ANSYS對航空器電子產(chǎn)品電磁兼容及干擾解決方案

2013-06-06  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

ANSYS對航空工業(yè)解決方案(九)航空器電子產(chǎn)品電磁兼容及干擾解決方案:通過微波器件與微帶電路分析設(shè)計(jì)、電磁兼容(EMC)/電磁干擾(EMI)、電磁/熱耦合分析介紹了ANSYS對電磁兼容及干擾的解決方案。

作者: 安世亞太    來源: 安世亞太
關(guān)鍵字: CAE ANSYS 電磁兼容及干擾 

現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是完全基于分析仿真和優(yōu)化的結(jié)果,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的最初階段便開始采用分析仿真工具,在制造之前全面把握產(chǎn)品的性能,發(fā)現(xiàn)潛在的問題并加以解決,避免不必要的物理樣機(jī)試驗(yàn),以縮短設(shè)計(jì)周期,降低成本,從而在激烈的市場競爭中占據(jù)主動和有利的地位。對于航空航天器中各種各樣的復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),借助電磁場分析軟件輔助系統(tǒng)相關(guān)部分的設(shè)計(jì)尤其重要,它不僅可以縮短研發(fā)周期和成本,而且由于優(yōu)化方法的使用,使得研發(fā)出來系統(tǒng)的功能更為優(yōu)良。

12.6GHz下的波導(dǎo)濾波器

8GHz下的同軸→矩形波導(dǎo)適配器

波導(dǎo)轉(zhuǎn)接頭性能特性計(jì)算

射頻適配器            等粒子體腔體
圖9-1-1

航空航天器上具有的諸如天線等各種各樣的電子設(shè)備,它們同航空器本體一起構(gòu)成一個復(fù)雜的電子系統(tǒng),為了獲得優(yōu)良的工作性能,對各種電子設(shè)備進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)極為重要。ANSYS公司提供了從對電子器件、設(shè)備的分析與設(shè)計(jì)到對電子系統(tǒng)的電磁兼容性分析等一整套完整的電磁場分析解決方案,以及電磁場/熱耦合分析解決方案。在分析方法上,ANSYS軟件包含有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、快速多極子方法(FMM)、物理光學(xué)法(PO)、一致性繞射理論,以及混合計(jì)算方法(MOM/PO混合,MOM/UTD混合)等等。各種方法都有其特定的優(yōu)勢和適用范圍,如有限元法可以很好地處理由復(fù)雜材料構(gòu)成的、具有復(fù)雜幾何形狀的器件級結(jié)構(gòu)的高頻電磁場分析,而矩量法與高頻方法的混合計(jì)算方法可以處理電大與電小尺寸的混合結(jié)構(gòu)電磁場分析,從而使ANSYS電磁場分析軟件適用于多種電磁場分析應(yīng)用。

1.微波器件與微帶電路分析設(shè)計(jì)
微波器件與微帶電路是射頻電路的重要組成部分,其性能直接影響系統(tǒng)的工作性能。用于微波器件與微帶電路分析/設(shè)計(jì)時,ANSYS電磁場分析軟件具有以下明顯的特點(diǎn):

