng)，通信導(dǎo)航系統(tǒng)，同時還大量采用了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)

合材料等。但遺憾的是，這些先進(jìn)的電子技術(shù)和材料技術(shù)，對雷電相當(dāng)敏感，

遭到雷擊后損失更大。迄今為止，至少有2500架飛機被雷電擊毀。因此，將大

氣雷電環(huán)境給飛行安全帶來的影響減至最小，一直是人們努力追求的目標(biāo)。

飛機雷電防護適航審查的符合性方法通常有分析計算方法、類比方法和地

面模擬雷電試驗方法。分析計算方法主要用于飛機某些能得出準(zhǔn)確解的局部結(jié)

構(gòu)和部件的計算。類比方法主要是將外形、結(jié)構(gòu)和用途都基本相同的飛機或結(jié)

構(gòu)與部件，與已通過適航審查的飛機或結(jié)構(gòu)與部件進(jìn)行對比，當(dāng)確實相同時，

也可以認(rèn)為滿足要求。地面模擬雷電試驗方法，主要用于新機型的研制、設(shè)計

和老機型的改進(jìn)或改型設(shè)計。由于飛機外形的不規(guī)則性及機械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)

的多樣性與復(fù)雜性，電場與磁場的精確解非常困難，因此，雷電試驗的方法被

認(rèn)為是最有效的方法。這個過程，類似于飛機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計加工完成后，仍需

