【正文】 同無(wú)人機(jī)的一體化設(shè)計(jì)仿真雷達(dá)已經(jīng)成為武器裝備系統(tǒng)的核心。圖16. 板載模塊模型圖17. 單片級(jí)仿真 對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的仿真，同樣需要電磁場(chǎng)、電路仿真協(xié)同，如圖14所示，陣列天線、饋電網(wǎng)絡(luò)與有源器件協(xié)同仿真，可以充分考慮各種因素對(duì)天線方向特性的影響，極大縮短項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期，提高研發(fā)效率。結(jié)構(gòu)的電磁特性需要利用電磁場(chǎng)仿真工具進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算，而參與輻射的信號(hào)能量大小則需要通過(guò)電路仿真計(jì)算。在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)中，這三個(gè)層次的任務(wù)都存在。電磁仿真軟件應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)可分為三個(gè)層次：一是部件級(jí)的仿真，如單片集成電路、單天線、陣列天線、濾波器、功分器等；二是系統(tǒng)級(jí)的仿真，如天線與饋電網(wǎng)絡(luò)、天線罩、收發(fā)鏈路設(shè)計(jì)等；三是布局仿真，如機(jī)載天線系統(tǒng)、平臺(tái)電磁兼容設(shè)計(jì)等。ANSYS提供的多物理場(chǎng)仿真解決方案從這類(lèi)特殊的多物理場(chǎng)耦合的問(wèn)題入手，對(duì)唯一的數(shù)學(xué)模型采用不同物理域的仿真技術(shù)進(jìn)行仿真，形變后的網(wǎng)格可在不同仿真器之間自動(dòng)交互，全面解決了計(jì)算精度和效率的問(wèn)題，進(jìn)而延伸成為涉及多個(gè)物理場(chǎng)仿真的工程問(wèn)題的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。例如，星載天線在環(huán)境溫度及大發(fā)射功率導(dǎo)致的電損耗熱源的混合作用下產(chǎn)生的溫度場(chǎng)導(dǎo)致形變，從而影響天線的電性能。完備、全面、精確地仿真真實(shí)的物理世界。 電磁、結(jié)構(gòu)、流體的多物理場(chǎng)仿真ANSYS向客戶(hù)提供基于統(tǒng)一平臺(tái)、同一個(gè)參數(shù)化整機(jī)模型的電磁、結(jié)構(gòu)、流體、乃至嵌入式系統(tǒng)的多個(gè)物理域仿真能力，能夠兼顧系統(tǒng)在外形、電磁、熱、結(jié)構(gòu)等多方面的需求，方便的在多個(gè)物理場(chǎng)仿真之間進(jìn)行協(xié)同驗(yàn)證和設(shè)計(jì)迭代。這也是該行業(yè)的客戶(hù)對(duì)ANSYS的仿真技術(shù)信任長(zhǎng)達(dá)40多年的根本原因。 工程仿真的重要角色 航空航天和國(guó)防工業(yè)的應(yīng)用之復(fù)雜，即便是實(shí)現(xiàn)精確仿真這類(lèi)最基礎(chǔ)需求也需要高質(zhì)量的物理域仿真及系統(tǒng)建模和仿真能力，并輔助以高性能計(jì)算和自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。此時(shí)，某些結(jié)構(gòu)表面對(duì)各種射頻信號(hào)來(lái)說(shuō)應(yīng)該是透明的，或者具有可控屬性以方便信號(hào)發(fā)射和接收。比如在現(xiàn)有飛機(jī)上，前視紅外和微光電視旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、天線，甚至控制面的凸出物，不僅增加了飛機(jī)的氣動(dòng)阻力，而且增強(qiáng)了飛機(jī)的信號(hào)特征，從而使敵方傳感器很容易探測(cè)到無(wú)人機(jī)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念中，飛機(jī)蒙皮是一種滿(mǎn)足氣動(dòng)外形、強(qiáng)度和剛度要求的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要在飛行器上安裝天線和傳感器時(shí)，就在飛機(jī)蒙皮上鑿孔，這種安裝方法會(huì)帶來(lái)不必要的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)力、溫度和費(fèi)用損失問(wèn)題。單片集成技術(shù)可以極大提高各種傳感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和費(fèi)用。其中全頻譜高分辨率傳感器技術(shù)是指未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)必須具備很強(qiáng)的目標(biāo)探測(cè)能力，這就對(duì)雷達(dá)、集成紅外（IR）焦平面陣列、紫外（UV）焦平面陣列、低溫慣導(dǎo)、激光雷達(dá)和微波探測(cè)儀等的傳感器在分辨率、精度、覆蓋范圍和實(shí)時(shí)性等方面提出了更高的要求。圖11. 全球鷹無(wú)人機(jī)下一代無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是：多用途；模塊化；全隱身；自主式；高空長(zhǎng)航時(shí)。機(jī)上裝有探測(cè)／地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示雷達(dá)，探測(cè)距離可達(dá)96千米。美國(guó)洛克希德主要設(shè)備有：對(duì)地搜索雷達(dá)、光電探測(cè)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)、威脅報(bào)警系統(tǒng)和雷達(dá)干擾箔條投放系統(tǒng)。格魯門(mén)公司制造，是一種高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人偵察機(jī)，續(xù)航時(shí)間大于42小時(shí)，可以提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)圖像，對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視。