PAM-CEM:三维电磁仿真方案

一、概述　　随着电子设备使用的增加，完全真实的电磁兼容(EMC) 测试只能在产品样机进行，EMC问题常常在产品开发的后续阶段才会出现，这也就预示着要进行昂贵和耗时的设计迭代。因此，在设计早期阶段掌握EMC兼容性变为一个关键的技术问题，数值EMC作为一个使电磁兼容更快更高效解决的途径而出现。　　ESI集团根据工业中从低频到中高频的实际电磁/电磁兼容问题，提出了完整的全频段的解决方案：PAM-CEM/Visual-CEM用于解决中高频EMC/EMI电磁兼容问题;CRIPTE用于解决线缆网络的电磁兼容问题;SYSMGNA 用于解决低频特性的电磁问题。而PAM-CEM与CRIPTE软件的完全耦合功能，更是对 于具有复杂线缆网络的设备提供了完整的电磁兼容解决方案。　　二、PAM-CEM 软件包　　随着工业部门的电子设备日益复杂，预测及控制电磁干扰现象的能力对保证系统操作的可靠性是必要的，尤其是关系到安全性和保密性的情况，而PAM-CEM解决方案就是能够解决实际EMC问题的关键手段。　　PAM-CEM解决方案由专门从事电磁场仿真计算达20年的专家团队开发，专门用于EMC的仿真测试。其开发目标是在设计的早期阶段选择更加真实的模型，进行电磁兼容(EMC)模拟仿真，从而预测系统或设备可能的机能问题，并立即仿真结果采取措施。　　PAM-CEM电磁兼容解决方案可以解决的问题包括：电磁辐射(EMR)和电磁干扰(EMI)问题(近场);天线、雷达对仿真分析对象的辐射模式问题(远场);机载/车载设备对外来入侵电磁干扰的抗干扰度问题;大型装备系统对外界环境(电磁污染)的电磁辐射(EMR)等问题;由内部布线引起的电磁干扰(EMI)、扰动电磁敏感性(EMS)、线缆屏蔽效果等问题;具有复杂线缆网络设备下3D模型与线缆网络耦合电磁仿真分析的电磁辐射与电磁敏感问题。该解决方案软件已广泛用于交通运输工业(汽车和火车)、航空航天、通信和电子等领域。　　PAM-CEM 电磁仿真软件包功能特点，包括：　　◎对于复杂几何形状的电磁场辐射及天线、线缆网络及电子设备的电磁辐射等电磁场问题，基于麦克斯韦方程组的直接建模，可以解决复杂几何形状物体、有线天线、线缆网络和电子设备等电磁场辐射及电磁干扰问题; 　　◎CAD几何模型的直接导入进行网格剖分，或对已存在的网格进行细化功能; 　　◎充分明确的仿真时间管理程序使电磁环境的完整仿真更有效，包括感应电流、感应电压的计算，电磁场的近场或远场计算，电磁辐射场的仿真分析等; 　　◎先进的后处理器功能可以帮助用户更好理解电磁现象; 　　◎PAM-CEM可以与其他软件如CRIPTE 进行完全耦合，从而进行完整的电磁仿真分析; 　　◎可以对物体进行EMS电磁敏感度(基于外界电磁干扰)分析和EMR电磁辐射分析(包括内部电磁干扰对外部环境的影响及不同电子设备之间的互相电磁干扰)。三、CEM 模块介绍 　　1.PAM-CEM 简介　　PAM-CEM是综合的电磁兼容模拟软件，可以对复杂的电磁环境进行精确、完整、快速的仿真分析。该软件通过虚拟测试、工业测试、用户测试验证了其有效性。　　PAM-CEM V2010.0软件包包含下列模块：用户环境(PRE-CEM前处理器、POST-CEM/PAM-VIEW后处理器和PAM-CEM/HF 高频仿真器);有限元求解器(PAM-CEM/FD 求解器、SEMAIL 网格生成器和CEM3D求解器);线缆网络求解器(LAPLACE 线缆导线参数计算模块、CRIPTE 线缆网络计算分析模块、C3M 耦合PAM-CEM参数分析模块以及RORQUAL 特殊电源信号计算分析模块)。　　