計算電磁學在電磁兼容仿真中的應用

摘要：由于航空飛行器上用電設備電磁兼容問題頻發(fā)及其復雜性，用電設備的電磁兼容設計就顯得尤為重要。為此，提出了利用計算電磁學理論對用電設備的電磁兼容性進行分析，針對系統(tǒng)中不同電磁兼容問題以及不同數(shù)值計算方法的自身特點，選擇適用的數(shù)值方法對問題進行仿真計算。最終實現(xiàn)在產(chǎn)品的設計初期，就能夠?qū)ζ潆姶偶嫒菪赃M行預測和評估，滿足其電磁兼容性的要求。因此，采用計算電磁學進行仿真分析可為解決用電設備電磁兼容問題提供有效的手段和途徑。
關(guān)鍵詞：航空飛行器；計算電磁學；電磁兼容；數(shù)值方法

0 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣設備越來越廣泛地應用于航空飛行器上，惡劣的電磁環(huán)境往往使電子或電氣設備不能正常工作，導致航空通信、控制系統(tǒng)性能的降低。因此，電磁兼容性就成為工程設計中的一個重要課題。只有在整個系統(tǒng)的初期設計時，對系統(tǒng)的電磁兼容性進行預測，對不滿足電磁兼容要求的部分進行優(yōu)化處理，才能最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高可靠性。
近年來，計算電磁學發(fā)展迅速，理論日趨成熟和完善，并廣泛應用在電磁兼容領(lǐng)域。利用計算電磁學理論解決工程中電磁兼容問題，不僅提高了計算的準確性，而且降低了成本，為在研發(fā)初期掌握產(chǎn)品可能出現(xiàn)的電磁兼容問題提供了有效的手段和途徑。因此，仿真計算對于那些利用實驗和測試方法難以解決的電磁兼容問題是一種很好的解決方法。
本文介紹了幾種常用的數(shù)值算法，并對各種算法進行了分析。針對航空用電設備常見的電磁兼容問題，利用計算電磁學理論進行分析和數(shù)值仿真，實現(xiàn)了對用電設備電磁兼容性有效的預測，為系統(tǒng)的初期電磁兼容性設計提供了理論依據(jù)。

1 電磁場數(shù)值方法的介紹和比較
計算電磁學是現(xiàn)代電磁場理論、現(xiàn)代數(shù)學方法和現(xiàn)代計算機技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興交叉學科。其主要任務是通過大型計算解決各相關(guān)領(lǐng)域中提出的各種極復雜的電磁場問題。
當前電磁學中使用較多的數(shù)值方法主要有兩類，一類是以電磁場問題的微分方程為基礎的數(shù)值方法，如有限元法(FEM)、時域有限差分法(FDTD)等；另一類是以電磁場問題的積分方程為基礎的數(shù)值方法，如矩量法(MOM)、多層快速多極子法(MLFMM)等。
1．1 有限元法
有限元方法是近似求解數(shù)理邊值問題的一種數(shù)值技術(shù)，最早于20世紀40年代提出，在六七十年代被引進到電磁場問題的求解中。該方法的原理是用許多子域來代表整個連續(xù)區(qū)域，在子域中未知函數(shù)用帶有未知系數(shù)的簡單插值函數(shù)來表示，利用里茲變分法或伽略金方法得到一組代數(shù)方程，最后通過求解這組方程得到原邊值問題的近似解。原邊值問題可表示為：

有限元法可以方便地分析具有復雜幾何結(jié)構(gòu)和非均勻介質(zhì)材料的電磁問題，因此，這種方法在各種復雜的靜態(tài)場問題、導波問題、電磁輻射和散射問題中得到了廣泛的應用。