无人机系统仿真设计解决方案 - 图文

无人机电磁仿真系统设计解决方案

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2016/1/25

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无人机电磁仿真系统设计解决方案 ................................................................................... 4 1. 无人机的现状与未来发展 ........................................................................................ 4 1.1 1.2 1.2. 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 4.1. 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 6.1 7.

工程仿真的重要角色 ............................................................................................ 6 电磁、结构、流体的多物理场仿真 .................................................................... 6 机载雷达同无人机的一体化设计仿真 .............................................................. 10 整机电磁兼容设计 .................................................................................................. 12 整机天线布局设计 .................................................................................................. 12 整机天线布局仿真需求 ...................................................................................... 12 ANSYS针对整机天线布局的功能特点 ............................................................... 12 整机天线布局仿真实例 ...................................................................................... 13 系统级射频干扰仿真平台EMIT............................................................................. 15 多系统共址的射频干扰冗余度计算 .................................................................. 16 机载射频系统设计 .................................................................................................. 19 综合射频系统仿真 .............................................................................................. 20 雷达系统仿真 ...................................................................................................... 21 通信系统仿真 ...................................................................................................... 22 无人机的隐身设计 .................................................................................................. 23 复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真 .......................................................... 24 介质涂覆材料的隐身设计及仿真 ...................................................................... 24 复合材料的隐身特性仿真 .................................................................................. 25 天线（阵）的RCS仿真 ...................................................................................... 25 天线罩的RCS仿真 .............................................................................................. 27 FSS与天线罩的RCS计算 ................................................................................... 27 缩减RCS设计与超宽带RCS ............................................................................... 28 雷电防护 .................................................................................................................. 29 雷电防护技术背景 .............................................................................................. 29 雷电防护仿真需求 .............................................................................................. 29 雷电防护仿真实例 .............................................................................................. 30 多物理场耦合分析仿真实例 .................................................................................. 34

ANSYS 电磁仿真软件简介 ............................................................................................. 38

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7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

ANSYS HFSS 高频三维电磁场分析软件 ................................................................ 38 ANSYS Q3D Extractor 三维模型寄生参数抽取软件 ............................................ 39 Ansoft Designer 电路 ? 系统 ? 电磁场综合设计环境 ................................ 39 EMIT系统级射频干扰仿真平台 ............................................................................. 40 ANSYS SIwave应用于 PCB 板、BGA 封装的SI、PI、EMI 分析软件 ................ 41 ANSYS Maxwell 二维/ 三维电磁场分析软件 ................................................... 43 ANSYS Simplorer 用于机电系统的电路和系统仿真工具 ............................... 43 ANSYS RMxprt 旋转电机设计专家 .................................................................... 44 ANSYS PExprt变压器，电感辅助设计工具 ........................................................... 44

7.10 ANSYS Optimetrics ................................................................................................... 45 7.11 DesignXplorer 多目标优化工具 ............................................................................. 45 7.12 HPC Option 高性能计算选项 ................................................................................. 46 7.13 ECAD Translators ( AnsoftLinks ) .............................................................................. 46 7.14 MCAD Translators ( AnsoftLinks ) ............................................................................. 48

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无人机电磁仿真系统设计解决方案

1. 无人机的现状与未来发展

无人机（UAV）先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战飞机系统（UAS）。UAS的主要功能包括：

1、信息获取； 2、攻击及支援； 3、夺取战场电磁权； 4、提供预警及通信中继能力； 5、目标指引； 6、战场输送。

为顺应作战运用的变化，美军在《空军2025》报告中提出今后几十年无人机的关键需求，明确了多任务平台为战略、战术无人机的下一个发展方向。在综合集成方面，无人机本身就是飞行器、各类传感器、武器、发射与回收装置、通信系统、指控系统的融合体。除在目前的已知应用领域，无人机的任务设置还将深入进攻、生化探测、反地雷、战区导弹防御、电子战和信息战等各个领域。

“全球鹰”无人侦察机由美国诺斯罗普·格鲁门公司制造，是一种高空长航时无人侦察机，续航时间大于42小时，可以提供高质量的实时图像，对大面积区域进行监视。该机实用升限20500米，活动半径5560千米，是目前世界上无人机中最大的一种，内装一台涡扇发动机。主要设备有：对地搜索雷达、光电探测系统、红外探测系统、威胁报警系统和雷达干扰箔条投放系统。“全球鹰”可通过卫星数据链把侦察到的图像信息实时传输给地面站，该机能在20000米的高度准确识别停放在地面上的各种飞机、导弹和车辆的类型。美国洛克希德·马丁公司研制的X-47海军型无人战斗机，在携带900千克载荷执行攻击任务时，作战半径可达2400千米以上，飞行高度12200米，自部署距离为6435-8045千米。机上装有

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探测／地面运动目标指示雷达，探测距离可达96千米。波音公司为美国空军研制的X-45无人战斗机，武器系统采用内挂设计，机身中线两侧各有一个武器舱，能够根据作战需要携带JDAM和小型精密制导炸弹等。

