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ANSYS在航空航天器电磁兼容、电磁干扰分析中的应用20 世纪以来，由于电子、电气、无线通信、雷达探测等技术的发展及其在航空航天领域应用的日益拓展，与此相关的电磁兼容（EMC）及电磁干扰（EMI）等问题也日益受到重视，电磁兼容学科因而发展起来。电磁兼容的目的在于降低和消除人为和自然的电磁干扰，减少它的危害，提高设备和系统的抗电磁干扰能力，实现设备和系统的电磁兼容，最大限度地发挥设备和系统的效能。由于航空航天领域的特殊性，如高度集成性、高度精确性、高度复杂性和极其恶劣的工作环境等，因此电磁兼容在航空航天领域尤为重要。其应用包括在研制阶段进行整颗卫星的电磁兼容分析测试；卫星或飞机处于复杂电磁环境下进行电磁干扰分析；航空航天电子仪器、设备间的电磁兼容分析等许多方面。 电磁兼容(EMC)/电磁干扰（EMI）概念涵盖范围很广，在航空航天领域，由于载体所工作电磁环境的特殊性，电磁兼容设计具有鲜明的个性，其重要性也尤为突出，如：干扰源种类更复杂、数量更多、干扰影响程度及后果更为严重等。 通常电子系统满足以下三个条件，则认为是电磁兼容的： 不产生对其它系统的电磁干扰 不易被其它系统产生的电磁辐射所干扰 系统本身不存在相互间的电磁干扰（串扰-信号完整性） 电磁兼容的基本模式为：干扰源、传输途径、接收机。 ANSYS 在航空航天电子系统设计、优化中，用于分析解决由于电子产品小型化、集成化而导致的各种电、磁信号干扰问题。 对于系统电磁兼容问题的分析可以分为三个要素：即干扰源、接收机和传输途径。在上述复杂电磁环境下，要保持系统的正常工作将是非常艰巨的任务，下面从设计的角度讨论EMC/EMI 需要解决的主要问题。 干扰源分为：人工干扰源与自然干扰源。任意电子系统都既是干扰源又是接收机。电磁干扰传输途径有：传导、感应、辐射。一般电磁兼容测试中，传导干扰从很低频一直到100兆，主要测试干扰电压和干扰电流；辐射干扰从表面10KHz～40GHz，分段测试磁场强度。 航空航天电子系统干扰源主要包括： 系统功能决定航空航天设备中电子设备种类复杂、数量多，相互干扰严重； 来自太阳系、银河系的自然界无线电噪声，其中前者频率分布在整个无线电频段，后者频率在20-500MHz 范围内； 雷电干扰：雷电现象发生在离地球表面15～25 公里处，其频率在1KHz～5MHz，电位梯度高达1000KV/m，主放电电流可高达30KA，干扰破坏力极强。 火箭飞行过程中的静电充电和静电放电。这种静电充电现象起因于箭体与大气层中质点间的摩擦，火箭发动机发动时形成的电子漫射、热电子放射、光电子放射而导致火箭上充电。对近地轨道航天器和同步轨道航天器，由于表面受到紫外线和光照射，以及受到高能电子和质子撞击，可以使航天器充电到10～20KV，这些充电体可以通过电晕、电弧或表面电流放电，产生尖脉冲电流（射频电场高达1KV/m 或更高）,射频干扰频谱很宽。 空间可能释放的电磁脉冲及核爆炸产生的高压电磁脉冲（EMP），以及专门设计的高功率微波武器(HPM)，均具有频谱很宽、脉冲电场很高的干扰信号。 接收机分析：在航空航天系统中各种电子系统都容易受干扰影响，电磁兼容设计的一个关键问题就是使得接收机接收的干扰信号强度满足接收机的敏感门限值约束。 传输路径分析：对于电磁系统，各种源一般是通过空间、传导或接收天线进入接收机，有传导、辐射、感应三种传输方式： l 传导 是指干扰源信号通过连接电路、电源、电缆等进入接收机。实现这种传输有三种耦合通路：公共电源、公共地回路和信号线。同时，这种耦合还可以通过公共电源的电源阻抗实现耦合，或者通过公共地阻抗实现其耦合。 l 辐射 是指通过空间电磁场的耦合，按干扰源与敏感器件的距离相对干扰信号波长和物体外形尺寸的关系可以分为近场耦合和远场耦合。耦合场包括： ? 基准频率源高次谐波向空间泄漏场； ? 功率放大器向空间泄漏场； ? 天线阵面后向辐射场； ? 外空间干扰源耦合进系统中的同频干扰场。
l 空间/传导混合耦合： 指干扰信号先传导再辐射，而后被接收机接收或先辐射再由连接电缆传送到敏感器。其中比较典型的方式包括： ? 各种空间干扰通过接地线送至接收机； ? 各种空间干扰场被接收机输入电缆接收； ? 各种空间干扰通过电源传输线送入接收机； 对于航空航天领域，设计阶段实现电磁兼容目前采用试验、数值仿真两种措施或两者结合使用。由于高频试验受环境影响巨大，甚至很多情况下不具备试验的条件，因此早期单纯采用试验的手段往往出现周期长、代价高、测试不准确等问题。随着计算机技术及数值算法技术的的飞速发展，数值仿真与实验方法结合，可以大大缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品合格率，因此数值仿真技术已得到越来越多企业、设计人员的重视和应用。 航天部第八研究院使用ANSYS 软件对其设计的微带天线进行计算， 得到了天线的方向图及扫频下馈线端口的反射系数。图8-2 为微带天线几何实体，图8-3 为频率－反射系数曲线。
