【正文】 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，無人機(jī)電子系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)已是大勢所趨，尤其是智能蒙皮設(shè)計(jì)，需要部件級、系統(tǒng)級和平臺級的協(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)平臺對于天線的性能影響等方面進(jìn)行分析，以及對多種可能工況進(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)優(yōu)化，方便得到最佳設(shè)計(jì)。1) 完備的天線模型庫，內(nèi)置多種常用天線類型，可直接生成參數(shù)化的三維仿真模型，并可管理自定義的天線類型。3) 多端口技術(shù)及獨(dú)立的后處理技術(shù)可同時求解包含十幾付甚至幾十付天線的布局問題。 整機(jī)天線布局仿真實(shí)例一個飛行器上通常會包含十幾乃至數(shù)十副天線，在整機(jī)天線布局驗(yàn)證階段需要對這幾十副天線同時進(jìn)行仿真，得到天線隔離度。圖22 軍用無人機(jī)天線裝配示意圖色標(biāo)圖顯示的多部天線之間的耦合度矩陣。圖23 天線之間耦合度色標(biāo)圖圖24 無人機(jī)天線同時工作時天線輻射場圖 HFSSIE采用積分方程法，支持無限大地平面邊界條件，其典型應(yīng)用在于研究飛行器近地效應(yīng)。圖26. 系統(tǒng)級射頻干擾仿真平臺EMITEMIT軟件的仿真設(shè)計(jì)思路從射頻干擾三要素（發(fā)射干擾源、耦合路徑、接收機(jī)）出發(fā)，是與實(shí)際工程中射頻抗干擾性能緊密結(jié)合的仿真分析方案，利用其先進(jìn)功能，在設(shè)計(jì)、更改、設(shè)備驗(yàn)收或系統(tǒng)定型，維護(hù)系統(tǒng)開發(fā)，認(rèn)證和評審的整個生命周期的各個階段，方便快速診斷與分析各類復(fù)雜系統(tǒng)之間的電磁兼容性和射頻干擾，是整體大平臺項(xiàng)目在各個階段性決策節(jié)點(diǎn)所需要的分析與支持工具。軟件輸入為這些設(shè)備的RF通路及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)頻譜特性，輸出為整個系統(tǒng)中敏感接收機(jī)的射頻抗干擾余量（EMI Budget）。 多系統(tǒng)共址的射頻干擾冗余度計(jì)算在分析多系統(tǒng)通道間的射頻干擾問題時，對多系統(tǒng)共址建模尤為關(guān)鍵，這是一個復(fù)雜且跨越涉多學(xué)科的問題，如何管理多個系統(tǒng)的通道、器件以及天線數(shù)據(jù)成為最大的挑戰(zhàn)。如下圖所示，左邊是數(shù)個發(fā)射通道，右邊的模塊則是數(shù)個接收通道，發(fā)射頻譜、雜散、諧波、接收敏感度、信噪比等通道指標(biāo)都能以參數(shù)輸入或者外部實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入的形式賦予。圖27. EMIT多系統(tǒng)通道共存原理圖對于其中任意一對收發(fā)通道，EMIT都可以單獨(dú)對其進(jìn)行仿真，將計(jì)算得到的接收機(jī)收到的干擾電平與其敏感度進(jìn)行比對，從而得到出當(dāng)前情況下接收機(jī)的射頻干擾余量（EMI Margin），如下圖的M(f)就是針對某發(fā)射機(jī)能量，經(jīng)過收發(fā)鏈路和天線空間耦合后進(jìn)入到接收機(jī)處的干擾電平與靈敏度的差值，如果大于1則表示干擾功率高于靈敏度接收功率，接收機(jī)性能將收到影響。第一是多發(fā)射機(jī)同時工作，產(chǎn)生的發(fā)射頻譜耦合到接收機(jī)后與接收通道上的射頻前端非線性器件（如LNA等）產(chǎn)生的交叉調(diào)試。圖29. 多系統(tǒng)N對1射頻干擾效應(yīng)多系統(tǒng)N對1仿真完成后，可以通過EMIT軟件的可視化結(jié)果直觀地觀察到所有發(fā)射系統(tǒng)對特定接收信道的靈敏度影響，如下圖右下方矩陣圖所示，矩陣圖中綠色單元表示對應(yīng)的兩個收發(fā)通道的耦合不會影響接收靈敏度，黃色單元表示收發(fā)系統(tǒng)間產(chǎn)生的干擾能量與接收靈敏度水平相當(dāng)，紅色表示干擾能量超過接收敏感電平，此時接收機(jī)靈敏度將會有所惡化。圖210. 多系統(tǒng)射頻干擾仿真可視化結(jié)果除了直觀的矩陣圖顯示之外，EMIT還可以生成如下圖所示多發(fā)射系統(tǒng)同時工作狀態(tài)下接收機(jī)抗干擾余量，所有的通道間交調(diào)互調(diào)產(chǎn)物都可以直觀顯示，也可以看到每一個交調(diào)互調(diào)分量產(chǎn)生的來源，從而指引設(shè)計(jì)者找到消除惡化接收靈敏度的方法和途徑。 為了適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的需要，無論是通信，電子對抗還是雷達(dá)系統(tǒng)的性能都越來越高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是單一化的思路，即在飛機(jī)上分別設(shè)計(jì)安裝通信，電子對抗，雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)，除了成本高昂之外，還會導(dǎo)致在一個狹小的空間中有多個系統(tǒng)相互爭奪資源，影響作戰(zhàn)配合能力和電磁兼容能力。采用綜合射頻系統(tǒng)可以降低射頻系統(tǒng)成本，減輕重量，節(jié)約空間，并提高系統(tǒng)升級的靈活性，已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。 