图1-1. 全球鹰无人机

下一代无人机的发展趋势是：多用途；模块化；全隐身；自主式；高空长航时。关键技术包括：光技术、全频谱高分辨率传感器技术、片级集成技术、智能蒙皮技术等。

其中全频谱高分辨率传感器技术是指未来无人机系统必须具备很强的目标探测能力，这就对雷达、集成红外（IR）焦平面阵列、紫外（UV）焦平面阵列、低温惯导、激光雷达和微波探测仪等的传感器在分辨率、精度、覆盖范围和实时性等方面提出了更高的要求。片级集成是一项新兴技术，它可以将信号产生、信号控制、信息处理、化学和物理敏感元件、液压和机械传动机构以及辐射的产生和探测等集成在一片3/8in薄片上。单片集成技术可以极大提高各种传感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和费用。集成的模拟、数字、声、磁、电磁、光电和机械电路系统将在未来的无人机系统中得到广泛应用。在传统的设计概念中，飞机蒙皮是一种满足气动外形、强度和刚度要求的构造结构，当需要在飞行器上安装天线和传感器时，就在飞机蒙皮上凿孔，这种安装方法会带来不必要的结构、气动力、温度和费用损失问题。负载和飞机机体低水平集成的结果是机体更大、空中待命时间更短（由于更大的阻力导致飞行效率降低）、生存力降低。比如在现有飞机上，前视红外和微光电视旋转平台、天线，甚至控制面的凸出物，不仅增加了飞机的气动阻力，而且增强了飞机的信号特征，从而使敌方传感器很

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容易探测到无人机。智能蒙皮技术是指，在飞机设计和制造期间就将天线、传感器、发射机、接收机、信号和信息处理机、射频电缆、电力电缆、电控制电缆和温控设备嵌入飞机蒙皮内。此时，某些结构表面对各种射频信号来说应该是透明的，或者具有可控属性以方便信号发射和接收。各种有源和无源传感器不一定只给单一的通信、电子战、雷达、敌我识别或导航系统提供信号，天线和传感器分布可能覆盖了75%的飞机蒙皮，可以提供从几兆赫到光频范围（光波覆盖的频谱范围，包括红外、可见光、紫外等，通常可达到吉赫，太赫）的孔径。

1.1 工程仿真的重要角色

航空航天和国防工业的应用之复杂，即便是实现精确仿真这类最基础需求也

需要高质量的物理域仿真及系统建模和仿真能力，并辅助以高性能计算和自动优化设计能力。天线共址时的电磁干扰评估、带复杂材料涂覆的飞机的RCS计算、功率和热管理、或关键任务系统中的嵌入式验证软件、以及如影随形的电磁、热和流体间相互作用等，ANSYS公司的研发愿景同航空航天和国防工业的需求始终保持着高度的一致。这也是该行业的客户对ANSYS的仿真技术信任长达40多年的根本原因。

然而，想要在未来依然保持竞争力，单靠将这些各领域的仿真技术做精做深

是不够的，还需要一系列关键的建模、仿真、设计和知识管理能力，从而真正做到改进整个产品开发流程。

1.2 电磁、结构、流体的多物理场仿真

ANSYS向客户提供基于统一平台、同一个参数化整机模型的电磁、结构、流体、乃至嵌入式系统的多个物理域仿真能力，能够兼顾系统在外形、电磁、热、结构等多方面的需求，方便的在多个物理场仿真之间进行协同验证和设计迭代。将多物理相互制约因素纳入数字化样机研发的考虑范畴，使得数字化样机更加逼真。完备、全面、精确地仿真真实的物理世界。ANSYS在物理域仿真方面提供的主要能力如下：

? 电磁、结构、流体多个物理域及其耦合仿真；

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? 电路/电磁场双向耦合仿真； ? 高性能计算； ? 多学科优化；

图1-2Workbench平台下的多物理场仿真机

现今，在许多科研单位，建模和仿真数据的在工程师之间传递经常是封闭且效率很低的，这也经常成为误差和不确定性的源头，因为在不同软件工具之间传递模型经常导致数据丢失。例如，星载天线在环境温度及大发射功率导致的电损耗热源的混合作用下产生的温度场导致形变，从而影响天线的电性能。由于这种形变通常非常微小且不规则，和在结构和电磁仿真工具之间传递模型产生的误差几乎在同一量级，采用传统的仿真方法无法精确的对这个问题进行预估。

ANSYS提供的多物理场仿真解决方案从这类特殊的多物理场耦合的问题入手，对唯一的数学模型采用不同物理域的仿真技术进行仿真，形变后的网格可在不同仿真器之间自动交互，全面解决了计算精度和效率的问题，进而延伸成为涉及多个物理场仿真的工程问题的行业标准解决方案。

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图1-3通过电磁场仿真得到的天线电损耗分布

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图1-4温升导致的应力场分布

图1-5形变前后的天线电性能（远场方向图）变化

综上所述，无人机的电子系统涉及很宽的频段，为了避免各分系统之间的干扰以及与结构、动力系统之间的干涉，必须在设计之初进行系统性的规划，系统仿真在规划中的地位显而易见。

电磁仿真软件应用于工程设计可分为三个层次：一是部件级的仿真，如单片集成电路、单天线、阵列天线、滤波器、功分器等；二是系统级的仿真，如天线与馈电网络、天线罩、收发链路设计等；三是布局仿真，如机载天线系统、平台电磁兼容设计等。如果说之前由于计算机硬件资源的限制，大部分应用还停留在

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第一个层次的仿真，那么随着超级计算机和集群机的普及，随着快速算法日益成熟，第二、第三个层次的仿真越来越受到重视。

在无人机的设计中，这三个层次的任务都存在。对于片上集成电路系统，涉及到信号完整性、电源完整性、数模混合电路和电磁兼容/电磁干扰问题，基于传统“路”的概念的方法已经不能适应技术的需要。结构的电磁特性需要利用电磁场仿真工具进行电磁场计算，而参与辐射的信号能量大小则需要通过电路仿真计算。同样的结构，在不同的频率上，输入不同的信号，具有不同EMI特性；另外，同样幅度的干扰信号，用于不同的结构上，对不同的器件，会产生不同的EMC结果；同时，对于我们目前的系统来说，还要进行电路的时域和频域仿真，研究辐射干扰的幅度和传导干扰的幅度，用于进一步改进设计，验证EMC设计措施的有效性，因此，对于EMI/EMC设计来说，电路和电磁场仿真都是必须的。