除在目前的已知應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)的任務(wù)設(shè)置還將深入進(jìn)攻、生化探測(cè)、反地雷、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御、電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)等各個(gè)領(lǐng)域。為順應(yīng)作戰(zhàn)運(yùn)用的變化，美軍在《空軍2025》報(bào)告中提出今后幾十年無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵需求，明確了多任務(wù)平臺(tái)為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)的下一個(gè)發(fā)展方向。無(wú)人機(jī)電磁仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1. 無(wú)人機(jī)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展無(wú)人機(jī)（UAV）先后經(jīng)歷了無(wú)人靶機(jī)、預(yù)編程序控制無(wú)人偵察機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無(wú)人機(jī)等發(fā)展階段，目前已經(jīng)發(fā)展到了無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）。UAS的主要功能包括： 信息獲取； 攻擊及支援； 奪取戰(zhàn)場(chǎng)電磁權(quán)； 提供預(yù)警及通信中繼能力； 目標(biāo)指引； 戰(zhàn)場(chǎng)輸送。在綜合集成方面，無(wú)人機(jī)本身就是飛行器、各類(lèi)傳感器、武器、發(fā)射與回收裝置、通信系統(tǒng)、指控系統(tǒng)的融合體。“全球鷹”無(wú)人偵察機(jī)由美國(guó)諾斯羅普該機(jī)實(shí)用升限20500米，活動(dòng)半徑5560千米，是目前世界上無(wú)人機(jī)中最大的一種，內(nèi)裝一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)?！叭蝥棥笨赏ㄟ^(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈把偵察到的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸給地面站，該機(jī)能在20000米的高度準(zhǔn)確識(shí)別停放在地面上的各種飛機(jī)、導(dǎo)彈和車(chē)輛的類(lèi)型。馬丁公司研制的X47海軍型無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，在攜帶900千克載荷執(zhí)行攻擊任務(wù)時(shí)，作戰(zhàn)半徑可達(dá)2400千米以上，飛行高度12200米，自部署距離為64358045千米。波音公司為美國(guó)空軍研制的X45無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，武器系統(tǒng)采用內(nèi)掛設(shè)計(jì)，機(jī)身中線兩側(cè)各有一個(gè)武器艙，能夠根據(jù)作戰(zhàn)需要攜帶JDAM和小型精密制導(dǎo)炸彈等。關(guān)鍵技術(shù)包括：光技術(shù)、全頻譜高分辨率傳感器技術(shù)、片級(jí)集成技術(shù)、智能蒙皮技術(shù)等。片級(jí)集成是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以將信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)控制、信息處理、化學(xué)和物理敏感元件、液壓和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及輻射的產(chǎn)生和探測(cè)等集成在一片3/8in薄片上。集成的模擬、數(shù)字、聲、磁、電磁、光電和機(jī)械電路系統(tǒng)將在未來(lái)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。負(fù)載和飛機(jī)機(jī)體低水平集成的結(jié)果是機(jī)體更大、空中待命時(shí)間更短（ 由于更大的阻力導(dǎo)致飛行效率降低）、生存力降低。智能蒙皮技術(shù)是指，在飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造期間就將天線、傳感器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)和信息處理機(jī)、射頻電纜、電力電纜、電控制電纜和溫控設(shè)備嵌入飛機(jī)蒙皮內(nèi)。各種有源和無(wú)源傳感器不一定只給單一的通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)、敵我識(shí)別或?qū)Ш较到y(tǒng)提供信號(hào)，天線和傳感器分布可能覆蓋了75%的飛機(jī)蒙皮，可以提供從幾兆赫到光頻范圍（ 光波覆蓋的頻譜范圍，包括紅外、可見(jiàn)光、紫外等，通?？蛇_(dá)到吉赫，太赫）的孔徑。天線共址時(shí)的電磁干擾評(píng)估、帶復(fù)雜材料涂覆的飛機(jī)的RCS計(jì)算、功率和熱管理、或關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中的嵌入式驗(yàn)證軟件、以及如影隨形的電磁、熱和流體間相互作用等，ANSYS公司的研發(fā)愿景同航空航天和國(guó)防工業(yè)的需求始終保持著高度的一致。 然而，想要在未來(lái)依然保持競(jìng)爭(zhēng)力，單靠將這些各領(lǐng)域的仿真技術(shù)做精做深是不夠的，還需要一系列關(guān)鍵的建模、仿真、設(shè)計(jì)和知識(shí)管理能力，從而真正做到改進(jìn)整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。