图8-2 微带天线 图8-3 频率－反射系数曲线 对所有电磁兼容问题，其数值仿真的核心是准确模拟物理电磁环境，包括准确提取干扰源、传输途径和接收机的数学模型，得出准确的电磁场分布信息。在这方面有限元算法以其灵活的场域适应特征，已成为主流算法。 ANSYS 提供了强大的电磁分析功能，能进行二维平面、轴对称和三维静态电磁场分析，二维平面、轴对称和三维随时间变化的低频电磁场分析，三维高频电磁场分析。ANSYS 还能进行二维或三维电场分析，包括电流传导、静电分析和电路分析。 在电气设备、电子仪器和用电装置中，总是把内部连接导线捆扎成一捆捆电缆。这样既整齐美观，又坚固便于固定，还有利于维修检查。但是这样却使电缆内部存在着不同程度的导线之间的耦合感应作用，严重的会使设备遭受干扰而导致性能降级或功能不正常。电缆中导线之间的耦合干扰是电气工程中最常见的干扰耦合模式之一。对于卫星、飞船、导弹、飞机、航空发动机等航空航天飞行器的电气设备中存在大量的电缆，对其进行电场耦合分析是十分必要的。ANSYS 提供了强大的电场分析功能，能协助设计师保证设备的正常工作。 图8-4、8-5 为PCB 板间的电磁干扰分析，分别为电场强度矢量图和云图。
图8-4 电场强度矢量图 图8-5 电场强度分布云图 在现代军事装备中，对于电子侦察卫星上的有效载荷、地面雷达、飞机的机载雷达、运载火箭和导弹的惯性导航控制系统等具有天线的设备，为了避免外来电磁干扰，保证其正常工作，利用ANSYS 进行电磁分析显得十分必要。 图8-6～8 为螺旋天线的电磁辐射分析。图8-6 为天线实物，图8-7、8-8 为天线中心截面上的电场强度、磁场强度矢量图。
图8-6 螺旋天线 图8-7 中心截面电场强度图 8-8 中心截面磁场强度 通常，在一个封闭系统中，像汽车、坦克、飞机、导弹、卫星和舰船等物体内部装载有许多的电气和电子设备，如电源、仪表、通讯、导航、控制操纵等设备。封闭系统内部电磁“污染”源主要来源于系统内部的高频电路、高速数字电路和瞬变电路的电磁辐射。因此，对其进行电磁分析变得越来越重要。ANSYS 软件的电磁分析能提供全面的分析功能。
图8-9 机箱内磁场分布 图8-10 机箱漏磁场分布 图8-9、8-10 为电子系统机箱内部及外部的电磁场辐射分析。图8-9 为机箱内磁场分布，图8-10 为机箱的磁场泄漏。 另外，现代先进军用飞行器都要求有隐身或部分隐身能力，以提高其在战场上的存活率，ANSYS 的高频电磁分析功能可以计算各种飞行器的雷达反射截面，而且还能进行优化设计，因而非常适合于飞行器的雷达隐身分析。
图8-11 图8-12 图8-11、8-12 为飞机远场雷达散射截面的分析，分别为不同方向的散射场分布。
图8-13 定向耦合器 图8-14 定向耦合器电场分布
图8-15 接收天线信号接收过程模拟，图为电场分布
图8-16 电流密度 图8-17 焦耳热损耗 用ANSYS 耦合场功能可分析PCB 板电流分布及发热。图8-16 为电流密度分布，图8-17为焦耳热损耗。
图8-18 微波滤波器 图8-19 微波滤波器电场分布
Aeronautica Industrial, S.A., Spain Honeywell Corporation, USA Aeronautic Industry, Development, Taiwan Honeywell-Defense Avionics Systems Div., Aerojet Electronic Systems, USA USA Aerospace Corporation, USA Honeywell Satellite Systems, USA Agency for Defense Development, Japan Honeywell Regelsysteme GmbH, Germany Alfa Romeo Avio, Italy Hughes Aircraft Company, USA Allied signal Aerospace, USA IAM R. Piaggio, Italy Allied-Garrett Engine Company, USA Ingenieurburo Mandanis, Switzerland Allied-Garrett Turbine Engine Company, USA Israel Military Industres, Israel Ametek Aerospace Products, Inc., USA Intel Corporation, USA Aviosystem, Italy Karta Technology Inc., USA Babcock & Wilcox, USA Korea Aerospace Research Institute, Kores Bailey Engineering Consultants, USA