图1-6. 板载模块模型

图1-7. 单片级仿真

对于系统级的仿真，同样需要电磁场、电路仿真协同，如图1-4所示，阵列

天线、馈电网络与有源器件协同仿真，可以充分考虑各种因素对天线方向特性的

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影响，极大缩短项目设计周期，提高研发效率。

图1-8. 系统级仿真

考虑板载影响前后的天线方向特性如图4-5所示。

图1-9. 加载板载天线系统前后结果对比

1.2. 机载雷达同无人机的一体化设计仿真

雷达已经成为武器装备系统的核心。随着新军事技术变革的发展，武器装备

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已经完成了从机械化向信息化的跨越，目前正在向智能化的方向推进。雷达在当前和下一个阶段的主要发展方向是功能性增强，这个功能包括探测与隐身两方面内容：1）探测功能增强是指探测距离增加、识别概率增高、低空探测能力提高。这就要求雷达方向特性具有更低的副瓣、更高的增益、更宽的工作带宽、更低的扫描跟踪角度。2）隐身功能增强是指要在复杂的战场电磁环境中更好地隐蔽自身，这包括要能够做到抗干扰、抗ARM、低截获概率（LPI）以及更小的雷达散射截面（RCS）。综合而言，现代雷达需要在时域、空域、谱域进行参数设计，达到探测与隐身的目的。

由于无人机执行任务的特殊性，特别是智能蒙皮技术的发展，机载雷达往往需要与机体进行一体化设计，这就是说，必须在雷达样机设计时考虑其他电子系统以及平台对机载雷达的影响。

利用HFSS，可以实现有限大阵列的快速仿真分析、反射面天线的混合求解计算、近远场数据导入、阵列天线杂散电平分析、大规模阵列天线的并行计算、天线罩与天线的协同仿真等，其中平台对天线方向特性的影响如图4-5所示

图1-6. 无人机平台对机载雷达天线性能的影响

综合而言，随着大规模并行计算技术的发展，无人机电子系统的整体设

计已是大势所趋，尤其是智能蒙皮设计，需要部件级、系统级和平台级的协同仿真，节省资源、提高效率，实现设计水平的关键性突破。

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2.1 整机电磁兼容设计

系统级EMC设计的目标是整个装备上各分系统电子设备间能够互相兼容正常工作，提高整系统的抗电磁干扰能力，设计者关注的是以GJB1389A为基础的系统级电磁兼容性要求，如CE102、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103等。

图2-1 整机电磁兼容设计

2.2 整机天线布局设计

从电磁干扰源、干扰途径和电磁干扰接受者这电磁兼容三要素的角度分析，天线作为飞机上最直接的射频能量发射和接收装置，是电磁干扰和受扰的最直接载体；机身、机舱及若干关键电缆为有害电磁能量提供了干扰途径。因此合理有效地完成天线布局设计是整个平台系统设计成功与否的最重要的环节之一。

2.2.1 整机天线布局仿真需求

整机天线布局设计主要针对飞机上天线的不同放置位置，多幅天线的相互影响以及飞机平台对于天线的性能影响等方面进行分析，以及对多种可能工况进行参数扫描，实现天线布局的最优化，得到最合理的天线布局设计。

2.2.2 ANSYS针对整机天线布局的功能特点

HFSS天线库内置多种天线类型，可满足天线设计及总体部门的快速天线建模需求，HFSS软件拥有业界最先进的有限元求解器，其HFSS-HPC模块具备超线性加速比的DDM技术，结合HFSS-IE模块，实现强大的混合算法FEBI，该方法是求解天线布局这类电大尺寸问题的最佳方法，可达到最佳效费比。Optimetrics

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模块可实现天线布局的参数扫描和设计优化，方便得到最佳设计。AnsoftLinks模块可导入外部CAD数据模型，省却大型复杂模型的建模工作量。

1) 完备的天线模型库，内置多种常用天线类型，可直接生成参数化的三维

仿真模型，并可管理自定义的天线类型。

2) 对任意三维结构的全波频域有限元、积分方程法求解器，以及最先进的

FEBI求解技术结合HPC技术，全面考虑飞行器及其装载设备对系统各天线的影响，如方向图的畸变以及各天线间的耦合效应。

3) 多端口技术及独立的后处理技术可同时求解包含十几付甚至几十付天线

的布局问题。

4) 在天线系统预布局时即可通过对虚拟原型仿真得到整个运载平台和天线

系统的综合电磁特性，得到天线工作时飞机周围及机舱内的电磁场环境分布，实现快速、精确的天线布局设计预测。

2.2.3 整机天线布局仿真实例

一个飞行器上通常会包含十几乃至数十副天线，在整机天线布局验证阶段需要对这几十副天线同时进行仿真，得到天线隔离度。HFSS可在一次仿真中同时求解多部天线的互耦，因此在天线布局的仿真和设计效率上有巨大的优势。

图2-2 军用无人机天线装配示意图

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色标图显示的多部天线之间的耦合度矩阵。通过颜色直观地显示天线之间的互耦强度，蓝色区域表示互耦小于－60dB，橘红色区域的互耦在－16dB左右。

图2-3 天线之间耦合度色标图

图2-4 无人机天线同时工作时天线辐射场图

HFSS-IE采用积分方程法，支持无限大地平面边界条件，其典型应用在于研究

飞行器近地效应。

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图2-5 倾斜旋翼机降落过程中VHF机载天线的方向图变化

