无人机电磁仿真系统设计方案

无人机电磁仿真系统设计方案

1.无人机的现状与未来发展

无人机（UAV）先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控

无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战

飞机系统（UAS）。UAS的主要功能包括：

1、信息获取；

2、攻击及支援;

3、夺取战场电磁权；

4、提供预警及通信中继能力；

5、目标指引；

6、战场输送。

为顺应作战运用的变化，美军在《空军2025》报告中提出今后几十年无人

机的关键需求，明确了多任务平台为战略、战术无人机的下一个发展方向。在

综合集成方面，无人机本身就是飞行器、各类传感器、武器、发射与回收装

置、通信系统、指控系统的融合体。除在目前的已知应用领域，无人机的任务

设置还将深入进攻、生化探测、反地雷、战区导弹防御、电子战和信息战等各

个领域。

“全球鹰”无人侦察机由美国诺斯罗普•格鲁门公司制造，是一种高空长

航时无人侦察机，续航时间大于42小时，可以提供高质量的实时图像，对大面

积区域进行监视。该机实用升限20500米，活动半径5560千米，是目前世界上无

人机中最大的一种，装一台涡扇发动机。主要设备有：对地搜索雷达、光电探

测系统、红外探测系统、威胁报警系统和雷达干扰箔条投放系统。“全球鹰”

