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较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：

    1.不产生对其它系统的电磁干扰
    2.不易被其它系统产生的电磁辐射所干扰
    3.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10KHz40GHz分段测试磁场强度 。

航空航天电子系统干扰源主要包括：

    1.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；
    2.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 ；
    3.雷电干扰雷电现象发生在离地球表面1525 公里处其频率在1KHz5MHz电位梯度高达1000KV/m主放电电流可高达30KA干扰破坏力极强；
    4.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1020KV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 ：

1.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

2.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。

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。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较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 。

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