2.3 系统级射频干扰仿真平台EMIT

ANSYS公司多系统共址条件下的电磁兼容预估仿真分析软件EMIT，用于仿真如飞机、舰船、卫星、火箭、导弹、车辆等各种平台，以及由它们组合构成的复杂系统中多个收发信机及设备干扰冗余度的精确仿真、分析、设计与系统评估。

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图2-6.系统级射频干扰仿真平台EMIT

EMIT软件的仿真设计思路从射频干扰三要素（发射干扰源、耦合路径、接收机）出发，是与实际工程中射频抗干扰性能紧密结合的仿真分析方案，利用其先进功能，在设计、更改、设备验收或系统定型，维护系统开发，认证和评审的整个生命周期的各个阶段，方便快速诊断与分析各类复杂系统之间的电磁兼容性和射频干扰，是整体大平台项目在各个阶段性决策节点所需要的分析与支持工具。

ANSYS公司的EMIT软件提供丰富的Tx/Rx（发射机/接收机）模型参数、天线参数、射频器件模型参数等，可利用丰富的模型库组成复杂且完善的多个收发系统。软件输入为这些设备的RF通路及发射机和接收机频谱特性，输出为整个系统中敏感接收机的射频抗干扰余量（EMIBudget）。EMIT软件特有多重保真共址干扰预测技术可在复杂的射频环境下快速诊断并定位射频发射干扰源，可以帮助各总体单位实现系统级电磁兼容和射频抗干扰预估定性分析。

2.3.1 多系统共址的射频干扰冗余度计算

在分析多系统通道间的射频干扰问题时，对多系统共址建模尤为关键，这是一个复杂且跨越涉多学科的问题，如何管理多个系统的通道、器件以及天线数据成为最大的挑战。借助于EMIT丰富的通道、器件模型库可以方便快速地建立多系统共存原理图。如下图所示，左边是数个发射通道，右边的模块则是数个接收通道，发射频谱、杂散、谐波、接收敏感度、信噪比等通道指标都能以参数输入或者外部实测数据导入的形式赋予。在系统中的射频元器件的线性/非线性参数也可以人为输入或通过外部参数形式导入。

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图2-7. EMIT多系统通道共存原理图

对于其中任意一对收发通道，EMIT都可以单独对其进行仿真，将计算得到的接收机收到的干扰电平与其敏感度进行比对，从而得到出当前情况下接收机的射频干扰余量（EMI Margin），如下图的M(f)就是针对某发射机能量，经过收发链路和天线空间耦合后进入到接收机处的干扰电平与灵敏度的差值，如果大于1则表示干扰功率高于灵敏度接收功率，接收机性能将收到影响。

图2-8. 1对1收发系统射频干扰仿真

EMIT还可以仿真当多个发射系统同时工作时，在多个收发通道之间产生的有源互调交调产物，主要来源于两个方面。第一是多发射机同时工作，产生的发射频谱耦合到接收机后与接收通道上的射频前端非线性器件（如LNA等）产生的交叉调试。第二是不同发射通道之间的互调，发射频谱耦合到其他发射通道中，与其通道内的非线性器件（如PA等）也会互调，得到的互调产物会经由该发射通道往外二次耦合至接收通道，进而影响接收机灵敏度。

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图2-9. 多系统N对1射频干扰效应

多系统N对1仿真完成后，可以通过EMIT软件的可视化结果直观地观察到所有发射系统对特定接收信道的灵敏度影响，如下图右下方矩阵图所示，矩阵图中绿色单元表示对应的两个收发通道的耦合不会影响接收灵敏度，黄色单元表示收发系统间产生的干扰能量与接收灵敏度水平相当，红色表示干扰能量超过接收敏感电平，此时接收机灵敏度将会有所恶化。可以改变收发系统中各器件的非线性参数或者收发耦合量，就可以在矩阵图中实时观察到对接收灵敏度的改变。

图2-10. 多系统射频干扰仿真可视化结果

除了直观的矩阵图显示之外，EMIT还可以生成如下图所示多发射系统同时工作状态下接收机抗干扰余量，所有的通道间交调互调产物都可以直观显示，也可以看到每一个交调互调分量产生的来源，从而指引设计者找到消除恶化接收灵敏度的方法和途径。

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图2-11. 多发射通道同时工作时接收机的抗干扰余量

3.1 机载射频系统设计

机载射频系统主要包括通信系统，电子对抗系统，雷达系统和导航系统，分别负责情报交互，干扰/反干扰，目标探测和定位。为了适应现代作战环境的需要，无论是通信，电子对抗还是雷达系统的性能都越来越高，传统的设计采用的是单一化的思路，即在飞机上分别设计安装通信，电子对抗，雷达和导航系统，除了成本高昂之外，还会导致在一个狭小的空间中有多个系统相互争夺资源，影响作战配合能力和电磁兼容能力。为了克服独立射频系统的缺点，目前的机载射频系统往往使用综合射频系统，采用公共射频口径，宽频带的接收机，在尽可能接近天线的地方采用A/D转换完成信号的数字化，从而统一考虑雷达，通信，电子对抗和导航四个方面。采用综合射频系统可以降低射频系统成本，减轻重量，节约空间，并提高系统升级的灵活性，已经成为必然的发展趋势。

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综合射频系统构架

ANSYS软件具备机载综合射频系统的仿真能力，能够完成通信，电子对抗，雷达和导航子系统的设计和仿真，以下为具体应用说明。

3.1.1 综合射频系统仿真

综合射频系统要求实现：共用天线的多波束，并且每个波束可以智能地实现雷达，通信，电子对抗和导航中的一种功能；足够宽频带的T/R模块，采用数字化的频率合成技术，对应每种应用都要能够实现多载波的工作方式。