可通过卫星数据链把侦察到的图像信息实时传输给地面站，该机能在20000米的

高度准确识别停放在地面上的各种飞机、导弹和车辆的类型。美国洛克希

德•马丁公司研制的X-47海军型无人战斗机，在携带900千克载荷执行攻击任务

时，作战半径可达2400千米以上，飞行高度12200米，自部署距离为6435-8045

千米。机上装有探测/地面运动目标指示雷达，探测距离可达96千米。波音公

司为美国空军研制的X-45无人战斗机，武器系统采用挂设计，机身中线两侧各

有一个武器舱，能够根据作战需要携带JDAM和小型精密制导炸弹等。

图1-1.全球鹰无人机

下一代无人机的发展趋势是：多用途；模块化；全隐身；自主式；高空长

航时。关键技术包括：光技术、全频谱高分辨率传感器技术、片级集成技术、

智能蒙皮技术等。

其中全频谱高分辨率传感器技术是指未来无人机系统必须具备很强的目标

探测能力，这就对雷达、集成红外（IR）焦平面阵列、紫外（UV）焦平面阵

列、低温惯导、激光雷达和微波探测仪等的传感器在分辨率、精度、覆盖围和

实时性等方面提出了更高的要求。片级集成是一项新兴技术，它可以将信号产

生、信号控制、信息处理、化学和物理敏感元件、液压和机械传动机构以及辐

射的产生和探测等集成在一片3/8in薄片上。单片集成技术可以极大提高各种传

感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和费用。集成的模拟、数字、声、

磁、电磁、光电和机械电路系统将在未来的无人机系统中得到广泛应用。在传

统的设计概念中，飞机蒙皮是一种满足气动外形、强度和刚度要求的构造结

构，当需要在飞行器上安装天线和传感器时，就在飞机蒙皮上凿孔，这种安装

方法会带来不必要的结构、气动力、温度和费用损失问题。负载和飞机机体低

水平集成的结果是机体更大、空中待命时间更短（由于更大的阻力导致飞行效

率降低）、生存力降低。比如在现有飞机上，前视红外和微光电视旋转平台、

天线，甚至控制面的凸出物，不仅增加了飞机的气动阻力，而且增强了飞机的

信号特征，从而使敌方传感器很容易探测到无人机。智能蒙皮技术是指，在飞

机设计和制造期间就将天线、传感器、发射机、接收机、信号和信息处理机、

射频电缆、电力电缆、电控制电缆和温控设备嵌入飞机蒙皮。此时，某些结构

表面对各种射频信号来说应该是透明的，或者具有可控属性以方便信号发射和

接收。各种有源和无源传感器不一定只给单一的通信、电子战、雷达、敌我识

别或导航系统提供信号，天线和传感器分布可能覆盖了75%的飞机蒙皮，可以提

供从几兆赫到光频围（光波覆盖的频谱围，包括红外、可见光、紫外等，通常

可达到吉赫，太赫）的孔径。

1.1工程仿真的重要角色

航空航天和国防工业的应用之复杂，即便是实现精确仿真这类最基础需求也

需要高质量的物理域仿真及系统建模和仿真能力，并辅助以高性能计算和自动优

化设计能力。天线共址时的电磁干扰评估、带复杂材料涂覆的飞机的RCS计算、

功率和热管理、或关键任务系统中的嵌入式验证软件、以及如影随形的电磁、热

和流体间相互作用等，ANSYS公司的研发愿景同航空航天和国防工业的需求始终

保持着高度的一致。这也是该行业的客户对ANSYS的仿真技术信任长达40多年

的根本原因。

然而，想要在未来依然保持竞争力，单靠将这些各领域的仿真技术做精做深

是不够的，还需要一系列关键的建模、仿真、设计和知识管理能力，从而真正做

到改进整个产品开发流程。

1.2电磁、结构、流体的多物理场仿真

ANSYS向客户提供基于统一平台、同一个参数化整机模型的电磁、结构、流

体、乃至嵌入式系统的多个物理域仿真能力，能够兼顾系统在外形、电磁、热、

结构等多方面的需求，方便的在多个物理场仿真之间进行协同验证和设计迭代。

将多物理相互制约因素纳入数字化样机研发的考虑畴，使得数字化样机更加逼真。

完备、全面、精确地仿真真实的物理世界。ANSYS在物理域仿真方面提供的主要

能力如下：

•电磁、结构、流体多个物理域及其耦合仿真;

•电路/电磁场双向耦合仿真;

•高性能计算;

•多学科优化;