由力學(xué)試驗來驗證其可靠性的過程。

5.1.2雷電防護仿真需求

針對飛機雷電防護設(shè)計，主要需要解決的有關(guān)問題包括：雷電分區(qū)、雷電

直接效應(yīng)、間接效應(yīng)、以及HIRF效應(yīng)分析。

雷電分區(qū)是飛機設(shè)計過程中，對飛機各部位對遭受雷擊的可能性的等級劃

分，以采用不同等級的防雷設(shè)計和防雷措施，主要分為直接雷擊區(qū)，掃掠雷擊

區(qū)，以及其他區(qū)域。此問題仿真，主要是針對飛機表面各部位雷電附著能力的

模擬，可通過靜電場的方式分析得到，可利用ANSYSQ3DExtractor軟件完

由于雷電過程屬于強瞬態(tài)電磁問題，所以，仿真其直接效應(yīng)，如空間電磁

場分布，以及間接效應(yīng)，如對天線的耦合等，都需要考慮其瞬態(tài)傳輸過程。因

此，需要用瞬態(tài)分析工具HFSSTransient分析雷電的瞬態(tài)輻射效應(yīng)。

HIRF效應(yīng)最主要的關(guān)注點是在強電磁輻射作用下的空間電磁場環(huán)境的變

化，因此可在頻域分析此類問題，可在HFSS軟件中完成此類分析。

5.1.3雷電防護仿真實例

1.雷電分區(qū)分析

雷電分區(qū)是飛機防雷設(shè)計的重要容，一般采用縮比模型測試的方式，但實

驗條件要求高，實驗成本很高，采用軟件仿真的方法可以方便得到各種不同假

想條件下的雷擊分區(qū)結(jié)果。下圖1為典型運輸機的雷擊分區(qū)劃分圖。

仿真分析原理：雷擊分區(qū)的分析本質(zhì)上是要找到飛機各部位對雷電的附著

可能性高低，以區(qū)分不同的防雷區(qū)域和防雷設(shè)計。在仿真上，可以分析雷電擊

穿之前，飛機上各部位的感應(yīng)場/感應(yīng)電流/感應(yīng)電荷的分布狀態(tài)，以判斷飛機

不同部位的擊穿可能性，也就是可以判斷雷電附著點的區(qū)域，通過綜合分析不

同位置的統(tǒng)計情況，最后可得到飛機的雷電分區(qū)圖。

仿真分析方法：在Q3D軟件中，建立雷電分區(qū)分析模型，飛機位于兩片帶

點云之間，帶電云分別帶有正電荷和負(fù)電荷，從而形成高電壓差，見圖2,分

析此情況下，飛機表面上的感應(yīng)電荷分布密度，從電荷的密度分布判斷雷電附

著點的大致區(qū)域，從而得到雷電分區(qū)結(jié)果，如下圖3所示。

圖2雷電分區(qū)分析模型

圖3帶電云之間飛機的電荷分布

仿真中，旋轉(zhuǎn)飛機的位置或者云層的位置，可得到不同方位角度上，飛機

的感應(yīng)電荷分布情況，綜合研究得出一個電荷強度的闕值，規(guī)定大于這個闕值

的區(qū)域即為區(qū)域1,即直接雷擊區(qū)，同理，可預(yù)測分析得出區(qū)域2和區(qū)域3,即

掃掠雷擊區(qū)和其他區(qū)域。然后通過與標(biāo)準(zhǔn)SAE-ARP-5416給出的定性和定量指標(biāo)

進(jìn)行對比，從而確定飛機雷擊附著區(qū)域類型，完成雷電附著區(qū)域劃分研究，如

圖3o

圖4闕值確定及區(qū)域劃分

2.雷電直接效應(yīng)及間接效應(yīng)分析

雷電直接效應(yīng)是指在雷擊過程作用下，飛機外的電磁場環(huán)境分布，興趣區(qū)

域的電磁場輻射場波形，間接作用主要是指雷擊過程中，機載電磁設(shè)備在雷電

作用下的電磁場感應(yīng)對設(shè)備的影響，關(guān)鍵在于得到雷擊信號耦合路徑以及耦合

量，主要的耦合路徑就是機載天線以及電纜，所以仿真得到天線端口的感應(yīng)電

壓波形或電纜端口的波形，即可得到雷擊對于機設(shè)備的間接效應(yīng)。圖5即為

F35飛機在雷擊作用下，某一時刻的空間電磁場分布。圖6為雷擊作用下，機

腹下部的刀片天線的耦合電壓波形。

圖5雷電輻射下的電磁環(huán)境分布

圖6雷擊作用下，刀片天線上的感應(yīng)電壓波形

3.HIRF效應(yīng)分析

高強度輻射場(HighIntensityRadiatedField,HIRF)是來自地面、艦

船、海上平臺或航空器上的雷達(dá)、無線電、電視、衛(wèi)星上行數(shù)據(jù)等高功率發(fā)射

機的輻射，它是由人類活動造成的電磁環(huán)境問題，特點是頻帶寬、作用時間

長。

主要問題分析：

1)HIRF環(huán)境下，設(shè)備區(qū)域的電磁環(huán)境分析(得到關(guān)注區(qū)域的感應(yīng)電磁場

分布，以評估HIRF的影響)；

2）HIRF環(huán)境下，耦合到敏感設(shè)備上的能量分析（最終HIRF對航電系統(tǒng)的

干擾作用的直接體現(xiàn)）；

3）改進(jìn)系統(tǒng)電磁防護設(shè)計（艙段布局設(shè)計，本征模式分析）；

圖7和圖8所示實例為F35飛機在HIRF環(huán)境下的空間電磁場分布分析以及

刀片天線的耦合電壓波形分析結(jié)果。

MQnakr)

圖7F35在HIRF環(huán)境下的環(huán)境電磁場分布

圖8刀片天線在HIRF環(huán)境下的端口感應(yīng)電壓波形

6.1多物理場耦合分析仿真實例

首先基于項目需求進(jìn)行概念設(shè)計和方案設(shè)計，確定初步設(shè)計參數(shù)，然后進(jìn)

行電磁場仿真和優(yōu)化、調(diào)諧，結(jié)合饋電系統(tǒng)、T/R模塊、天線罩、天線安裝平

臺等進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能，接著考慮天線的結(jié)構(gòu)特性，加入