ANSYS软件可以实现电路和电磁场和协同仿真，通过控制射频电路的辐射和相位，从而动态的改变天线阵列的波束情况，实现多波束多频带扫描，并且可以分析射频电路的不一致性导致的天线波束的变化。

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在上图的例子中，ANSYS软件采用仿真层次化的项目管理方式，使用场路协

同仿真的方法，将放大器，移相器，衰减器等射频电路和天线放在同一个项目中进行仿真，并将各个衰减系数，相移角度等关键参数设置成变量进行自动扫描，从而形成不同的天线波束，以满足通信，雷达和电子对抗应用对于波束形状的不同要求

3.1.2 雷达系统仿真

雷达通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。通常而言，雷达的射频系统需要满足低旁瓣，高频谱纯度和低噪声系数的要求。利用ANSYS软件，可以仿真包括雷达波形生成，发射通道，传播路径，目标RCS，反射路径，接收通道，信号处理在内的完整射频链路, 对于射频通道指标的要求和分配有显著的指导意义。

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LFM雷达仿真框图和天线接收到的波形 经过信号处理后得到两个目标回波射频通道带宽的增加导致更多噪声

上述例子描述了一个典型的线性调频（LFM）雷达所接收到的真实回波信号，

包含混叠在一起的两个目标回波以及背景杂波，可以看到射频通道的带宽的增加会导致底噪显著抬升。

雷达接收机部分的射频通道后可以使用算法模型，从而可以研究在真实射频通道指标（如滤波特性，非线性指标和响应速度等）下，被杂波干扰的不同雷达波形的实际表现，从而指导雷达系统的设计。

3.1.3 通信系统仿真

通信系统需要在保证一定误码率的情况下，尽可能地提高传输数率和减低被截获概率，从而实现对数据链的优化。通信一般会使用各种先进调制方式，提高频谱利用率，减少不同信道之间的干扰和泄漏，因此射频通道的性能对通信系统的整体表现产生重要影响。ANSYS提供了多种通信系统的接收机的模型，能够方

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便的改变

MPSK调制通信系统

进入放大器的频谱放大器输出的频谱误码率和输入功率的关系

从ANSYS软件的仿真结果可以看到放大器的非线性会导致显著的相邻信道

功率泄漏，从而影响误码率的指标，从而可以帮助设计人员改进前端射频功率控制算法和电路，以提高通信系统性能。

4.1. 无人机的隐身设计

目标电磁散射特性的研究利用电磁波与目标相互作用所产生的各种信息为雷达准确的获得目标的特征参数，推导其形状、体积、姿态, 为对目标进行分类、辨别与识别奠定了基础，对我国国防现代化建设有着重要意义，也是计算电磁学的重要研究领域之一。

目标的雷达散射截面积（RCS）的测试难度很大，满足需求的测量环境少，且测量误差难以评估，因此，采用数值仿真的方法一直是目标特性研究的重要手段。随着雷达隐身、反隐身技术的不断发展，目标特性的研究也不断面临新的挑战，因此成为对仿真新技术需求最为迫切的应用领域之一。

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仿真技术是目标特性研究的主要手段，目前国内外在仿真的计算方法、建模技术、以及工程实际应用方面出现了若干研究热点，如特殊结构、特殊材料的目标特性研究、天线阵和天线罩RCS的研究、RCS的时域瞬态研究等。以下结合业界最权威的仿真技术对其应用进行逐一说明。

4.1.1 复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真

采用FE-BI和DDM技术，结合高性能计算机的硬件平台能够有效求解复杂飞行器的RCS仿真，并且单次仿真可得到数百入射角度下的单站RCS。

4.1.2 介质涂覆材料的隐身设计及仿真

涂覆吸波材料已经在飞行器隐身方面应用了多年，由于涂覆材料一般为薄层介质，属性复杂，多层的涂覆结构更加给模拟带来了挑战，其仿真具有非常大的应用价值，在涂覆材料的选择和涂覆位置的选择上，具有直接的指导作用，对优化飞行器的设计指标具有非常重大的意义。HFSS软件具有方便的薄层模拟功能，能方便的仿真此类涂覆材料问题，可有效解决涂覆吸波材料的问题。

如图所示的弹体，分析其在雷达波正对鼻锥方向入射下的弹体表面电流分布，分别分析了不涂覆，涂覆材料a，涂覆材料b三种不同情况下的情形，从分析结果很容易看到不同的涂覆材料和涂覆方式会带来不同的效果，其表面电流的改变很明显，通过计算其回波，可轻易判断涂覆材料的效果好坏。在涂覆隐身设计中，软件的仿真将大大的缩短材料选型和优化的过程，为实际设计提供足够的理论和仿真数据支撑。

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4.1.3 复合材料的隐身特性仿真

复合材料也是隐身设计中经常采用的方法，但由于复合材料相比金属材料，其属性更加复杂，仿真和计算都具有相当的难度。HFSS软件具有强大的基于函数的建模功能，基于主从边界的单元法适合模拟此类材料问题。单元法－采用Floquet端口配合周期性边界条件，利用Floquet模式理论，通过单元电性能综合得到整个周期性排列的阵列的电性能。

编织型复合材料单元法建模复合材料的RCS

4.1.4 天线（阵）的RCS仿真

飞行器的散射主要由两部分共享组成，一部分来自于外形及结构，另一部分主要的来源就是雷达天线。由于天线/天线阵的强电磁敏感性，在雷达波的照射

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下，天线和天线阵往往会激发很强的散射贡献，成为散射的重要贡献源。所以天线和天线阵列以及天线罩在整机隐身设计中地位居首。