图1-2Workbench平台下的多物理场仿真机

现今，在许多科研单位，建模和仿真数据的在工程师之间传递经常是封闭且

效率很低的，这也经常成为误差和不确定性的源头，因为在不同软件工具之间传

递模型经常导致数据丢失。例如，星载天线在环境温度及大发射功率导致的电损

耗热源的混合作用下产生的温度场导致形变，从而影响天线的电性能。由于这种

形变通常非常微小且不规则，和在结构和电磁仿真工具之间传递模型产生的误差

几乎在同一量级，采用传统的仿真方法无法精确的对这个问题进行预估。

ANSYS提供的多物理场仿真解决方案从这类特殊的多物理场耦合的问题入手,

对唯一的数学模型采用不同物理域的仿真技术进行仿真，形变后的网格可在不同

仿真器之间自动交互，全面解决了计算精度和效率的问题，进而延伸成为涉及多

个物理场仿真的工程问题的行业标准解决方案。

图1-3通过电磁场仿真得到的天线电损耗分布

图1-4温升导致的应力场分布

Gainphi=OdegHFSSDesign_03_smaller4

图1-5形变前后的天线电性能（远场方向图）变化

综上所述，无人机的电子系统涉及很宽的频段，为了避免各分系统之间的干

扰以及与结构、动力系统之间的干涉，必须在设计之初进行系统性的规划，系统

仿真在规划中的地位显而易见。

电磁仿真软件应用于工程设计可分为三个层次：一是部件级的仿真，如单片

集成电路、单天线、阵列天线、滤波器、功分器等；二是系统级的仿真，如天线

与馈电网络、天线罩、收发链路设计等；三是布局仿真，如机载天线系统、平台

电磁兼容设计等。如果说之前由于计算机硬件资源的限制，大部分应用还停留在

第一个层次的仿真，那么随着超级计算机和集群机的普及，随着快速算法日益成

熟，第二、第三个层次的仿真越来越受到重视。

在无人机的设计中，这三个层次的任务都存在。对于片上集成电路系统，涉

及到信号完整性、电源完整性、数模混合电路和电磁兼容/电磁干扰问题，基于

传统“路”的概念的方法已经不能适应技术的需要。结构的电磁特性需要利用电

磁场仿真工具进行电磁场计算，而参与辐射的信号能量大小则需要通过电路仿真

计算。同样的结构，在不同的频率上，输入不同的信号，具有不同EMI特性；另

外，同样幅度的干扰信号，用于不同的结构上，对不同的器件，会产生不同的EMC

结果；同时，对于我们目前的系统来说，还要进行电路的时域和频域仿真，研究

辐射干扰的幅度和传导干扰的幅度，用于进一步改进设计，验证EMC设计措施的

有效性，因此，对于EMI/EMC设计来说，电路和电磁场仿真都是必须的。

图-6.板载模块模型

图1-7.单片级仿真

对于系统级的仿真，同样需要电磁场、电路仿真协同，如图「4所示，阵列

天线、馈电网络与有源器件协同仿真，可以充分考虑各种因素对天线方向特性的

影响，极大缩短项目设计周期，提高研发效率。

Antenna

RFFeedI

图「8.系统级仿真

考虑板载影响前后的天线方向特性如图4-5所示。

AntennaAloneAntennawithBoard

图「9.加载板载天线系统前后结果对比

1.2.机载雷达同无人机的一体化设计仿真

雷达已经成为武器装备系统的核心。随着新军事技术变革的发展，武器装备

已经完成了从机械化向信息化的跨越，目前正在向智能化的方向推进。雷达在当

前和下一个阶段的主要发展方向是功能性增强，这个功能包括探测与隐身两方面

容：1）探测功能增强是指探测距离增加、识别概率增高、低空探测能力提高。

这就要求雷达方向特性具有更低的副瓣、更高的增益、更宽的工作带宽、更低的

扫描跟踪角度。2）隐身功能增强是指要在复杂的战场电磁环境中更好地隐蔽自

身，这包括要能够做到抗干扰、抗ARM低截获概率（LPI）以及更小的雷达散射

截面（RCS）。综合而言，现代雷达需要在时域、空域、谱域进行参数设计，达到

探测与隐身的目的。

由于无人机执行任务的特殊性，特别是智能蒙皮技术的发展，机载雷达往往

需要与机体进行一体化设计，这就是说，必须在雷达样机设计时考虑其他电子系

统以及平台对机载雷达的影响。

利用HFSS,可以实现有限大阵列的快速仿真分析、反射面天线的混合求解

计算、近远场数据导入、阵列天线杂散电平分析、大规模阵列天线的并行计

算、天线罩与天线的协同仿真等，其中平台对天线方向特性的影响如图4-5所

示

图「6.无人机平台对机载雷达天线性能的影响

综合而言，随着大规模并行计算技术的发展，无人机电子系统的整体设

计已是大势所趋，尤其是智能蒙皮设计，需要部件级、系统级和平台级的协同仿

真，节省资源、提高效率，实现设计水平的关键性突破。

2.1整机电磁兼容设计

系统级EMC设计的目标是整个装备上各分系统电子设备间能够互相兼容正

常工作，提高整系统的抗电磁干扰能力，设计者关注的是以GJB1389A为基础的

系统级电磁兼容性要求,如CE102、CS10KCS106、CS114.CS115,CS116.