2.PAM-CEM V2010.0 新功能/ 增强功能　　在2010年即将发布的PAM-CEM V2010.0版本中，针对工业用户中新出现的突出且广泛的电磁兼容问题，将电阻材料属性的薄层求解、高频电大问题的求解、完善的近场求解等功能添加进PAM-CEM V2010.0 版本。　　(1)电阻材料属性的薄层求解功能 (Resistive Coatings)。　　在实际的电磁兼容问题中，电阻材料薄层的厚度往往只有几毫米甚至更薄，如果对薄层进行直接3D建模就需减小网格单元的大小;而为了得到真实精确的仿真结果，薄层中的网格数需要至少3~4层，因此，进行直接3D 建模分析求解并不现实。　　PAM-CEM 为了更好地仿真求解薄层问题，添加了Resis-tive Coatings功能，可以对于具有薄层的物体进行更精确的电磁仿真分析。例如，汽车前端的薄层喷涂对于防碰撞雷达的影响、飞行器上的复合材料通过铝层铺设后对于飞行器电磁场分布的改变等。　　(2)高频电大问题求解功能(PAM-CEM/HF)。在高频电磁场及超高频电磁场仿真分析中，由于频率过高导致网格数相应增多，在一些条件下并不能解决EM的仿真分析问题。因此，PAM-CEM/HF应用PO法(Physical Optics 物理光学法)、PTD法(Physical Theory of Diffraction物理几何衍射法) 并结合EEC法(Equivalent Edge Current 等效边缘电流法)对电大问题进行电磁仿真分析。可以适用于高频雷达散射截面分析，大型物体如舰船上天线辐射特性分析等。　　(3)完善的近场求解功能 (Near Radiated Fields with Re-flecting Obstacles)。　　在PAM-CEMV2009.0 版本中，可以对仿真分析对象进行电磁场的近场辐射仿真分析，如在3D计算区域中的电磁场仿真分析。在PAM-CEMV2010.0 版本中，对于近场求解，增加了对于有障碍物存在的情况下近场电磁场的分布。　　(4)PRE-CEM 前处理器。　　PRE-CEM是PAM-CEM 的图形前处理器，是交互的图形软件包，所有数据输入都按本领域专业术语进行描述。通过PRE-CEM，可以轻松创建出用于计算的PAM-CEM 输入文件。　　PRE-CEM 模块功能、特点包括：　　◎支持多种高级CAD/CAE 模型，如Iges、Stl、Dxf、Gen3D Mesh 文件、Nastan Mesh 文件和Ideas Mesh 文件等; 　　◎几何模型快速导入及其高级清除功能(重叠和自由图元，如点、末端以及线或面); 　　◎网格参数定义及局部细化功能; 　　◎后处理输出参数输入功能(电磁场分布、切平面、结构体上的感应电流以及给定平面或整个空间的远辐射场)。　　(5)POST-CEM/PAM-VIEW 后处理器。　　1)PAM-VIEW后处理器。PAM-VIEW是专门用于显示PAM-CEM 计算结果的交互图形式后处理器，并且可以帮助用户轻松通过三维图形、动画和曲线，如几何/边界线、云图以及等位线图等表达 PAM-CEM结果。　　PAM-VIEW支持后处理输出文件及特点：　　◎随时间变化的曲线文件; 　　◎辐射电磁场文件(在给定平面或整个空间的辐射图形); 　　◎表面结果文件; 　　◎通过ASCII 数据显示 / 导出外部 二维曲线及 POST-CEM 　　支持格式的文件; 　　◎同时利用多个几何图形对象轻松创建并合并构建复杂图片; 　　◎利用鼠标进行图形的转变操作(旋转、平移或缩放)。　　