天线的散射由结构项散射和模式项散射构成。结构项散射是指天线的金属外形结构对于电磁波的散射。模式项散射是指天线作为电磁波接收装置，将入射电磁波接收后，由不匹配的端口再次辐射形成的散射。天线阵由于还要考虑单元间的互耦，因此模式项散射更为严重。

HFSS软件中可方便的定义天线阵的散射计算，在定义入射波的同时，每个天线单元都设置端口，这样的设置可以降天线阵散射的结构项和模式项都考虑在内，得到天线或天线阵的全部散射贡献。

天线阵的模式散射计算定义方式

在HFSS中仿真天线阵在工作频点的单站RCS，红色曲线为仅考虑结构项的单站RCS，蓝

色曲线为同时考虑结构项和模式项在内的单站RCS

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4.1.5 天线罩的RCS仿真

天线罩与天线互耦的问题包含许多复杂的近场效应，全波有限元算法能够为近场解算提供必要的精度。HFSS中具有针对介质薄层的边界条件，其算法突破传统阻抗边界在处理介质薄层问题中的局限性，既能够精确的考虑损耗，又能够将电场与磁场分量在介质薄层两侧的变化考虑在内。因此， HFSS可以在保证精度的情况下，高效的求解多层介质薄层结构，极大地降低了天线罩仿真的运算量。

在电尺寸不变的情况下，FSS层结构会让计算规模在原有基础上提升30～50倍，目前的解决方案为采用有限单元边界积分法（FE-BI）配合域分解技术在高性能计算机上并行求解。

4.1.6 FSS与天线罩的RCS计算

特殊结构或者称之为结构型材料在现代飞行器的隐身设计中越来越重要，频率选择性表面（FSS）就是一类重要的特殊结构，由于其频率选择的特性，在天线罩上应用广泛，可降低带外散射而又不影响带内电磁波的通过，对提升设备的生存能力极有意义。

采用HFSS的主从边界条件可方便的模拟FSS的周期性结构，在设计FSS和优化设计的过程中，提高效率，保证效果。如下图为耶路撒冷十字型FSS结构的仿真结构及仿真结果，从图上可看到仿真结果与实测结果吻合非常良好。

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FSS在雷达罩中广泛使用，但其建模和仿真都极具挑战，HFSS中可导入外部模型，精确仿真得到包含FSS结构的天线罩的散射性能。

4.1.7 缩减RCS设计与超宽带RCS

已有的RCS研究主要关注在频域窄带RCS，但随着超宽带雷达应用于目标探测以及缩减目标RCS的设计需求，时域仿真也将成为RCS研究的重要手段。它可为目标特性的研究直接提供一维距离像信息，以及生成二维距离像所需的数据，在缩减目标RCS的设计中指导吸波材料的铺放位置。并且时域仿真的入射脉冲可看作具有超宽带频谱分量的入射波，对时域仿真得到的脉冲回波进行FFT变换后可直接得到目标的超宽带散射特性。

HFSS-Transient是HFSS的时域求解器，基于间断伽略金时域（DGTD）法，能够很好地实现采用脉冲激励类型的仿真，因此特别适合如雷击、静电放电、瞬态RCS等短时激励下的瞬态场显示。DGTD是HFSS-Transient中采用的时域算法，采用非均匀四面体网格和非均匀时间步长，结合了FDTD/FIT和时域有限元法（FETD）、有限空间时域法（FVTD)的优点，既通过四面体共形网格保障了模型保真度，比FDTD/FIT法具有更高的精度，同时具备FDTD/FIT在速度和内存消耗上的优势。

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目标的瞬态场仿真和由此得到的一维距离像

5.1 雷电防护

5.1.1 雷电防护技术背景

雷电、高强度辐射场（HIRF）、电磁/核电磁脉冲（EMP/NEMP）等问题，已成为影响飞机飞行安全的重要因素。在地球大气中，平均每天约发生800万次雷电。其中幅值高达到200千安以上的雷电流占0.5%，电流的上升速率最高可达每秒1000千安培左右。有统计表明，无人机在飞行过程中可能遭受恶劣天线，甚至雷击的影响。为提高飞机飞行性能，大量采用了现代电子技术，如计算机飞控系统，通信导航系统，同时还大量采用了先进复合材料，如碳纤维复合材料等。但遗憾的是，这些先进的电子技术和材料技术，对雷电相当敏感，遭到雷击后损失更大。迄今为止，至少有2500架飞机被雷电击毁。因此，将大气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小，一直是人们努力追求的目标。

飞机雷电防护适航审查的符合性方法通常有分析计算方法、类比方法和地面模拟雷电试验方法。分析计算方法主要用于飞机某些能得出准确解的局部结构和部件的计算。类比方法主要是将外形、结构和用途都基本相同的飞机或结构与部件，与已通过适航审查的飞机或结构与部件进行对比，当确实相同时，也可以认为满足要求。地面模拟雷电试验方法，主要用于新机型的研制、设计和老机型的改进或改型设计。由于飞机外形的不规则性及机械结构与电气系统的多样性与复杂性，电场与磁场的精确解非常困难，因此，雷电试验的方法被认为是最有效的方法。这个过程，类似于飞机机械结构设计加工完成后，仍需由力学试验来验证其可靠性的过程。

5.1.2 雷电防护仿真需求

针对飞机雷电防护设计，主要需要解决的有关问题包括：雷电分区、雷电直接效应、间接效应、以及HIRF效应分析。

雷电分区是飞机设计过程中，对飞机各部位对遭受雷击的可能性的等级划分，以采用不同等级的防雷设计和防雷措施，主要分为直接雷击区，扫掠雷击区，以

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及其他区域。此问题仿真，主要是针对飞机表面各部位雷电附着能力的模拟，可通过静电场的方式分析得到，可利用ANSYS Q3D Extractor软件完成。