綜合射頻系統(tǒng)仿真綜合射頻系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)：共用天線的多波束，并且每個波束可以智能地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)，通信，電子對抗和導(dǎo)航中的一種功能；足夠?qū)掝l帶的T/R模塊，采用數(shù)字化的頻率合成技術(shù)，對應(yīng)每種應(yīng)用都要能夠?qū)崿F(xiàn)多載波的工作方式。 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項(xiàng)目中進(jìn)行仿真，并將各個衰減系數(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)和電子對抗應(yīng)用對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。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，信號處理在內(nèi)的完整射頻鏈路, 對于射頻通道指標(biāo)的要求和分配有顯著的指導(dǎo)意義。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)。通信一般會使用各種先進(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通信系統(tǒng)的整體表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。. 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), 為對目標(biāo)進(jìn)行分類、辨別與識別奠定了基礎(chǔ)，對我國國防現(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。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)，因此成為對仿真新技術(shù)需求最為迫切的應(yīng)用領(lǐng)域之一。以下結(jié)合業(yè)界最權(quán)威的仿真技術(shù)對其應(yīng)用進(jìn)行逐一說明。 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，對優(yōu)化飛行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)具有非常重大的意義。如圖所示的彈體，分析其在雷達(dá)波正對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。 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。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周期性排列的陣列的電性能。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激發(fā)很強(qiáng)的散射貢獻(xiàn)，成為散射的重要貢獻(xiàn)源。天線的散射由結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射和模式項(xiàng)散射構(gòu)成。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。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，每個天線單元都設(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)。HFSS中具有針對介質(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)。在電尺寸不變的情況下，F(xiàn)SS層結(jié)構(gòu)會讓計(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。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。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。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。HFSSTransient是HFSS的時域求解器，基于間斷伽略金時域（DGTD）法，能夠很好地實(shí)現(xiàn)采用脈沖激勵類型的仿真，因此特別適合如雷擊、靜電放電、瞬態(tài)RCS等短時激勵下的瞬態(tài)場顯示。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。%，電流的上升速率最高可達(dá)每秒1000千安培左右。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)，同時還大量采用了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料等。迄今為止，至少有2500架飛機(jī)被雷電擊毀。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。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)行對比，當(dāng)確實(shí)相同時，也可以認(rèn)為滿足要求。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。 雷電防護(hù)仿真需求針對飛機(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。此問題仿真，主要是針對飛機(jī)表面各部位雷電附著能力的模擬，可通過靜電場的方式分析得到，可利用ANSYS Q3D Extractor軟件完成。因此，需要用瞬態(tài)分析工具HFSS Transie