結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和多物理場仿真，如果結(jié)構(gòu)件對天線電磁性能產(chǎn)生影

響，則返回電磁仿真工具中進(jìn)行調(diào)整，最后，綜合判定天線的技術(shù)指標(biāo)完成天

線的最終設(shè)計并提交生產(chǎn)。

在電磁、結(jié)構(gòu)和熱仿真工具之間實現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的傳遞和雙向耦

合仿真。電磁損耗造成的發(fā)熱，需要進(jìn)行散熱設(shè)計，避免溫升造成的系統(tǒng)和部

件失效，影響可靠性。對于高精度、高指標(biāo)的微波和天線部件，如天線隱身設(shè)

計等，需要將電磁損耗作為分布式熱源，結(jié)合外部熱源，如光照、傳導(dǎo)熱等，

考慮散熱結(jié)構(gòu)和散熱條件，在熱仿真軟件中進(jìn)行耦合仿真，考慮材料特性溫度

變化，得到準(zhǔn)確的最高溫度，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)仿真軟件中，將溫度分部導(dǎo)入，仿真

M_forward-Workhmrh

Tools

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聒AjdHiM-aiowMoUnQtPoMiow)采用HFSS?IE作RCS分析(MonoRCS)

K8HudHow?Extnalon(PoMtow)

QHudHowJCFX)

聒HudHow(Huant)

⑥HudHow(Myflow)

(QHormoneR6Pomc

.*S5由參數(shù)集控制

0*SS-I￡

醐H/diodymmcMfraction的幾何模型

(HJH>?Jro<Mwi?cR??ponw

=ICEn^rw

?inovBucHmq?Sdubon2Q

fjlrw?BucWmQ(Sanc?n

/MagrwtoiUtK

0MaxwdJD采用作空氣動力學(xué)分析

.Mod!!Fluent

MModal(SmceO

MQ3D20Extractor

&Q?Extractor

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.RMpcntaSpoctrum

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(95a(tcStructural(SamceO

oStMdrSUttTherm?l

OSteady-StateThermal(Smcaf)

出ThenMl-ElectrK

@nvougMIow

采用DesignXplorer作設(shè)計探索

熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變，將形變之后的結(jié)構(gòu)返回到電磁場工具中研究結(jié)構(gòu)件的

電磁特性變化，仿真系統(tǒng)指標(biāo)的變化。

圖6TANSYSWorkbench統(tǒng)一的多物理場仿真平臺與設(shè)計流程

多物理場仿真中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括電磁場、熱、結(jié)構(gòu)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳

遞和轉(zhuǎn)換，建立與仿真環(huán)境數(shù)據(jù)接口，實時跟蹤和檢查設(shè)計進(jìn)度，同步數(shù)據(jù)更

新，實現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同同步設(shè)計。圖6-1所示，通過電磁場仿真求解器HFSS-IE

完成不同掃描角下目標(biāo)散射特性RCS的分析，由設(shè)計變量控釋幾何模型，共用

的幾何模型通過Fluent的CFD求解器完成空氣應(yīng)力分析。

ANSYSFLUENT采用計算流體動力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬技術(shù)，F(xiàn)LUENT既可

以定制化也可以和ANSYSWorkbench完全集成在一起，并允許用戶適當(dāng)調(diào)整集

成功能，輕而易舉地快速解決一些特殊的挑戰(zhàn)。ANSYSWorkbench平臺可直接

耦合CAD軟件，自動抽取流體計算域并劃分網(wǎng)格，輕松獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，滿