Lockheed Missiles and Space Company, USA Bell Helicopter Textron, USA Lucas Aerospace, Ltd., USA Boeing Advanced Systems, USA Lucas Aerospace Power Equipment Corp., USA Boeing Canada Technology Ltd., Canada Matra, France Boeing Commercial Airplane Group, USA Matra Defense DET DTO, France Boeing Computer Services, USA MBB GmbH, Germany Boeing Defense & Space Group, USA Mitsubishi Space Software Co., Ltd., Japan Boeing Aerospace Company, USA M.L. Aviation, Ltd., England Bofors, Sweden MoDonald Engineering Analysis Corp., USA Defese Research Establishmnt Valcartier, Moog, Inc., USA Canada NASA-Ames Research Center, USA Department of National Defense, Canada NASA Ames, USA DLR e.V., Germany NASA Lewis Research Center, USA DLR Oberpfeffenhofen, Germany NEC Aerospace Systems, Ltd., Japan Deutsche Airbus GmbH, Germany Nord-Micro AG, Germany Dornier Composite Aircraft GmbH & Co. Payload Systems Inc., USA KG, Germany PCC Airfoils, Inc., USA Eagle Picher Industries, USA Pratt & Whitney, USA Engine Components Inc., USA Raufoss A/S, Norway FFA, Germany Racal Defence Electronics (Radar), Ltd., FFT GmbH, Germany England Facet Quantek, USA Rediffusion Simulation, United Kingdom Fiar, Italy Rockwell International Corporation, USA General Electric Company Rolls Royce, UK GEC Avionics, Ltd.(MCD), England Schrack Aerospace, Austria GKN Defence, England S.M.A., Italy Grumman Aerospace Corporation, USA Sargent-Fletcher Company, USA Grumman DATA Systems, USA Samsung Aerospace, Korea Hight Patterson AFB, USA Schrack Aerospace Ges. mbH, Austria Selenia, Italy Unisys Corporation, USA Slingsby Aviation, Ltd., England U.S. Army-ARDEC (Picatinny), USA Space Communication Reseacrh Corp., Japan U.S. Army-Natick RD & E Center, USA Stork Product Engineering B.V., Holland U.S. Department of the Army, USA Swedish Space, Sweden USBI, USA Systron Donner, USA Vetco Gray, Inc., USA United Technologies Pratt & Whitney, USA Volvo Flygmotor, Sweden United Technologies Corporation, USA W.Keller Aero Construct GmbH, German United Technologies Research, USA
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