三維電磁仿真解決方案 PAM-CEM

時間:2011-02-26 10:04:19 來源:

　　一、概述

　　隨著電子設備使用的增加，完全真實的電磁兼容(EMC) 測試只能在產品樣機進行，EMC問題常常在產品開發的后續階段才會出現，這也就預示著要進行昂貴和耗時的設計迭代。因此，在設計早期階段掌握EMC兼容性變為一個關鍵的技術問題，數值EMC作為一個使電磁兼容更快更高效解決的途徑而出現。

　　由于國際標準規定了發射和承受電磁干擾的極限，制造商必須保證產品遵守EMC條例的強制要求。在過去的10年中，為避免設計更改、縮短設計周期，從而減少不必要的額外費用，EMC成為汽車工業、鐵路運輸以及電子/ 通信等行業的主要設計目標之一。

　　在工業的實際應用中，各個行業所面對的電磁兼容問題是廣泛的，從道路交通領域的電機性能分析/安全舒適度的電磁敏感度分析、航空航天領域中天線/雷達目標散射特性分析，到電子/電信行業中電子設備抗干擾度/敏感度分析，再到國防領域的系統或設備的安全保密性能分析等，ESI集團根據工業中從低頻到中高頻的實際電磁/電磁兼容問題，提出了完整的全頻段的解決方案：PAM-CEM/Visual-CEM用于解決中高頻EMC/EMI電磁兼容問題;CRIPTE用于解決線纜網絡的電磁兼容問題;SYSMGNA 用于解決低頻特性的電磁問題。而PAM-CEM與CRIPTE軟件的完全耦合功能，更是對于具有復雜線纜網絡的設備提供了完整的電磁兼容解決方案。

　　二、PAM-CEM 軟件包

　　隨著工業部門的電子設備日益復雜，預測及控制電磁干擾現象的能力對保證系統操作的可靠性是必要的，尤其是關系到安全性和保密性的情況，而PAM-CEM解決方案就是能夠解決實際EMC問題的關鍵手段。

　　PAM-CEM解決方案由專門從事電磁場仿真計算達20年的專家團隊開發，專門用于EMC的仿真測試。其開發目標是在設計的早期階段選擇更加真實的模型，進行電磁兼容(EMC)模擬仿真，從而預測系統或設備可能的機能問題，并立即仿真結果采取措施。

　　PAM-CEM電磁兼容解決方案可以解決的問題包括：電磁輻射(EMR)和電磁干擾(EMI)問題(近場);天線、雷達對仿真分析對象的輻射模式問題(遠場);機載/車載設備對外來入侵電磁干擾的抗干擾度問題;大型裝備系統對外界環境(電磁污染)的電磁輻射(EMR)等問題;由內部布線引起的電磁干擾(EMI)、擾動電磁敏感性(EMS)、線纜屏蔽效果等問題;具有復雜線纜網絡設備下3D模型與線纜網絡耦合電磁仿真分析的電磁輻射與電磁敏感問題。該解決方案軟件已廣泛用于交通運輸工業(汽車和火車)、航空航天、通信和電子等領域。

　　PAM-CEM 電磁仿真軟件包功能特點，包括：

　　◎對于復雜幾何形狀的電磁場輻射及天線、線纜網絡及電子設備的電磁輻射等電磁場問題，基于麥克斯韋方程組的直接建模，可以解決復雜幾何形狀物體、有線天線、線纜網絡和電子設備等電磁場輻射及電磁干擾問題;

　　◎CAD幾何模型的直接導入進行網格剖分，或對已存在的網格進行細化功能;

　　◎充分明確的仿真時間管理程序使電磁環境的完整仿真更有效，包括感應電流、感應電壓的計算，電磁場的近場或遠場計算，電磁輻射場的仿真分析等;

　　◎先進的后處理器功能可以幫助用戶更好理解電磁現象;

　　◎PAM-CEM可以與其他軟件如CRIPTE 進行完全耦合，從而進行完整的電磁仿真分析;