RE102、RS103等。

整机电磁兼容设计任务

EME效应

屏蔽接地

本系统产

屏蔽效能、接地方案

G殳备辐射等环境电平仿

扮真孔腔谐振宿真

真，抗EME分

等仿真析等

图2-1整机电磁兼容设计

2.2整机天线布局设计

从电磁干扰源、干扰途径和电磁干扰接受者这电磁兼容三要素的角度分析,

天线作为飞机上最直接的射频能量发射和接收装置，是电磁干扰和受扰的最直接

载体；机身、机舱及若干关键电缆为有害电磁能量提供了干扰途径。因此合理有

效地完成天线布局设计是整个平台系统设计成功与否的最重要的环节之一。

2.2.1整机天线布局仿真需求

整机天线布局设计主要针对飞机上天线的不同放置位置，多幅天线的相互

影响以及飞机平台对于天线的性能影响等方面进行分析，以及对多种可能工况

进行参数扫描，实现天线布局的最优化，得到最合理的天线布局设计。

2.2.2ANSYS针对整机天线布局的功能特点

HFSS天线库置多种天线类型，可满足天线设计及总体部门的快速天线建模

需求，HFSS软件拥有业界最先进的有限元求解器，其HFSS-HPC模块具备超线

性加速比的DDM技术，结合HFSS-IE模块，实现强大的混合算法FEBI,该方法

是求解天线布局这类电大尺寸问题的最佳方法，可达到最佳效费比。

Optimetrics模块可实现天线布局的参数扫描和设计优化，方便得到最佳设

计。AnsoftLinks模块可导入外部CAD数据模型，省却大型复杂模型的建模工

作量。

1）完备的天线模型库，置多种常用天线类型，可直接生成参数化的三维仿

真模型，并可管理自定义的天线类型。

2）对任意三维结构的全波频域有限元、积分方程法求解器，以及最先进的

FEBI求解技术结合HPC技术，全面考虑飞行器及其装载设备对系统各天

线的影响，如方向图的畸变以及各天线间的耦合效应。

3）多端口技术及独立的后处理技术可同时求解包含十几付甚至几十付天线

的布局问题。

4）在天线系统预布局时即可通过对虚拟原型仿真得到整个运载平台和天线

系统的综合电磁特性，得到天线工作时飞机周围及机舱的电磁场环境分

布，实现快速、精确的天线布局设计预测。

2.2.3整机天线布局仿真实例

一个飞行器上通常会包含十几乃至数十副天线，在整机天线布局验证阶段需

要对这几十副天线同时进行仿真，得到天线隔离度。HFSS可在一次仿真中同时

求解多部天线的互耦，因此在天线布局的仿真和设计效率上有巨大的优势。

C2BLoS

(Ku-Band)ATCGround

(118-137MHz)

图2-2军用无人机天线装配示意图

色标图显示的多部天线之间的耦合度矩阵。通过颜色直观地显示天线之间

的互耦强度，蓝色区域表示互耦小于一60dB,橘红色区域的互耦在一16dB左

右。

h1SE

。一-W

一♦

P2PdB

RdSP

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M*比w

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VHFRj(ko2

VHFRadio1

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Radio内Mning

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GPS

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RadarA*Rx

<=-6OdBCoupling

RL=ReturnLoss

图2-3天线之间耦合度色标图

图2-4无人机天线同时工作时天线辐射场图

HFSS-IE采用积分方程法，支持无限平面边界条件，其典型应用在于研究飞

行器近地效应。

图2-5倾斜旋翼机降落过程中VHF机载天线的方向图变化

2.3系统级射频干扰仿真平台EMIT

ANSYS公司多系统共址条件下的电磁兼容预估仿真分析软件EMIT,用于仿真

如飞机、舰船、卫星、火箭、导弹、车辆等各种平台，以及由它们组合构成的复

杂系统中多个收发信机及设备干扰冗余度的精确仿真、分析、设计与系统评估。

nEEIT

■

I

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图2-6.系统级射频干扰仿真平台EMIT

EMIT软件的仿真设计思路从射频干扰三要素（发射干扰源、耦合路径、接收

机）出发，是与实际工程中射频抗干扰性能紧密结合的仿真分析方案，利用其先

进功能，在设计、更改、设备验收或系统定型，维护系统开发，认证和评审的整

个生命周期的各个阶段，方便快速诊断与分析各类复杂系统之间的电磁兼容性和

射频干扰，是整体大平台项目在各个阶段性决策节点所需要的分析与支持工具。

ANSYS公司的EMIT软件提供丰富的Tx/Rx（发射机/接收机）模型参数、天

线参数、射频器件模型参数等，可利用丰富的模型库组成复杂且完善的多个收发

系统。软件输入为这些设备的RF通路及发射机和接收机频谱特性，输出为整个

系统中敏感接收机的射频抗干扰余量（EMIBudget）oEMIT软件特有多重保真共

址干扰预测技术可在复杂的射频环境下快速诊断并定位射频发射干扰源，可以帮

助各总体单位实现系统级电磁兼容和射频抗干扰预估定性分析。

2.3.1多系统共址的射频干扰冗余度计算

在分析多系统通道间的射频干扰问题时，对多系统共址建模尤为关键，这是

一个复杂且跨越涉多学科的问题，如何管理多个系统的通道、器件以及天线数据

成为最大的挑战。借助于EMIT丰富的通道、器件模型库可以方便快速地建立多

系统共存原理图。如下图所示，左边是数个发射通道，右边的模块则是数个接收

通道，发射频谱、杂散、谐波、接收敏感度、信噪比等通道指标都能以参数输入

或者外部实测数据导入的形式赋予。在系统中的射频元器件的线性/非线性参数

也可以人为输入或通过外部参数形式导入。

图2-7.EMIT多系统通道共存原理图

对于其中任意一对收发通道，EMIT都可以单独对其进行仿真，将计算得到

的接收机收到的干扰电平与其敏感度进行比对，从而得到出当前情况下接收机的

射频干扰余量(EMIMargin),如下图的M(f)就是针对某发射机能量，经过收发

链路和天线空间耦合后进入到接收机处的干扰电平与灵敏度的差值，如果大于1

则表示干扰功率高于灵敏度接收功率，接收机性能将收到影响。

M(f)=Ptx(f)+Ttx(f)+ATA(f)+Trx(f)-Srx(f)