足CFD仿真精確和快速的需求。

無人機飛行器幾何模型為了滿足氣動性能，在后緣附近的尖角采用了優(yōu)化

設(shè)計，如圖6-2所示，隨著掃描角度的變化，通過多物理場耦合分析完成迎頭

方向入射單站RCS分析與飛行器空氣阻力的影響。

圖6-2不同掃描角幾何模型圖示

ANSYSDesignXplorer是一款專業(yè)的多物理場多目標(biāo)優(yōu)化軟件，它的主要

功能包括：

?參數(shù)掃描：給定設(shè)計參數(shù)的變化區(qū)間，獲取不同設(shè)計參數(shù)下產(chǎn)品性

月匕；

?參數(shù)敏感度分析：確定不同設(shè)計參數(shù)與產(chǎn)品性能關(guān)系的重要程度；

?試驗設(shè)計(DOE)：也稱為實驗設(shè)計；目的在于用最少的取樣點獲取精

確的響應(yīng)面；DesignXplorer有多種算法供用戶生成這些取樣點；

?響應(yīng)面分析：獲取整個設(shè)計空間產(chǎn)品性能的近似值

?大規(guī)模多參數(shù)目標(biāo)優(yōu)化：依據(jù)響應(yīng)面分析獲得最優(yōu)設(shè)計，參數(shù)達(dá)20個

左右時也可達(dá)到較高優(yōu)化效率；

?六西格瑪分析：實際制造過程中設(shè)備的良率可能性分布；

Workbench集成化的多物理場耦合仿真環(huán)境，實現(xiàn)電磁場、熱、溫度、應(yīng)

力、形變、流體的一體化設(shè)計仿真。

7.ANSYS電磁仿真軟件簡介

7.1ANSYSHFSS高頻三維電磁場分析軟件

ANSYSHFSS全波三維電磁

場仿真器，能求解從直流附

近到光波段所有頻段。特別

在微波設(shè)備設(shè)計中，ANSYS

HFSS作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工

具而被廣泛使用。

一般地，為了熟練掌握電磁

場仿真工具，需要學(xué)習(xí)艱深

的電磁場知識。ANSYSHFSS

具備了直觀友好的用戶界

面、確保求解精確的全自動

自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，以及

對復(fù)雜形狀實現(xiàn)穩(wěn)定分析的

求解器，使得初學(xué)者能夠與

資深使用者一樣，方便簡單

地得到精確的分析結(jié)果。

如果想針對某一系列問題進(jìn)

行電磁場領(lǐng)域的分析，

ANSYSHFSS能夠滿足您所

有的需求。

適用領(lǐng)域

?高頻組件：LTCC、介質(zhì)振蕩器、耦合器、濾波器、隔離器、功分器、芯片部件、磁珠

等

?天線：貼片天線、角錐天線、陣列天線、Vivaldi天線、八木天線等

?電纜：同軸電纜、雙絞線電纜、帶狀電纜等

?IC封裝：引腳型（QFP、PLCC、DIP、SOP等）、PGA、BGA,TAB,功率器件（IGBT,

功率MoSFET、DBC基板等）、MCM等

?連接器：同軸連接器、多腳連接器（端子型、卡槽型等）、插針插座等

?PCB板：裸板、平面、傳輸線、網(wǎng)格平面、硬板、混合板、柔性板

?其他：RFID、無線充電、EMC/EME核磁共振、微波加熱、光電接口

7.2ANSYSQ3DExtractor三維模型寄生參數(shù)抽取軟件

ANSYSQ3DExtractor可以根據(jù)三維

互聯(lián)結(jié)構(gòu)的形狀直接抽取寄生參數(shù)

（RLGC）,生成SPICE/IBIS模型。隨

著器件的高速/高集成化發(fā)展，反

射、傳輸延時、串?dāng)_、SSN等信號完

整性問題越來越突出，因此需要精確

求解封裝、連接器、過孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)

的寄生參數(shù)。ANSYSQ3DExtractor

使用邊界元法，根據(jù)實際的三維模型

和材料屬性，可以精確快速提取寄生

參數(shù)模型。

適用領(lǐng)域

?IC封裝：引腳型（QFP、PLCC、DIP,SOP等）、