PAM-CEM:三維電磁仿真方案

一、概述

　　隨著電子設(shè)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(yù)示著要進行昂貴和耗時的設(shè)計迭代。因此，在設(shè)計早期階段掌握EMC兼容性變?yōu)橐粋€關(guān)鍵的技術(shù)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(luò)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(fù)雜線纜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shè)備日益復(fù)雜，預(yù)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(guān)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(guān)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(shè)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(yù)測系統(tǒng)或設(shè)備可能的機能問題，并立即仿真結(jié)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(shè)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(nèi)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(fù)雜線纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下3D模型與線纜網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域。

　　PAM-CEM 電磁仿真軟件包功能特點，包括：

　　◎?qū)τ趶?fù)雜幾何形狀的電磁場輻射及天線、線纜網(wǎng)絡(luò)及電子設(shè)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(fù)雜幾何形狀物體、有線天線、線纜網(wǎng)絡(luò)和電子設(shè)備等電磁場輻射及電磁干擾問題;

　　◎CAD幾何模型的直接導(dǎo)入進行網(wǎng)格剖分，或?qū)σ汛嬖诘木W(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(yīng)電流、感應(yīng)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(nèi)部電磁干擾對外部環(huán)境的影響及不同電子設(shè)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(fù)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(luò)求解器(LAPLACE 線纜導(dǎo)線參數(shù)計算模塊、CRIPTE 線纜網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(fù)合材料通過鋁層鋪設(shè)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(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)相應(yīng)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(yīng)用PO法(Physical Optics 物理光學(xué)法)、PTD法(Physical Theory of Diffraction物理幾何衍射法) 并結(jié)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(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)體上的感應(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)果文件;

　　◎通過ASCII 數(shù)據(jù)顯示 / 導(dǎo)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(gòu)建復(fù)雜圖片;

　　◎利用鼠標進行圖形的轉(zhuǎn)變操作(旋轉(zhuǎn)、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?；跁r域求解全麥克斯韋爾方程，得到任意復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)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。