图1、图2所示，为具体实例的电磁图。　　 　　 　　2)POST-CEM 后处理器。POST-CEM后处理器是利用OSF母题图形用户界面的交互图形式后处理器。通过动态有限元模拟软件，该模块可生成有限元网格图及随时间变化曲线图。图3所示为RCS辐射方向图。　　 　　POST-CEM后处理器特点：显示静止或动态图形;提供与界面相联系的命令语言，在批处理模式下运行POST-CEM。　　(6)PAM-CEM/FD 求解器。　　PAM-CEM/FD求解器主要用于处理电磁兼容和电磁干扰(EMI)问题(包括天线辐射的近场以及远 场辐射)的求解，利用SEMAIL网格剖分器自动产生的方块(sugar-cube) 单元进行求解。基于时域求解全麦克斯韦尔方程，得到任意复杂金属结构的电磁场辐射特性，完全符合实际情况。当面对EMC问题时，PAM-CEM/FD 能够快速洞察电磁状况。PAM-CEM/FD 求解器主要特点是： 　　◎采用三维麦克斯韦尔方程直接求解任意复杂几何结构; 　　◎完全的时域分析非常适合在宽频段上进行电磁兼容分析; 　　◎与CRIPTE(线缆网络分析软件)完全耦合所需参数的求解; 　　◎线缆网络上的电场切向量的求解(与CRIPTE 软件耦合所需参数); 　　◎线缆结构中的感应电流的求解。　　(7)SEMAIL 网格生成器。　　SEMAIL是一个基于高级前沿技术的自动表面和体网格生成器。用于为PAM-CEM/FD求解器创建高质量网格。　　SEMAIL 主要特点如下：　　◎产生非结构表面三角形单元网格，线性四面体体网格。　　◎单元尺寸和形状可以是任意的，通过背景网格、点、线、面或直接和CAD数据相关的单元尺寸来指定; 　　◎缝隙网格生成有效性(无因电连接的面网格或体网格生成); 　　◎数据规范与标准校准功能; 　　◎辐射电磁场的近场计算功能。　　实际应用如图4~图6所示。　　 　　 　　 　　(8)其他工具——CRIPTE。　　CRIPTE是一个基于交互模式下的多导体传输线(MTL-Multiple Translation Lines)解决模块，由于可以与PAM-CEM进行完全耦合从而得出完整的电磁环境，该软件同时也是PAM-CEMV2009.0 电磁兼容解决方案软件包的一个模块。CTIPTE 软件包括LAPLACE线缆导线参数计算模块、CRIPTE 线缆网络计算分析模块、C3M耦合PAM-CEM参数分析模块和RORQUAL特殊电源信号计算分析模块等。其特点是： 　　◎可以与PAM-CEM进行完全耦合，与3D模型进行整体仿真分析以得出精确结果; 　　◎线缆网络的直观定义; 　　◎提供导线的所有必要特征(导线绝缘参数、屏蔽线缆参数和子网络对外等效S参数); 　　◎整套线缆信号完整性分析; 　　◎带有专门用于线缆网络的输出和后处理功能，便于观察结果。　　具体应用如图 7~ 图10所示。　　 　　 　　 　　 　　四、软硬件平台支持　　PAM-CEMV2010.0电磁兼容解决方案软件包包括几种电磁求解产品，PAM-CEM/FD求解时域电磁问题;CRIPTE求解线缆网络的传导现象;PAM-CEM/HF求解高频电大问题。由于这些模块不仅可以进行独立求解应用，还可以进行完全耦合应用，下表为PAM-CEM的模块所适用的操作平台。　　硬件支持：512MB RAM(推荐使用1GB以上);桌面分辨率至少设置为1280×1024;安装目录下至少480MB空闲空间;3键鼠标(中键用来进行 选择旋转、确定等操作)。