【文章內(nèi)容簡介】 協(xié)同仿真，通過控制射頻電路的輻射和相位，從而動(dòng)態(tài)的改變天線陣列的波束情況，實(shí)現(xiàn)多波束多頻帶掃描，并且可以分析射頻電路的不一致性導(dǎo)致的天線波束的變化。 在上圖的例子中，ANSYS軟件采用仿真層次化的項(xiàng)目管理方式，使用場路協(xié)同仿真的方法，將放大器，移相器，衰減器等射頻電路和天線放在同一個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行仿真，并將各個(gè)衰減系數(shù)，相移角度等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置成變量進(jìn)行自動(dòng)掃描，從而形成不同的天線波束，以滿足通信，雷達(dá)和電子對(duì)抗應(yīng)用對(duì)于波束形狀的不同要求 雷達(dá)系統(tǒng)仿真雷達(dá)通過發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。通常而言，雷達(dá)的射頻系統(tǒng)需要滿足低旁瓣，高頻譜純度和低噪聲系數(shù)的要求。利用ANSYS軟件，可以仿真包括雷達(dá)波形生成，發(fā)射通道，傳播路徑，目標(biāo)RCS，反射路徑，接收通道，信號(hào)處理在內(nèi)的完整射頻鏈路, 對(duì)于射頻通道指標(biāo)的要求和分配有顯著的指導(dǎo)意義。LFM雷達(dá)仿真框圖和天線接收到的波形經(jīng)過信號(hào)處理后得到兩個(gè)目標(biāo)回波 射頻通道帶寬的增加導(dǎo)致更多噪聲 上述例子描述了一個(gè)典型的線性調(diào)頻（LFM）雷達(dá)所接收到的真實(shí)回波信號(hào)，包含混疊在一起的兩個(gè)目標(biāo)回波以及背景雜波，可以看到射頻通道的帶寬的增加會(huì)導(dǎo)致底噪顯著抬升。雷達(dá)接收機(jī)部分的射頻通道后可以使用算法模型，從而可以研究在真實(shí)射頻通道指標(biāo)（如濾波特性，非線性指標(biāo)和響應(yīng)速度等）下，被雜波干擾的不同雷達(dá)波形的實(shí)際表現(xiàn)，從而指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 通信系統(tǒng)仿真通信系統(tǒng)需要在保證一定誤碼率的情況下，盡可能地提高傳輸數(shù)率和減低被截獲概率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)化。通信一般會(huì)使用各種先進(jìn)調(diào)制方式，提高頻譜利用率，減少不同信道之間的干擾和泄漏，因此射頻通道的性能對(duì)通信系統(tǒng)的整體表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。ANSYS提供了多種通信系統(tǒng)的接收機(jī)的模型，能夠方便的改變MPSK調(diào)制通信系統(tǒng) 進(jìn)入放大器的頻譜 放大器輸出的頻譜 誤碼率和輸入功率的關(guān)系 從ANSYS軟件的仿真結(jié)果可以看到放大器的非線性會(huì)導(dǎo)致顯著的相鄰信道功率泄漏，從而影響誤碼率的指標(biāo)，從而可以幫助設(shè)計(jì)人員改進(jìn)前端射頻功率控制算法和電路，以提高通信系統(tǒng)性能。. 無人機(jī)的隱身設(shè)計(jì)目標(biāo)電磁散射特性的研究利用電磁波與目標(biāo)相互作用所產(chǎn)生的各種信息為雷達(dá)準(zhǔn)確的獲得目標(biāo)的特征參數(shù)，推導(dǎo)其形狀、體積、姿態(tài), 為對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類、辨別與識(shí)別奠定了基礎(chǔ)，對(duì)我國國防現(xiàn)代化建設(shè)有著重要意義，也是計(jì)算電磁學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（RCS）的測試難度很大，滿足需求的測量環(huán)境少，且測量誤差難以評(píng)估，因此，采用數(shù)值仿真的方法一直是目標(biāo)特性研究的重要手段。隨著雷達(dá)隱身、反隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)特性的研究也不斷面臨新的挑戰(zhàn)，因此成為對(duì)仿真新技術(shù)需求最為迫切的應(yīng)用領(lǐng)域之一。仿真技術(shù)是目標(biāo)特性研究的主要手段，目前國內(nèi)外在仿真的計(jì)算方法、建模技術(shù)、以及工程實(shí)際應(yīng)用方面出現(xiàn)了若干研究熱點(diǎn)，如特殊結(jié)構(gòu)、特殊材料的目標(biāo)特性研究、天線陣和天線罩RCS的研究、RCS的時(shí)域瞬態(tài)研究等。以下結(jié)合業(yè)界最權(quán)威的仿真技術(shù)對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行逐一說明。4 復(fù)雜飛行器的外形隱身設(shè)計(jì)與RCS仿真采用FEBI和DDM技術(shù)，結(jié)合高性能計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)能夠有效求解復(fù)雜飛行器的RCS仿真，并且單次仿真可得到數(shù)百入射角度下的單站RCS。 