　　◎可以對物體進行EMS電磁敏感度(基于外界電磁干擾)分析和EMR電磁輻射分析(包括內部電磁干擾對外部環境的影響及不同電子設備之間的互相電磁干擾)。

　　三、CEM 模塊介紹

　　1.PAM-CEM 簡介

　　PAM-CEM是綜合的電磁兼容模擬軟件，可以對復雜的電磁環境進行精確、完整、快速的仿真分析。該軟件通過虛擬測試、工業測試、用戶測試驗證了其有效性。

　　PAM-CEM V2010.0軟件包包含下列模塊：用戶環境(PRE-CEM前處理器、POST-CEM/PAM-VIEW后處理器和PAM-CEM/HF 高頻仿真器);有限元求解器(PAM-CEM/FD 求解器、SEMAIL 網格生成器和CEM3D求解器);線纜網絡求解器(LAPLACE 線纜導線參數計算模塊、CRIPTE 線纜網絡計算分析模塊、C3M 耦合PAM-CEM參數分析模塊以及RORQUAL 特殊電源信號計算分析模塊)。

　　2.PAM-CEM V2010.0 新功能/ 增強功能

　　在2010年即將發布的PAM-CEM V2010.0版本中，針對工業用戶中新出現的突出且廣泛的電磁兼容問題，將電阻材料屬性的薄層求解、高頻電大問題的求解、完善的近場求解等功能添加進PAM-CEM V2010.0 版本。

　　(1)電阻材料屬性的薄層求解功能 (Resistive Coatings)。

　　在實際的電磁兼容問題中，電阻材料薄層的厚度往往只有幾毫米甚至更薄，如果對薄層進行直接3D建模就需減小網格單元的大小;而為了得到真實精確的仿真結果，薄層中的網格數需要至少3~4層，因此，進行直接3D 建模分析求解并不現實。

　　PAM-CEM 為了更好地仿真求解薄層問題，添加了Resis-tive Coatings功能，可以對于具有薄層的物體進行更精確的電磁仿真分析。例如，汽車前端的薄層噴涂對于防碰撞雷達的影響、飛行器上的復合材料通過鋁層鋪設后對于飛行器電磁場分布的改變等。

　　(2)高頻電大問題求解功能(PAM-CEM/HF)。在高頻電磁場及超高頻電磁場仿真分析中，由于頻率過高導致網格數相應增多，在一些條件下并不能解決EM的仿真分析問題。因此，PAM-CEM/HF應用PO法(Physical Optics 物理光學法)、PTD法(Physical Theory of Diffraction物理幾何衍射法) 并結合EEC法(Equivalent Edge Current 等效邊緣電流法)對電大問題進行電磁仿真分析。可以適用于高頻雷達散射截面分析，大型物體如艦船上天線輻射特性分析等。

　　(3)完善的近場求解功能 (Near Radiated Fields with Re-flecting Obstacles)。

　　在PAM-CEMV2009.0 版本中，可以對仿真分析對象進行電磁場的近場輻射仿真分析，如在3D計算區域中的電磁場仿真分析。在PAM-CEMV2010.0 版本中，對于近場求解，增加了對于有障礙物存在的情況下近場電磁場的分布。

　　(4)PRE-CEM 前處理器。

　　PRE-CEM是PAM-CEM 的圖形前處理器，是交互的圖形軟件包，所有數據輸入都按本領域專業術語進行描述。通過PRE-CEM，可以輕松創建出用于計算的PAM-CEM 輸入文件。

　　PRE-CEM 模塊功能、特點包括：

　　◎支持多種高級CAD/CAE 模型，如Iges、Stl、Dxf、Gen3D Mesh 文件、Nastan Mesh 文件和Ideas Mesh 文件等;

　　◎幾何模型快速導入及其高級清除功能(重疊和自由圖元，如點、末端以及線或面);

　　◎網格參數定義及局部細化功能;

　　◎后處理輸出參數輸入功能(電磁場分布、切平面、結構體上的感應電流以及給定平面或整個空間的遠輻射場)。

　　(5)POST-CEM/PAM-VIEW 后處理器。

　　1)PAM-VIEW后處理器。PAM-VIEW是專門用于顯示PAM-CEM 計算結果的交互圖形式后處理器，并且可以幫助用戶輕松通過三維圖形、動畫和曲線，如幾何/邊界線、云圖以及等位線圖等表達 PAM-CEM結果。