由于雷电过程属于强瞬态电磁问题，所以，仿真其直接效应，如空间电磁场分布，以及间接效应，如对天线的耦合等，都需要考虑其瞬态传输过程。因此，需要用瞬态分析工具HFSS Transient分析雷电的瞬态辐射效应。

HIRF效应最主要的关注点是在强电磁辐射作用下的空间电磁场环境的变化，因此可在频域分析此类问题，可在HFSS软件中完成此类分析。

5.1.3 雷电防护仿真实例

1. 雷电分区分析

雷电分区是飞机防雷设计的重要内容，一般采用缩比模型测试的方式，但实验条件要求高，实验成本很高，采用软件仿真的方法可以方便得到各种不同假想条件下的雷击分区结果。下图1为典型运输机的雷击分区划分图。

仿真分析原理：雷击分区的分析本质上是要找到飞机各部位对雷电的附着可能性高低，以区分不同的防雷区域和防雷设计。在仿真上，可以分析雷电击穿之前，飞机上各部位的感应场/感应电流/感应电荷的分布状态，以判断飞机不同部位的击穿可能性，也就是可以判断雷电附着点的区域，通过综合分析不同位置的统计情况，最后可得到飞机的雷电分区图。

仿真分析方法：在Q3D软件中，建立雷电分区分析模型，飞机位于两片带点云之间，带电云分别带有正电荷和负电荷，从而形成高电压差，见图2，分析此情况下，飞机表面上的感应电荷分布密度，从电荷的密度分布判断雷电附着点的大致区域，从而得到雷电分区结果，如下图3所示。

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图2雷电分区分析模型

图3 带电云之间飞机的电荷分布

仿真中，旋转飞机的位置或者云层的位置，可得到不同方位角度上，飞机的感应电荷分布情况，综合研究得出一个电荷强度的阙值，规定大于这个阙值的区域即为区域1，即直接雷击区，同理，可预测分析得出区域2和区域3，即扫掠雷击区和其他区域。然后通过与标准SAE-ARP-5416给出的定性和定量指标进行对比，从而确定飞机雷击附着区域类型，完成雷电附着区域划分研究，如图3。

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图4 阙值确定及区域划分

2. 雷电直接效应及间接效应分析

雷电直接效应是指在雷击过程作用下，飞机内外的电磁场环境分布，兴趣区域的电磁场辐射场波形，间接作用主要是指雷击过程中，机载电磁设备在雷电作用下的电磁场感应对设备的影响，关键在于得到雷击信号耦合路径以及耦合量，主要的耦合路径就是机载天线以及电缆，所以仿真得到天线端口的感应电压波形或电缆端口的波形，即可得到雷击对于机内设备的间接效应。图5即为F35飞机在雷击作用下，某一时刻的空间电磁场分布。图6为雷击作用下，机腹下部的刀片天线的耦合电压波形。

图5 雷电辐射下的电磁环境分布

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图6 雷击作用下，刀片天线上的感应电压波形

3. HIRF效应分析

高强度辐射场(High Intensity Radiated Field,HIRF)是来自地面、舰船、海上平台或航空器上的雷达、无线电、电视、卫星上行数据等高功率发射机的辐射，它是由人类活动造成的电磁环境问题，特点是频带宽、作用时间长。

主要问题分析：

1) HIRF环境下，设备区域的电磁环境分析（得到关注区域的感应电磁场

分布，以评估HIRF的影响）；

2) HIRF环境下，耦合到敏感设备上的能量分析（最终HIRF对航电系统的

干扰作用的直接体现）；

3) 改进系统电磁防护设计（舱段布局设计，本征模式分析）；

图7和图8所示实例为F35飞机在HIRF环境下的空间电磁场分布分析以及刀片天线的耦合电压波形分析结果。

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图7 F35在HIRF环境下的环境电磁场分布

图8 刀片天线在HIRF环境下的端口感应电压波形

6.1 多物理场耦合分析仿真实例

首先基于项目需求进行概念设计和方案设计，确定初步设计参数，然后进行电磁场仿真和优化、调谐，结合馈电系统、T/R模块、天线罩、天线安装平台等进行系统级仿真，优化整个系统的性能，接着考虑天线的结构特性，加入结构件，进行结构应力和多物理场仿真，如果结构件对天线电磁性能产生影响，则返回电磁仿真工具中进行调整，最后，综合判定天线的技术指标完成天线的最终设计并提交生产。

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在电磁、结构和热仿真工具之间实现结构数据、仿真数据的传递和双向耦合仿真。电磁损耗造成的发热，需要进行散热设计，避免温升造成的系统和部件失效，影响可靠性。对于高精度、高指标的微波和天线部件，如天线隐身设计等，需要将电磁损耗作为分布式热源，结合外部热源，如光照、传导热等，考虑散热结构和散热条件，在热仿真软件中进行耦合仿真，考虑材料特性温度变化，得到准确的最高温度，进而在结构仿真软件中，将温度分部导入，仿真热应力和结构

应力形变，将形变之后的结构返回到电磁场工具中研究结构件的电磁特性变化，仿真系统指标的变化。

图6-1 ANSYS Workbench统一的多物理场仿真平台与设计流程 多物理场仿真中产生的数据，包括电磁场、热、结构等，实现数据自动传递和转换，建立与仿真环境数据接口，实时跟踪和检查设计进度，同步数据更新，实现多学科协同同步设计。图6-1所示，通过电磁场仿真求解器HFSS-IE完成不同扫描角下目标散射特性RCS的分析，由设计变量控释几何模型，共用的几何模型通过Fluent的CFD求解器完成空气应力分析。