介質(zhì)涂覆材料的隱身設(shè)計(jì)及仿真涂覆吸波材料已經(jīng)在飛行器隱身方面應(yīng)用了多年，由于涂覆材料一般為薄層介質(zhì)，屬性復(fù)雜，多層的涂覆結(jié)構(gòu)更加給模擬帶來了挑戰(zhàn)，其仿真具有非常大的應(yīng)用價(jià)值，在涂覆材料的選擇和涂覆位置的選擇上，具有直接的指導(dǎo)作用，對(duì)優(yōu)化飛行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)具有非常重大的意義。HFSS軟件具有方便的薄層模擬功能，能方便的仿真此類涂覆材料問題，可有效解決涂覆吸波材料的問題。如圖所示的彈體，分析其在雷達(dá)波正對(duì)鼻錐方向入射下的彈體表面電流分布，分別分析了不涂覆，涂覆材料a，涂覆材料b三種不同情況下的情形，從分析結(jié)果很容易看到不同的涂覆材料和涂覆方式會(huì)帶來不同的效果，其表面電流的改變很明顯，通過計(jì)算其回波，可輕易判斷涂覆材料的效果好壞。在涂覆隱身設(shè)計(jì)中，軟件的仿真將大大的縮短材料選型和優(yōu)化的過程，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供足夠的理論和仿真數(shù)據(jù)支撐。 復(fù)合材料的隱身特性仿真復(fù)合材料也是隱身設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法，但由于復(fù)合材料相比金屬材料，其屬性更加復(fù)雜，仿真和計(jì)算都具有相當(dāng)?shù)碾y度。HFSS軟件具有強(qiáng)大的基于函數(shù)的建模功能，基于主從邊界的單元法適合模擬此類材料問題。單元法－采用Floquet端口配合周期性邊界條件，利用Floquet模式理論，通過單元電性能綜合得到整個(gè)周期性排列的陣列的電性能。編織型復(fù)合材料 單元法建模 復(fù)合材料的RCS 天線（陣）的RCS仿真飛行器的散射主要由兩部分共享組成，一部分來自于外形及結(jié)構(gòu)，另一部分主要的來源就是雷達(dá)天線。由于天線/天線陣的強(qiáng)電磁敏感性，在雷達(dá)波的照射下，天線和天線陣往往會(huì)激發(fā)很強(qiáng)的散射貢獻(xiàn)，成為散射的重要貢獻(xiàn)源。所以天線和天線陣列以及天線罩在整機(jī)隱身設(shè)計(jì)中地位居首。天線的散射由結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射和模式項(xiàng)散射構(gòu)成。結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射是指天線的金屬外形結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁波的散射。模式項(xiàng)散射是指天線作為電磁波接收裝置，將入射電磁波接收后，由不匹配的端口再次輻射形成的散射。天線陣由于還要考慮單元間的互耦，因此模式項(xiàng)散射更為嚴(yán)重。HFSS軟件中可方便的定義天線陣的散射計(jì)算，在定義入射波的同時(shí)，每個(gè)天線單元都設(shè)置端口，這樣的設(shè)置可以降天線陣散射的結(jié)構(gòu)項(xiàng)和模式項(xiàng)都考慮在內(nèi)，得到天線或天線陣的全部散射貢獻(xiàn)。天線陣的模式散射計(jì)算定義方式在HFSS中仿真天線陣在工作頻點(diǎn)的單站RCS，紅色曲線為僅考慮結(jié)構(gòu)項(xiàng)的單站RCS，藍(lán)色曲線為同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)項(xiàng)和模式項(xiàng)在內(nèi)的單站RCS 天線罩的RCS仿真天線罩與天線互耦的問題包含許多復(fù)雜的近場效應(yīng)，全波有限元算法能夠?yàn)榻鼒鼋馑闾峁┍匾木?。HFSS中具有針對(duì)介質(zhì)薄層的邊界條件，其算法突破傳統(tǒng)阻抗邊界在處理介質(zhì)薄層問題中的局限性，既能夠精確的考慮損耗，又能夠?qū)㈦妶雠c磁場分量在介質(zhì)薄層兩側(cè)的變化考慮在內(nèi)。因此， HFSS可以在保證精度的情況下，高效的求解多層介質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)，極大地降低了天線罩仿真的運(yùn)算量。在電尺寸不變的情況下，F(xiàn)SS層結(jié)構(gòu)會(huì)讓計(jì)算規(guī)模在原有基礎(chǔ)上提升30～50倍，目前的解決方案為采用有限單元邊界積分法（FEBI）配合域分解技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)上并行求解。 FSS與天線罩的RCS計(jì)算特殊結(jié)構(gòu)或者稱之為結(jié)構(gòu)型材料在現(xiàn)代飛行器的隱身設(shè)計(jì)中越來越重要，頻率選擇性表面（FSS）就是一類重要的特殊結(jié)構(gòu)，由于其頻率選擇的特性，在天線罩上應(yīng)用廣泛，可降低帶外散射而又不影響帶內(nèi)電磁波的通過，對(duì)提升設(shè)備的生存能力極有意義。采用HFSS的主從邊界條件可方便的模擬FSS的周期性結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)FSS和優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，提高效率，保證效果。