图2-8.1对1收发系统射频干扰仿真

EMIT还可以仿真当多个发射系统同时工作时，在多个收发通道之间产生的

有源互调交调产物，主要来源于两个方面。第一是多发射机同时工作，产生的发

射频谱耦合到接收机后与接收通道上的射频前端非线性器件（如LNA等）产生的

交叉调试。第二是不同发射通道之间的互调，发射频谱耦合到其他发射通道中,

与其通道的非线性器件（如PA等）也会互调，得到的互调产物会经由该发射通

道往外二次耦合至接收通道，进而影响接收机灵敏度。

图2-9.多系统N对1射频干扰效应

多系统N对1仿真完成后，可以通过EMIT软件的可视化结果直观地观察到

所有发射系统对特定接收信道的灵敏度影响，如下图右下方矩阵图所示，矩阵图

中绿色单元表示对应的两个收发通道的耦合不会影响接收灵敏度，黄色单元表示

收发系统间产生的干扰能量与接收灵敏度水平相当，红色表示干扰能量超过接收

敏感电平，此时接收机灵敏度将会有所恶化。可以改变收发系统中各器件的非线

性参数或者收发耦合量，就可以在矩阵图中实时观察到对接收灵敏度的改变。

图2-10.多系统射频干扰仿真可视化结果

除了直观的矩阵图显示之外，EMIT还可以生成如下图所示多发射系统同时

工作状态下接收机抗干扰余量，所有的通道间交调互调产物都可以直观显示，也

可以看到每一个交调互调分量产生的来源，从而指引设计者找到消除恶化接收灵

敏度的方法和途径。

100

50

(

s

p

)

-50

«>p

r100

u150

c

6

e

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-200

1,0002100c310co4,000510Go6100c7,0008,000

Frequency(MHz)