ANSYS FLUENT采用计算流体动力学（CFD）的数值模拟技术， FLUENT既可以定制化也可以和ANSYS Workbench完全集成在一起，并允许用户适当调

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整集成功能，轻而易举地快速解决一些特殊的挑战。ANSYS Workbench平台可直接耦合CAD软件，自动抽取流体计算域并划分网格，轻松获得高质量的网格，满足CFD仿真精确和快速的需求。

无人机飞行器几何模型为了满足气动性能，在后缘附近的尖角采用了优化设计，如图6-2所示，随着扫描角度的变化，通过多物理场耦合分析完成迎头方向入射单站RCS分析与飞行器空气阻力的影响。

图6-2不同扫描角几何模型图示

ANSYS DesignXplorer是一款专业的多物理场多目标优化软件，它的主要功能包括：

? ? ?

参数扫描：给定设计参数的变化区间，获取不同设计参数下产品性能； 参数敏感度分析：确定不同设计参数与产品性能关系的重要程度； 试验设计（DOE）：也称为实验设计；目的在于用最少的取样点获取精确的响应面；DesignXplorer有多种算法供用户生成这些取样点； ? ?

响应面分析：获取整个设计空间内产品性能的近似值

大规模多参数目标优化：依据响应面分析获得最优设计，参数达20个左右时也可达到较高优化效率； ?

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六西格玛分析：实际制造过程中设备的良率可能性分布；

图6-3 采用DesignXplorer完成的优化扫描角设计

Workbench集成化的多物理场耦合仿真环境，实现电磁场、热、温度、应力、形变、流体的一体化设计仿真。

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7. ANSYS 电磁仿真软件简介

7.1 ANSYS HFSS 高频三维电磁场分析软件

ANSYS HFSS 全波三维电磁场仿真器，能求解从直流附近到光波段所有频段。特别在微波设备设计中，ANSYS HFSS 作为行业标准设计工具而被广泛使用。

一般地，为了熟练掌握电磁场仿真工具，需要学习艰深的电磁场知识。ANSYS HFSS 具备了直观友好的用户界面、确保求解精确的全自动自适应网格剖分技术，以及对复杂形状实现稳定分析的求解器，使得初学者能够与资深使用者一样，方便简单地得到精确的分析结果。

如果想针对某一系列问题进行电磁场领域的分析，ANSYS HFSS 能够满足您所有的需求。

适用领域

? 高频组件：LTCC、介质振荡器、耦合器、滤波器、隔离器、功分器、芯片部件、磁珠等 ? 天线：贴片天线、角锥天线、阵列天线、Vivaldi 天线、八木天线等 ? 电缆：同轴电缆、双绞线电缆、带状电缆等

? IC 封装：引脚型（QFP、PLCC、DIP、SOP 等）、PGA、BGA、TAB、功率器件（IGBT、功率MoSFET、DBC 基板等）、MCM 等

? 连接器：同轴连接器、多脚连接器（端子型、卡槽型等）、插针插座等 ? PCB 板：裸板、平面、传输线、网格平面、硬板、混合板、柔性板 ? 其他：RFID、无线充电、EMC/EMI、核磁共振、微波加热、光电接口

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7.2 ANSYS Q3D Extractor 三维模型寄生参数抽取软件

ANSYS Q3D Extractor 可以根据三维互联结构的形状直接抽取寄生参数（RLGC），生成SPICE/IBIS 模型。随着器件的高速/ 高集成化发展，反射、传输延时、串扰、SSN 等信号完整性问题越来越突出，因此需要精确求解封装、连接器、过孔等复杂结构的寄生参数。 ANSYS Q3D Extractor 使用边界元法，根据实际的三维模型和材料属性，可以精确快速提取寄生参数模型。

适用领域

? IC 封装：引脚型（QFP、PLCC、DIP、SOP 等）、 PGA、BGA（键合线、倒装）、QFN、TAB、

功率半导体（IGBT、功率MOSFET，DBC 基板等）、MCM 等 ? 连接器：同轴连接器，多脚连接器（端子型，卡槽型等）

? PCB 板：硬板、混合板、柔性板等、过孔、平面、传输线、网格平面 ? 适用于任意三维形状

7.3 Ansoft Designer 电路?系统?电磁场综合设计环境

Ansoft Designer 是进行系统、电路、2.5D 电磁场分析等RF、SI、EMC 分析的综合设计环境。它包括DesignerRF 和 DesignerSI 两种配置。

ANSYS DesignerRF 是ANSYS Designer/ANSYS Nexxim 的射频微波工具包。包含快速精确的线性及谐波平衡的非线性分析引擎和AnsoftDesigner 与ANSYS HFSS 等各种电磁场仿真和协同分析的综合设计环境，可以进行包含电路 ? 系统 ? 物理形状模型的完整设计。 ANSYS DesignerSI 是Ansoft Designer 的信号完整性分析包。在Ansoft Designer 统一设计界面下，内嵌的高精度的电路仿真器可以与HFSS、Q3D、SIwave、TPA 等各种ANSYS 电磁场仿真器协同工作，快速完成线性电路和时域瞬态分析等，进而实现包含电路、系统和三维电磁场模型的完整设计分析。

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适用于高频高速数字传输、EMC 验证设计的综合设计解决方案

7.4 EMIT系统级射频干扰仿真平台

多系统共址条件下的电磁兼容预估仿真分析软件EMIT，用于仿真如飞机、舰船、卫星、火箭、导弹、车辆等各种平台，以及由它们组合构成的复杂系统中多个收发信机及设备干扰冗余度的精确仿真、分析、设计与系统评估。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xhc7.html