如下圖為耶路撒冷十字型FSS結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果，從圖上可看到仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合非常良好。FSS在雷達(dá)罩中廣泛使用，但其建模和仿真都極具挑戰(zhàn)，HFSS中可導(dǎo)入外部模型，精確仿真得到包含F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)的天線罩的散射性能。 縮減RCS設(shè)計(jì)與超寬帶RCS已有的RCS研究主要關(guān)注在頻域窄帶RCS，但隨著超寬帶雷達(dá)應(yīng)用于目標(biāo)探測以及縮減目標(biāo)RCS的設(shè)計(jì)需求，時(shí)域仿真也將成為RCS研究的重要手段。它可為目標(biāo)特性的研究直接提供一維距離像信息，以及生成二維距離像所需的數(shù)據(jù)，在縮減目標(biāo)RCS的設(shè)計(jì)中指導(dǎo)吸波材料的鋪放位置。并且時(shí)域仿真的入射脈沖可看作具有超寬帶頻譜分量的入射波，對(duì)時(shí)域仿真得到的脈沖回波進(jìn)行FFT變換后可直接得到目標(biāo)的超寬帶散射特性。HFSSTransient是HFSS的時(shí)域求解器，基于間斷伽略金時(shí)域（DGTD）法，能夠很好地實(shí)現(xiàn)采用脈沖激勵(lì)類型的仿真，因此特別適合如雷擊、靜電放電、瞬態(tài)RCS等短時(shí)激勵(lì)下的瞬態(tài)場顯示。DGTD是HFSSTransient中采用的時(shí)域算法，采用非均勻四面體網(wǎng)格和非均勻時(shí)間步長，結(jié)合了FDTD/FIT和時(shí)域有限元法（FETD）、有限空間時(shí)域法（FVTD)的優(yōu)點(diǎn)，既通過四面體共形網(wǎng)格保障了模型保真度，比FDTD/FIT法具有更高的精度，同時(shí)具備FDTD/FIT在速度和內(nèi)存消耗上的優(yōu)勢。目標(biāo)的瞬態(tài)場仿真和由此得到的一維距離像5 雷電防護(hù) 雷電防護(hù)技術(shù)背景雷電、高強(qiáng)度輻射場（HIRF）、電磁/核電磁脈沖（EMP/NEMP）等問題，已成為影響飛機(jī)飛行安全的重要因素。在地球大氣中，平均每天約發(fā)生800萬次雷電。%，電流的上升速率最高可達(dá)每秒1000千安培左右。有統(tǒng)計(jì)表明，無人機(jī)在飛行過程中可能遭受惡劣天線，甚至雷擊的影響。為提高飛機(jī)飛行性能，大量采用了現(xiàn)代電子技術(shù)，如計(jì)算機(jī)飛控系統(tǒng)，通信導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)還大量采用了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料等。但遺憾的是，這些先進(jìn)的電子技術(shù)和材料技術(shù)，對(duì)雷電相當(dāng)敏感，遭到雷擊后損失更大。迄今為止，至少有2500架飛機(jī)被雷電擊毀。因此，將大氣雷電環(huán)境給飛行安全帶來的影響減至最小，一直是人們努力追求的目標(biāo)。飛機(jī)雷電防護(hù)適航審查的符合性方法通常有分析計(jì)算方法、類比方法和地面模擬雷電試驗(yàn)方法。分析計(jì)算方法主要用于飛機(jī)某些能得出準(zhǔn)確解的局部結(jié)構(gòu)和部件的計(jì)算。類比方法主要是將外形、結(jié)構(gòu)和用途都基本相同的飛機(jī)或結(jié)構(gòu)與部件，與已通過適航審查的飛機(jī)或結(jié)構(gòu)與部件進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)確實(shí)相同時(shí)，也可以認(rèn)為滿足要求。地面模擬雷電試驗(yàn)方法，主要用于新機(jī)型的研制、設(shè)計(jì)和老機(jī)型的改進(jìn)或改型設(shè)計(jì)。由于飛機(jī)外形的不規(guī)則性及機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性，電場與磁場的精確解非常困難，因此，雷電試驗(yàn)的方法被認(rèn)為是最有效的方法。這個(gè)過程，類似于飛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工完成后，仍需由力學(xué)試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性的過程。 雷電防護(hù)仿真需求針對(duì)飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，主要需要解決的有關(guān)問題包括：雷電分區(qū)、雷電直接效應(yīng)、間接效應(yīng)、以及HIRF效應(yīng)分析。雷電分區(qū)是飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)飛機(jī)各部位對(duì)遭受雷擊的可能性的等級(jí)劃分，以采用不同等級(jí)的防雷設(shè)計(jì)和防雷措施，主要分為直接雷擊區(qū)，掃掠雷擊區(qū)，以及其他