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2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
ANSYS對航空工業解決方案(九)航空器電子產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計、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
關鍵字: CAE ANSYS 電磁兼容及干擾
現代產品的設計是完全基于分析仿真和優化的結果,產品設計人員在設計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品的性能,發現潛在的問題并加以解決,避免不必要的物理樣機試驗,以縮短設計周期,降低成本,從而在激烈的市場競爭中占據主動和有利的地位。對于航空航天器中各種各樣的復雜電子系統的設計,借助電磁場分析軟件輔助系統相關部分的設計尤其重要,它不僅可以縮短研發周期和成本,而且由于優化方法的使用,使得研發出來系統的功能更為優良。
12.6GHz下的波導濾波器
8GHz下的同軸→矩形波導適配器
波導轉接頭性能特性計算
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備,它們同航空器本體一起構成一個復雜的電子系統,為了獲得優良的工作性能,對各種電子設備進行分析和優化設計極為重要。ANSYS公司提供了從對電子器件、設備的分析與設計到對電子系統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)、物理光學法(PO)、一致性繞射理論,以及混合計算方法(MOM/PO混合,MOM/UTD混合)等等。各種方法都有其特定的優勢和適用范圍,如有限元法可以很好地處理由復雜材料構成的、具有復雜幾何形狀的器件級結構的高頻電磁場分析,而矩量法與高頻方法的混合計算方法可以處理電大與電小尺寸的混合結構電磁場分析,從而使ANSYS電磁場分析軟件適用于多種電磁場分析應用。
1.微波器件與微帶電路分析設計
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的工作性能。用于微波器件與微帶電路分析/設計時,ANSYS電磁場分析軟件具有以下明顯的特點:
微帶線波導傳輸特性優化
方向耦合器 低通濾波器
諧振腔品質因數計算
微帶/微波電路以及數字濾波器等
圖9-1-2
完善的波導結構形式和激勵模式(同軸、矩形、平行板、圓形等)
可以處理各種復雜邊界條件(理想導電體PEC、理想導磁體PMC、遠場輻射條件、導電體上涂敷介質(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(各種形式的波導端口激勵、體電流密度、面電流密度、線電流密度、點電流密度、平面波、表面磁場、表面電場、線電壓源等)
能夠處理各種復雜材料:有耗材料和無耗材料、各向同性和各向異性材料、復數形式材料(復介電常數和導磁系數)、帶頻響的材料等
獨具特色的快速掃頻計算(利用ANSYS獨有的級數展開技術,一次計算即可完成整個所關心頻率范圍的掃頻分析)
并行計算
……
高頻分析能獲得所分析對象的如下主要參數:
節點電場強度、磁場強度
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(近區電場和磁場)
遠場特性(遠區電場和磁場、雷達散射截面RCS、天線方向圖PATT)
等效傳輸網絡的散射矩陣參數(S-參數)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絡的特征阻抗
同軸波導等效傳輸線參數
電磁場的共振頻率和共振模態(模式分析)
諧振腔品質因子(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備,它們與航空航天器載體本身一起構成一個復雜的電磁環境。為了減小或消除設備之間,以及設備與系統之間的電磁干擾,實現設備與系統的電磁兼容,最大限度地發揮設備和系統的效能,在設計時必須進行電磁兼容(EMC)性分析。ANSYS軟件擁有多種技術,可以任意結構的EMC分析,如屏蔽、耦合,以及對生物體的影響等等。基于有限元的分析方法可以分析復雜結構/介質的電磁兼容問題;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構的電磁兼容問題等等。
汽車電子器件EMC/EMI分析 兩電子機箱工作時的電磁輻射
靠近金屬板的兩根傳輸線的耦合
開口機箱的電磁屏蔽
圖9-2-1
靠近地面的傳輸線產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 手機電磁輻射的人體SAR計算
機箱內磁場分布 機箱漏磁場分布
圖9-2-4
PCB板上電場強度矢量圖 PCB板上電場強度分布云圖
圖9-2-5
3.電磁/熱耦合分析
高頻波導及天線器件常工作于惡劣環境下,外界環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致導波性能變化的問題。圖9-23-1中的彎形波導在工作中由于波導壁損耗產生焦耳熱及環境溫度的影響,溫度由20oC上升到60oC,波導內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時波導的變形和電場分布。
(a)20oC電場分布 (b)60oC結構變形 (c)60oC電場分布
圖 9-3-1彎形波導的溫升特性分析
在有耗介質和阻抗導體中,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心的性能,ANSYS電磁/熱耦合分析可以對電子器件進行這方面的分析。
圖9-23-2是用ANSYS軟件分析一帶有損耗立方體介質塊的矩形波導進行高頻電磁/熱耦合分析的結果。
(a) (b)
帶有損耗介質塊的矩形波導上電場(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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