PAM-CEM:三維電磁仿真方案

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(chǎn)品樣機進行，EMC問題常常在產(chǎn)品開發(fā)的后續(xù)階段才會出現(xiàn)，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?yōu)橐粋€關鍵的技術問題，數(shù)值EMC作為一個使電磁兼容更快更高效解決的途徑而出現(xiàn)。

　　ESI集團根據(jù)工業(yè)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(wǎng)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(wǎng)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(yè)部門的電子設備日益復雜，預測及控制電磁干擾現(xiàn)象的能力對保證系統(tǒng)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(fā)，專門用于EMC的仿真測試。其開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)對外界環(huán)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(wǎng)絡設備下3D模型與線纜網(wǎng)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(yè)(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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格剖分，或對已存在的網(wǎng)格進行細化功能;

　　◎充分明確的仿真時間管理程序使電磁環(huán)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(xiàn)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(huán)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(huán)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(yè)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(huán)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(wǎng)格生成器和CEM3D求解器);線纜網(wǎng)絡求解器(LAPLACE 線纜導線參數(shù)計算模塊、CRIPTE 線纜網(wǎng)絡計算分析模塊、C3M 耦合PAM-CEM參數(shù)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(fā)布的PAM-CEM V2010.0版本中，針對工業(yè)用戶中新出現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)格數(shù)需要至少3~4層，因此，進行直接3D 建模分析求解并不現(xiàn)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(wǎng)格數(shù)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?？梢赃m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(qū)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(shù)據(jù)輸入都按本領域專業(yè)術語進行描述。通過PRE-CEM，可以輕松創(chuàng)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(wǎng)格參數(shù)定義及局部細化功能;

　　◎后處理輸出參數(shù)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(shù)據(jù)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(chuàng)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(tài)有限元模擬軟件，該模塊可生成有限元網(wǎng)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(tài)圖形;提供與界面相聯(lián)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(wǎng)格剖分器自動產(chǎn)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。