　　PAM-VIEW支持后處理輸出文件及特點：

　　◎隨時間變化的曲線文件;

　　◎輻射電磁場文件(在給定平面或整個空間的輻射圖形);

　　◎表面結果文件;

　　◎通過ASCII 數據顯示 / 導出外部二維曲線及 POST-CEM

　　支持格式的文件;

　　◎同時利用多個幾何圖形對象輕松創建并合并構建復雜圖片;

　　◎利用鼠標進行圖形的轉變操作(旋轉、平移或縮放)。

　　圖1、圖2所示，為具體實例的電磁圖。

　　2)POST-CEM 后處理器。POST-CEM后處理器是利用OSF母題圖形用戶界面的交互圖形式后處理器。通過動態有限元模擬軟件，該模塊可生成有限元網格圖及隨時間變化曲線圖。圖3所示為RCS輻射方向圖。

　　POST-CEM后處理器特點：顯示靜止或動態圖形;提供與界面相聯系的命令語言，在批處理模式下運行POST-CEM。

　　(6)PAM-CEM/FD 求解器。

　　PAM-CEM/FD求解器主要用于處理電磁兼容和電磁干擾(EMI)問題(包括天線輻射的近場以及遠場輻射)的求解，利用SEMAIL網格剖分器自動產生的方塊(sugar-cube) 單元進行求解。基于時域求解全麥克斯韋爾方程，得到任意復雜金屬結構的電磁場輻射特性，完全符合實際情況。當面對EMC問題時，PAM-CEM/FD 能夠快速洞察電磁狀況。

　　PAM-CEM/FD 求解器主要特點是：

　　◎采用三維麥克斯韋爾方程直接求解任意復雜幾何結構;

　　◎完全的時域分析非常適合在寬頻段上進行電磁兼容分析;

　　◎與CRIPTE(線纜網絡分析軟件)完全耦合所需參數的求解;

　　◎線纜網絡上的電場切向量的求解(與CRIPTE 軟件耦合所需參數);

　　◎線纜結構中的感應電流的求解。

　　(7)SEMAIL 網格生成器。

　　SEMAIL是一個基于高級前沿技術的自動表面和體網格生成器。用于為PAM-CEM/FD求解器創建高質量網格。

　　SEMAIL 主要特點如下：

　　◎產生非結構表面三角形單元網格，線性四面體體網格。

　　◎單元尺寸和形狀可以是任意的，通過背景網格、點、線、面或直接和CAD數據相關的單元尺寸來指定;

　　◎縫隙網格生成有效性(無因電連接的面網格或體網格生成);

　　◎數據規范與標準校準功能;

　　◎輻射電磁場的近場計算功能。

　　實際應用如圖4~圖6所示。

　　(8)其他工具——CRIPTE。

　　CRIPTE是一個基于交互模式下的多導體傳輸線(MTL-Multiple Translation Lines)解決模塊，由于可以與PAM-CEM進行完全耦合從而得出完整的電磁環境，該軟件同時也是PAM-CEMV2009.0 電磁兼容解決方案軟件包的一個模塊。CTIPTE 軟件包括LAPLACE線纜導線參數計算模塊、CRIPTE 線纜網絡計算分析模塊、C3M耦合PAM-CEM參數分析模塊和RORQUAL特殊電源信號計算分析模塊等。

　　其特點是：

　　◎可以與PAM-CEM進行完全耦合，與3D模型進行整體仿真分析以得出精確結果;

　　◎線纜網絡的直觀定義;

　　◎提供導線的所有必要特征(導線絕緣參數、屏蔽線纜參數和子網絡對外等效S參數);

　　◎整套線纜信號完整性分析;

　　◎帶有專門用于線纜網絡的輸出和后處理功能，便于觀察結果。

　　具體應用如圖 7~ 圖10所示。

圖7圖8