國外電磁兼容仿真軟件及相關應用

計算機的飛速發(fā)展以及電磁場數(shù)值分析方法的不斷進步，使得電磁兼容性仿真預測對軍用裝備產(chǎn)品設計的指導意義愈加明顯。各種商用化軟件的不斷推出，更是加速了這一進程。在電子對抗、電磁兼容等領域，由于用戶的迫切要求，出現(xiàn)了專門指導該領域?qū)I(yè)設計的軟件。美國、意大利、西班牙、俄羅斯、德國、英國、法國等世界先進國家的電磁兼容預測和分析技術已經(jīng)形成一整套數(shù)字仿真和優(yōu)化設計軟件系統(tǒng)，而且一刻也沒有停止過數(shù)值算法的完善和創(chuàng)新研究。

        1、國外發(fā)展概況

電磁仿真技術中運用的主要計算電磁學方法大致可分為2 類：精確算法和高頻近似方法。精確計算方法包括差分法（FDTD，F(xiàn)DFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多極子FMM 和多層快速多極子MLFMA）等，其中，在解決電大目標電磁問題中最有效的方法為多層快速多極子方法。高頻方法一般可歸作2 類：一類基于射線光學，包括幾何光學（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎上發(fā)展起來的一致性繞射理論（UTD）等；另一類基于波前光學，包括物理光學（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（MEC）以及增量長度繞射系數(shù)法（ILDC）等。PO 高頻方法由于計算效率較高，對大目標的適應能力強，因此被廣為采用。

基于這些方法，國外不僅形成了眾多的預測仿真系統(tǒng)和軟件，還建立了相應的EMC 數(shù)據(jù)庫，可開展：1）各種軍用平臺電磁兼容性設計，包括大型艦船平臺的天線布置設計、艙室內(nèi)EMC 設計、系統(tǒng)內(nèi)EMC 分析、系統(tǒng)間EMC 分析等；2）平臺間EMC 分析，包括艦船編隊的EMC 分析；3）EMP（電磁脈沖）仿真、各種載體EMP 效應及適應性分析；4）陸海空天電五維現(xiàn)代化戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析。

目前國外主要的商業(yè)軟件主要如下：

         1.1 EMC2000軟件

該軟件由法國某公司研制，采用的計算方法主要是MoM，F(xiàn)DTD，F(xiàn)VO（有限體積法），PO/GO，GTD，UTD，PTD，ECM（等效電流法），在算法上與Ship EDF基本相同（增加了FVO），兩者的分析功能非常接近。據(jù)介紹，EMC2000 可以對雷電、靜電、電磁脈沖對目標的沖擊效應進行仿真分析，可對復雜介質(zhì)進行時域分析，對孔縫耦合進行計算，但沒有RCS 計算功能。

        1.2 FEKO+Cable Mod軟件

該軟件由南非某公司研制，采用的數(shù)值算法主要是MoM，PO，UTD，F(xiàn)EM（有限元法）以及一些混合算法，在新版軟件中增加了多層快速多極子算法（MLFMA），Cable Mod 功能和多種脈沖源（高斯、三角、雙指數(shù)和斜波脈沖）的時域分析，可為飛機、艦船、衛(wèi)星、導彈、車輛等系統(tǒng)的全波電磁分析提供解決手段，包括電磁目標的散射分析（圖1）、機箱的屏蔽效能分析（圖2）、天線的設計與分析（圖3）、多天線布局分析（圖4）、系統(tǒng)的EMC/EMI 分析、介質(zhì)實體的SAR 計算、微波器件的分析與設計、電纜束的耦合分析等。

該軟件由美國Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要應用于微波器件（如波導、耦合器、濾波器、隔離器、諧振腔）和微波天線設計（圖5）中，可獲得特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁輻射場、天線方向圖等參數(shù)和結(jié)果。該軟件與FEKO 最早進入中國市場，并在國內(nèi)擁有一定數(shù)量的用戶。

德國CST 公司研制了基于有限積分技術（FIT，該技術類似于FDTD）的仿真軟件CST-SD，主要用于高階諧振結(jié)構(gòu)的設計。它通過散射參數(shù)（S 參數(shù)）將復雜系統(tǒng)分離成更小的單元進行分析，具體應用范圍主要是微波器件，包括耦合器、濾波器、平面結(jié)構(gòu)電路、各種微波天線和藍牙技術等。圖6 是該軟件對雙指數(shù)脈沖信號沿電纜進入機箱后的效應進行仿真分析的結(jié)果。