將多物理相互制約因素納入數(shù)字化樣機(jī)研發(fā)的考慮范疇，使得數(shù)字化樣機(jī)更加逼真。ANSYS在物理域仿真方面提供的主要能力如下：? 電磁、結(jié)構(gòu)、流體多個(gè)物理域及其耦合仿真；? 電路/電磁場(chǎng)雙向耦合仿真；? 高性能計(jì)算；? 多學(xué)科優(yōu)化；圖12 Workbench平臺(tái)下的多物理場(chǎng)仿真機(jī)現(xiàn)今，在許多科研單位，建模和仿真數(shù)據(jù)的在工程師之間傳遞經(jīng)常是封閉且效率很低的，這也經(jīng)常成為誤差和不確定性的源頭，因?yàn)樵诓煌浖ぞ咧g傳遞模型經(jīng)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。由于這種形變通常非常微小且不規(guī)則，和在結(jié)構(gòu)和電磁仿真工具之間傳遞模型產(chǎn)生的誤差幾乎在同一量級(jí)，采用傳統(tǒng)的仿真方法無(wú)法精確的對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)估。圖13 通過(guò)電磁場(chǎng)仿真得到的天線電損耗分布ii圖14 溫升導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)分布圖15 形變前后的天線電性能（遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖）變化綜上所述，無(wú)人機(jī)的電子系統(tǒng)涉及很寬的頻段，為了避免各分系統(tǒng)之間的干擾以及與結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)之間的干涉，必須在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行系統(tǒng)性的規(guī)劃，系統(tǒng)仿真在規(guī)劃中的地位顯而易見(jiàn)。如果說(shuō)之前由于計(jì)算機(jī)硬件資源的限制，大部分應(yīng)用還停留在第一個(gè)層次的仿真，那么隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)和集群機(jī)的普及，隨著快速算法日益成熟，第二、第三個(gè)層次的仿真越來(lái)越受到重視。對(duì)于片上集成電路系統(tǒng)，涉及到信號(hào)完整性、電源完整性、數(shù)?；旌想娐泛碗姶偶嫒?電磁干擾問(wèn)題，基于傳統(tǒng)“路”的概念的方法已經(jīng)不能適應(yīng)技術(shù)的需要。同樣的結(jié)構(gòu)，在不同的頻率上，輸入不同的信號(hào)，具有不同EMI特性；另外，同樣幅度的干擾信號(hào)，用于不同的結(jié)構(gòu)上，對(duì)不同的器件，會(huì)產(chǎn)生不同的EMC結(jié)果；同時(shí)，對(duì)于我們目前的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還要進(jìn)行電路的時(shí)域和頻域仿真，研究輻射干擾的幅度和傳導(dǎo)干擾的幅度，用于進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證EMC設(shè)計(jì)措施的有效性，因此，對(duì)于EMI/EMC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，電路和電磁場(chǎng)仿真都是必須的。圖18. 系統(tǒng)級(jí)仿真 考慮板載影響前后的天線方向特性如圖45所示。隨著新軍事技術(shù)變革的發(fā)展，武器裝備已經(jīng)完成了從機(jī)械化向信息化的跨越，目前正在向智能化的方向推進(jìn)。這就要求雷達(dá)方向特性具有更低的副瓣、更高的增益、更寬的工作帶寬、更低的掃描跟蹤角度。綜合而言，現(xiàn)代雷達(dá)需要在時(shí)域、空域、譜域進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到探測(cè)與隱身的目的。利用HFSS，可以實(shí)現(xiàn)有限大陣列的快速仿真分析、反射面天線的混合求解計(jì)算、近遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、陣列天線雜散電平分析、大規(guī)模陣列天線的并行計(jì)算、天線罩與天線的協(xié)同仿真等，其中平臺(tái)對(duì)天線方向特性的影響如圖45所示圖16. 無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)機(jī)載雷達(dá)天線性能的影響 綜合而言，隨著大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)電子系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)已是大勢(shì)所趨，尤其是智能蒙皮設(shè)計(jì)，需要部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和平臺(tái)級(jí)的協(xié)同仿真，節(jié)省資源、提高效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵性突破。圖21 整機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì) 整機(jī)天線布局設(shè)計(jì)從電磁干擾源、干擾途徑和電磁干擾接受者這電磁兼容三要素的角度分析，天線作為飛機(jī)上最直接的射頻能量發(fā)射和接收裝置，是電磁干擾和受擾的最直接載體；機(jī)身、機(jī)艙及若干關(guān)鍵電纜為有害電磁能量提供了干擾途徑。 整機(jī)天線布局仿真需求整機(jī)天線布局設(shè)計(jì)主要針對(duì)飛機(jī)上天線的不同放置位置，多幅天線的相互影響以及飛機(jī)平臺(tái)對(duì)于天線的性能影響等方面進(jìn)行分析，以及對(duì)多種可能工況進(jìn)行參數(shù)掃描，實(shí)現(xiàn)天線布局的最優(yōu)化，得到最合理的天線布局設(shè)計(jì)。Optimetrics模塊可實(shí)現(xiàn)天線布局的參數(shù)掃描和設(shè)計(jì)