ANSYS在航空航天器電磁兼容電磁干擾分析中的應用
20 世紀以來,由于電子電氣無線通信雷達探測等技術的發展及其在航空航天領域應用的日益拓展,與此相關的電磁兼容EMC及電磁干擾EMI等問題也日益受到重視。電磁兼容學科因而發展起來電磁兼容的目的在于降低和消除人為和自然的電磁干擾減少它的危害提高設備和系統的抗電磁干擾能力,實現設備和系統的電磁兼容較大限度地發揮設備和系統的效能。由于航空航天領域的特殊性如高度集成性高度精確性高度復雜性和極其惡劣的工作環境等,因此,電磁兼容在航空航天領域尤為重要,其應用包括在研制階段進行整顆衛星的電磁兼容分析測試衛星或飛機處于復雜電磁環境下進行電磁干擾分析航空航天電子儀器設備間的電磁兼容分析等許多方面。
電磁兼容(EMC)/電磁干擾EMI概念涵蓋范圍很廣,在航空航天領域由于載體所工作電磁環境的特殊性電磁兼容設計具有鮮明的個性其重要性也尤為突出如干擾源種類更復雜數量更多干擾影響程度及后果更為嚴重等。
通常電子系統滿足以下三個條件則認為是電磁兼容的:
1.不產生對其它系統的電磁干擾
2.不易被其它系統產生的電磁輻射所干擾
3.系統本身不存在相互間的電磁干擾串擾-信號完整性
電磁兼容的基本模式為干擾源傳輸途徑接收機 ,ANSYS 在航空航天電子系統設計優化中用于分析解決由于電子產品小型化集成化而導致的各種電磁信號干擾問題。
對于系統電磁兼容問題的分析可以分為三個要素即干擾源接收機和傳輸途徑在上述復雜電磁環,境下要保持系統的正常工作將是非常艱巨的任務下面從設計的角度討論EMC/EMI 需要解決的主要問題。
干擾源分為人工干擾源與自然干擾源任意電子系統都既是干擾源又是接收機電磁干擾傳輸途徑,有傳導感應輻射一般電磁兼容測試中傳導干擾從很低頻一直到100兆主要測試干擾電壓和干擾,電流輻射干擾從表面10KHz40GHz分段測試磁場強度 。
航空航天電子系統干擾源主要包括:
1.系統功能決定航空航天設備中電子設備種類復雜數量多相互干擾嚴重;
2.來自太陽系銀河系的自然界無線電噪聲其中前者頻率分布在整個無線電頻段后者頻率在20-500MHz 范圍內 ;
3.雷電干擾雷電現象發生在離地球表面1525 公里處其頻率在1KHz5MHz電位梯度高達1000KV/m主放電電流可高達30KA干擾破壞力極強;
4.火箭飛行過程中的靜電充電和靜電放電這種靜電充電現象起因于箭體與大氣層中質點間的摩擦,火箭發動機發動時形成的電子漫射熱電子放射光電子放射而導致火箭上充電對近地軌道航天器和同步軌道航天器由于表面受到紫外線和光照射以及受到高能電子和質子撞擊可以使航天器充電到1020KV這些充電體可以通過電暈電弧或表面電流放電產生尖脈沖電流射頻電場高達1KV/m 或更高。
射頻干擾頻譜很寬
空間可能釋放的電磁脈沖及核爆炸產生的高壓電磁脈沖EMP以及專門設計的高功率微波武器(HPM)均具有頻譜很寬脈沖電場很高的干擾信號,接收機分析在航空航天系統中各種電子系統都容易受干擾影響電磁兼容設計的一個關鍵問題,就是使得接收機接收的干擾信號強度滿足接收機的敏感門限值約束傳輸路徑分析。
對于電磁系統各種源一般是通過空間傳導或接收天線進入接收機有傳導輻射感應三種傳輸方式 :
1.傳導
是指干擾源信號通過連接電路電源電纜等進入接收機實現這種傳輸有三種耦合通路公共電源
公共地回路和信號線同時這種耦合還可以通過公共電源的電源阻抗實現耦合或者通過公共地阻抗實
現其耦合
2.輻射
是指通過空間電磁場的耦合按干擾源與敏感器件的距離相對干擾信號波長和物體外形尺寸的關系可以分為近場耦合和遠場耦合耦合場包括 基準頻率源高次諧波向空間泄漏場;功率放大器向空間泄漏場;天線陣面后向輻射場;外空間干擾源耦合進系統中的同頻干擾場。
空間/傳導混合耦合
指干擾信號先傳導再輻射而后被接收機接收或先輻射再由連接電纜傳送到敏感器其中比較典型的
方式包括:
各種空間干擾通過接地線送至接收機;各種空間干擾場被接收機輸入電纜接收;各種空間干擾通過電源傳輸線送入接收機。
對于航空航天領域設計階段實現電磁兼容目前采用試驗數值仿真兩種措施或兩者結合使用,由于高頻試驗受環境影響巨大甚至很多情況下不具備試驗的條件。因此早期單純采用試驗的手段往往出現周期長代價高測試不準確等問題隨著計算機技術及數值算法技術的的飛速發展數值仿真與實驗方法,結合可以大大縮短產品開發周期降低產品成本提高產品合格率因此數值仿真技術已得到越來越多企業設計人員的重視和應用,航天部第八研究院使ANSYS 軟件對其設計的微帶天線進行計算 得到了天線的方向圖及掃頻下饋線。對所有電磁兼容問題其數值仿真的核心是準確模擬物理電磁環境包括準確提取干擾源傳輸途徑和接收機的數學模型得出準確的電磁場分布信息在這方面有限元算法以其靈活的場域適應特征已成為主流算法。
ANSYS 提供了強大的電磁分析功能能進行二維平面軸對稱和三維靜態電磁場分析二維平面軸對稱和三維隨時間變化的低頻電磁場分析,三維高頻電磁場分析ANSYS 還能進行二維或三維電場分析包括電流傳導靜電分析和電路分析。在電氣設備電子儀器和用電裝置中總是把內部連接導線捆扎成一捆捆電纜這樣既整齊美觀又堅固便于固定,還有利于維修檢查但是這樣卻使電纜內部存在著不同程度的導線之間的耦合感應作用。嚴重的會使設備遭受干擾而導致性能降級或功能不正常。電纜中導線之間的耦合干擾是電氣工程中較常見的干擾耦合模式之一對于衛星飛船導彈飛機航空發動機等航空航天飛行器的電氣設備中存在大量的電纜對其進行電場耦合分析是十分必要的,ANSYS 提供了強大的電場分析功能能協助設計師保證設備的正常工作 。
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