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2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
ANSYS对航空工业解决方案(九)航空器电子产品电磁兼容及干扰解决方案:通过微波器件与微带电路分析设计、电磁兼容(EMC)/电磁干扰(EMI)、电磁/热耦合分析介绍了ANSYS对电磁兼容及干扰的解决方案。
作者: 安世亚太 来源: 安世亚太
关键字: CAE ANSYS 电磁兼容及干扰
现代产品的设计是完全基于分析仿真和优化的结果,产品设计人员在设计的最初阶段便开始采用分析仿真工具,在制造之前全面把握产品的性能,发现潜在的问题并加以解决,避免不必要的物理样机试验,以缩短设计周期,降低成本,从而在激烈的市场竞争中占据主动和有利的地位。对于航空航天器中各种各样的复杂电子系统的设计,借助电磁场分析软件辅助系统相关部分的设计尤其重要,它不仅可以缩短研发周期和成本,而且由于优化方法的使用,使得研发出来系统的功能更为优良。
12.6GHz下的波导滤波器
8GHz下的同轴→矩形波导适配器
波导转接头性能特性计算
射频适配器 等粒子体腔体
图9-1-1
航空航天器上具有的诸如天线等各种各样的电子设备,它们同航空器本体一起构成一个复杂的电子系统,为了获得优良的工作性能,对各种电子设备进行分析和优化设计极为重要。ANSYS公司提供了从对电子器件、设备的分析与设计到对电子系统的电磁兼容性分析等一整套完整的电磁场分析解决方案,以及电磁场/热耦合分析解决方案。在分析方法上,ANSYS软件包含有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、快速多极子方法(FMM)、物理光学法(PO)、一致性绕射理论,以及混合计算方法(MOM/PO混合,MOM/UTD混合)等等。各种方法都有其特定的优势和适用范围,如有限元法可以很好地处理由复杂材料构成的、具有复杂几何形状的器件级结构的高频电磁场分析,而矩量法与高频方法的混合计算方法可以处理电大与电小尺寸的混合结构电磁场分析,从而使ANSYS电磁场分析软件适用于多种电磁场分析应用。
1.微波器件与微带电路分析设计
微波器件与微带电路是射频电路的重要组成部分,其性能直接影响系统的工作性能。用于微波器件与微带电路分析/设计时,ANSYS电磁场分析软件具有以下明显的特点:
微带线波导传输特性优化
方向耦合器 低通滤波器
谐振腔品质因数计算
微带/微波电路以及数字滤波器等
图9-1-2
完善的波导结构形式和激励模式(同轴、矩形、平行板、圆形等)
可以处理各种复杂边界条件(理想导电体PEC、理想导磁体PMC、远场辐射条件、导电体上涂敷介质(吸波材料)、阻抗条件IBC、表面屏蔽、完全匹配层PML等)
灵活多样的激励模式(各种形式的波导端口激励、体电流密度、面电流密度、线电流密度、点电流密度、平面波、表面磁场、表面电场、线电压源等)
能够处理各种复杂材料:有耗材料和无耗材料、各向同性和各向异性材料、复数形式材料(复介电常数和导磁系数)、带频响的材料等
独具特色的快速扫频计算(利用ANSYS独有的级数展开技术,一次计算即可完成整个所关心频率范围的扫频分析)
并行计算
……
高频分析能获得所分析对象的如下主要参数:
节点电场强度、磁场强度
单元单位体积生成的焦耳热、能量损耗
单元波印亭矢量
近场特性(近区电场和磁场)
远场特性(远区电场和磁场、雷达散射截面RCS、天线方向图PATT)
等效传输网络的散射矩阵参数(S-参数)并以Touchstone格式输出
入射功率和传输/反射功率
电动势、磁动势和等效传输网络的特征阻抗
同轴波导等效传输线参数
电磁场的共振频率和共振模态(模式分析)
谐振腔品质因子(模式分析)
2.电磁兼容(EMC)/电磁干扰(EMI)
航空航天器上有许多电子器件与设备,它们与航空航天器载体本身一起构成一个复杂的电磁环境。为了减小或消除设备之间,以及设备与系统之间的电磁干扰,实现设备与系统的电磁兼容,最大限度地发挥设备和系统的效能,在设计时必须进行电磁兼容(EMC)性分析。ANSYS软件拥有多种技术,可以任意结构的EMC分析,如屏蔽、耦合,以及对生物体的影响等等。基于有限元的分析方法可以分析复杂结构/介质的电磁兼容问题;而矩量法与高频方法的混合算法可以分析电大与电小尺寸混合结构的电磁兼容问题等等。
汽车电子器件EMC/EMI分析 两电子机箱工作时的电磁辐射
靠近金属板的两根传输线的耦合
开口机箱的电磁屏蔽
图9-2-1
靠近地面的传输线产生的辐射耦合到紧邻其上的偶极子天线上后的近场分布
图9-2-2
图9-2-3 手机电磁辐射的人体SAR计算
机箱内磁场分布 机箱漏磁场分布
图9-2-4
PCB板上电场强度矢量图 PCB板上电场强度分布云图
图9-2-5
3.电磁/热耦合分析
高频波导及天线器件常工作于恶劣环境下,外界环境的改变会影响器件的性能。ANSYS中的多物理场综合考虑了机械变形、温度变化等多种因素对微波元器件的影响,并提供了完整的解决方案。
ANSYS的多场耦合功能可很好地解决由于温升而导致导波性能变化的问题。图9-23-1中的弯形波导在工作中由于波导壁损耗产生焦耳热及环境温度的影响,温度由20oC上升到60oC,波导内的电场分布随温度的变化而变化,图(a)为20oC时的电场分布,图(b)、(c)分别为60oC时波导的变形和电场分布。
(a)20oC电场分布 (b)60oC结构变形 (c)60oC电场分布
图 9-3-1弯形波导的温升特性分析
在有耗介质和阻抗导体中,高频电磁能量是以热量的方式损耗的,温度分布通常是高频电子器件所关心的性能,ANSYS电磁/热耦合分析可以对电子器件进行这方面的分析。
图9-23-2是用ANSYS软件分析一带有损耗立方体介质块的矩形波导进行高频电磁/热耦合分析的结果。
(a) (b)
带有损耗介质块的矩形波导上电场(a图)与温度场(b图)分布(高频电磁-热耦合分析)
图 9-3-2
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