微帶線波導(dǎo)傳輸特性優(yōu)化

方向耦合器      低通濾波器

諧振腔品質(zhì)因數(shù)計(jì)算

微帶/微波電路以及數(shù)字濾波器等

圖9-1-2

完善的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式和激勵模式(同軸、矩形、平行板、圓形等)
可以處理各種復(fù)雜邊界條件(理想導(dǎo)電體PEC、理想導(dǎo)磁體PMC、遠(yuǎn)場輻射條件、導(dǎo)電體上涂敷介質(zhì)(吸波材料)、阻抗條件IBC、表面屏蔽、完全匹配層PML等)
靈活多樣的激勵模式(各種形式的波導(dǎo)端口激勵、體電流密度、面電流密度、線電流密度、點(diǎn)電流密度、平面波、表面磁場、表面電場、線電壓源等)
能夠處理各種復(fù)雜材料:有耗材料和無耗材料、各向同性和各向異性材料、復(fù)數(shù)形式材料(復(fù)介電常數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù))、帶頻響的材料等
獨(dú)具特色的快速掃頻計(jì)算(利用ANSYS獨(dú)有的級數(shù)展開技術(shù),一次計(jì)算即可完成整個所關(guān)心頻率范圍的掃頻分析)
    并行計(jì)算
    ……
    高頻分析能獲得所分析對象的如下主要參數(shù):
    節(jié)點(diǎn)電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度
    單元單位體積生成的焦耳熱、能量損耗
    單元波印亭矢量
    近場特性(近區(qū)電場和磁場)
    遠(yuǎn)場特性(遠(yuǎn)區(qū)電場和磁場、雷達(dá)散射截面RCS、天線方向圖PATT)
    等效傳輸網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣參數(shù)(S-參數(shù))并以Touchstone格式輸出
    入射功率和傳輸/反射功率
    電動勢、磁動勢和等效傳輸網(wǎng)絡(luò)的特征阻抗
    同軸波導(dǎo)等效傳輸線參數(shù)
    電磁場的共振頻率和共振模態(tài)(模式分析)
    諧振腔品質(zhì)因子(模式分析)

2.電磁兼容(EMC)/電磁干擾(EMI)
航空航天器上有許多電子器件與設(shè)備,它們與航空航天器載體本身一起構(gòu)成一個復(fù)雜的電磁環(huán)境。為了減小或消除設(shè)備之間,以及設(shè)備與系統(tǒng)之間的電磁干擾,實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的電磁兼容,最大限度地發(fā)揮設(shè)備和系統(tǒng)的效能,在設(shè)計(jì)時必須進(jìn)行電磁兼容(EMC)性分析。ANSYS軟件擁有多種技術(shù),可以任意結(jié)構(gòu)的EMC分析,如屏蔽、耦合,以及對生物體的影響等等?；谟邢拊姆治龇椒梢苑治鰪?fù)雜結(jié)構(gòu)/介質(zhì)的電磁兼容問題;而矩量法與高頻方法的混合算法可以分析電大與電小尺寸混合結(jié)構(gòu)的電磁兼容問題等等。

汽車電子器件EMC/EMI分析    兩電子機(jī)箱工作時的電磁輻射

靠近金屬板的兩根傳輸線的耦合

開口機(jī)箱的電磁屏蔽

圖9-2-1

靠近地面的傳輸線產(chǎn)生的輻射耦合到緊鄰其上的偶極子天線上后的近場分布

圖9-2-2

圖9-2-3 手機(jī)電磁輻射的人體SAR計(jì)算

機(jī)箱內(nèi)磁場分布            機(jī)箱漏磁場分布

圖9-2-4

 PCB板上電場強(qiáng)度矢量圖     PCB板上電場強(qiáng)度分布云圖 

圖9-2-5

3.電磁/熱耦合分析
高頻波導(dǎo)及天線器件常工作于惡劣環(huán)境下,外界環(huán)境的改變會影響器件的性能。ANSYS中的多物理場綜合考慮了機(jī)械變形、溫度變化等多種因素對微波元器件的影響,并提供了完整的解決方案。
ANSYS的多場耦合功能可很好地解決由于溫升而導(dǎo)致導(dǎo)波性能變化的問題。圖9-23-1中的彎形波導(dǎo)在工作中由于波導(dǎo)壁損耗產(chǎn)生焦耳熱及環(huán)境溫度的影響,溫度由20oC上升到60oC,波導(dǎo)內(nèi)的電場分布隨溫度的變化而變化,圖(a)為20oC時的電場分布,圖(b)、(c)分別為60oC時波導(dǎo)的變形和電場分布。

(a)20oC電場分布  (b)60oC結(jié)構(gòu)變形  (c)60oC電場分布
圖 9-3-1彎形波導(dǎo)的溫升特性分析

在有耗介質(zhì)和阻抗導(dǎo)體中,高頻電磁能量是以熱量的方式損耗的,溫度分布通常是高頻電子器件所關(guān)心的性能,ANSYS電磁/熱耦合分析可以對電子器件進(jìn)行這方面的分析。
圖9-23-2是用ANSYS軟件分析一帶有損耗立方體介質(zhì)塊的矩形波導(dǎo)進(jìn)行高頻電磁/熱耦合分析的結(jié)果。

(a)                      (b)
帶有損耗介質(zhì)塊的矩形波導(dǎo)上電場(a圖)與溫度場(b圖)分布(高頻電磁-熱耦合分析)

圖 9-3-2

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