PointEMIMarginPeakIn-BandEMIMarginReceiverSusceptibility-0-NoiseIn-BandEMIMargin

------PoweratRx

图2-n.多发射通道同时工作时接收机的抗干扰余量

3.1机载射频系统设计

机载射频系统主要包括通信系统，电子对抗系统，雷达系统和导航系统，分

别负责情报交互，干扰/反干扰，目标探测和定位。为了适应现代作战环境的需

要，无论是通信，电子对抗还是雷达系统的性能都越来越高，传统的设计采用的

是单一化的思路，即在飞机上分别设计安装通信，电子对抗，雷达和导航系统,

除了成本高昂之外，还会导致在一个狭小的空间中有多个系统相互争夺资源，影

响作战配合能力和电磁兼容能力。为了克服独立射频系统的缺点，目前的机载射

频系统往往使用综合射频系统，采用公共射频口径，宽频带的接收机，在尽可能

接近天线的地方采用A/D转换完成信号的数字化，从而统一考虑雷达，通信，电

子对抗和导航四个方面。采用综合射频系统可以降低射频系统成本，减轻重量,

节约空间，并提高系统升级的灵活性，已经成为必然的发展趋势。

天线

综合射频系统构架

ANSYS软件具备机载综合射频系统的仿真能力，能够完成通信，电子对抗,

雷达和导航子系统的设计和仿真，以下为具体应用说明。

3.1.1综合射频系统仿真

综合射频系统要现：共用天线的多波束，并且每个波束可以智能地实现雷达,

通信，电子对抗和导航中的一种功能；足够宽频带的T/R模块，采用数字化的频

率合成技术，对应每种应用都要能够实现多载波的工作方式。

ANSYS软件可以实现电路和电磁场和协同仿真，通过控制射频电路的辐射和

相位，从而动态的改变天线阵列的波束情况，实现多波束多频带扫描，并且可以

分析射频电路的不一致性导致的天线波束的变化。

AmplifierSub1

AmplifierSub1

AmplifierSub1

AmplifierSub1

NonLinear

transistormodel

阵列天线

在上图的例子中，ANSYS软件采用仿真层次化的项目管理方式，使用场路协

同仿真的方法，将放大器，移相器，衰减器等射频电路和天线放在同一个项目中

进行仿真，并将各个衰减系数，相移角度等关键参数设置成变量进行自动扫描,

从而形成不同的天线波束，以满足通信，雷达和电子对抗应用对于波束形状的不

同要求

3.1.2雷达系统仿真

雷达通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波

发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。通常而言，雷达

的射频系统需要满足低旁瓣，高频谱纯度和低噪声系数的要求。利用ANSYS软件,

可以仿真包括雷达波形生成，发射通道，传播路径，目标RCS,反射路径，接收

通道，信号处理在的完整射频链路，对于射频通道指标的要求和分配有显著的指

导意义。

Time㈣Ee幽

经过信号处理后得到两个目标回波射频通道带宽的增加导致更多噪声

上述例子描述了一个典型的线性调频（LFM）雷达所接收到的真实回波信号，

包含混叠在一起的两个目标回波以及背景杂波，可以看到射频通道的带宽的增加

会导致底噪显著抬升。

雷达接收机部分的射频通道后可以使用算法模型，从而可以研究在真实射频

通道指标（如滤波特性，非线性指标和响应速度等）下，被杂波干扰的不同雷达

波形的实际表现，从而指导雷达系统的设计。

3.1.3通信系统仿真

通信系统需要在保证一定误码率的情况下，尽可能地提高传输数率和减低被

截获概率，从而实现对数据链的优化。通信一般会使用各种先进调制方式，提高

频谱利用率，减少不同信道之间的干扰和泄漏，因此射频通道的性能对通信系统

的整体表现产生重要影响。ANSYS提供了多种通信系统的接收机的模型，能够方

便的改变

End-to-EndMPSKModulationSystem

BasebandMPSKTransmitterandReceiverhandletimealignmentandup/downconversion

RFTransmitterandReceivermodelfrequencybasednonlineardistorboneffects

MPSK调制通信系统

i#入时十袋的麻谨时十哭储中的轴谨涅相派和馀入工力泵的¥本

从ANSYS软件的仿真结果可以看到放大器的非线性会导致显著的相邻信道功

率泄漏，从而影响误码率的指标，从而可以帮助设计人员改进前端射频功率控制

算法和电路，以提高通信系统性能。

4.1.无人机的隐身设计

目标电磁散射特性的研究利用电磁波与目标相互作用所产生的各种信息为

雷达准确的获得目标的特征参数，推导其形状、体积、姿态，为对目标进行分类、

辨别与识别奠定了基础，对我国国防现代化建设有着重要意义，也是计算电磁学

的重要研究领域之一。

目标的雷达散射截面积(RCS)的测试难度很大，满足需求的测量环境少，且

测量误差难以评估，因此，采用数值仿真的方法一直是目标特性研究的重要手段。

随着雷达隐身、反隐身技术的不断发展，目标特性的研究也不断面临新的挑战，

因此成为对仿真新技术需求最为迫切的应用领域之一。

仿真技术是目标特性研究的主要手段，目前国外在仿真的计算方法、建模技

术、以及工程实际应用方面出现了若干研究热点，如特殊结构、特殊材料的目标

特性研究、天线阵和天线罩RCS的研究、RCS的时域瞬态研究等。以下结合业界

最权威的仿真技术对其应用进行逐一说明。

4.1.1复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真

采用FE-BI和DDM技术，结合高性能计算机的硬件平台能够有效求解复杂

飞行器的RCS仿真，并且单次仿真可得到数百入射角度下的单站RCSo

4.1.2介质涂覆材料的隐身设计及仿真

涂覆吸波材料已经在飞行器隐身方面应用了多年，由于涂覆材料一般为薄

层介质，属性复杂，多层的涂覆结构更加给模拟带来了挑战，其仿真具有非常

大的应用价值，在涂覆材料的选择和涂覆位置的选择上，具有直接的指导作

用，对优化飞行器的设计指标具有非常重大的意义。HFSS软件具有方便的薄层

模拟功能，能方便的仿真此类涂覆材料问题，可有效解决涂覆吸波材料的问

题。

如图所示的弹体，分析其在雷达波正对鼻锥方向入射下的弹体表面电流分

布，分别分析了不涂覆，涂覆材料a,涂覆材料b三种不同情况下的情形，从

分析结果很容易看到不同的涂覆材料和涂覆方式会带来不同的效果，其表面电

流的改变很明显，通过计算其回波，可轻易判断涂覆材料的效果好坏。在涂覆

隐身设计中，软件的仿真将大大的缩短材料选型和优化的过程，为实际设计提

供足够的理论和仿真数据支撑。

弹体纯金属弹体有涂厦材料a

雷达波正对鼻锥方向入射时，入射波照射下

的弹体表面电流.

4.1.3复合材料的隐身特性仿真

复合材料也是隐身设计中经常采用的方法，但由于复合材料相比金属材料,

其属性更加复杂，仿真和计算都具有相当的难度。HFSS软件具有强大的基于函

数的建模功能，基于主从边界的单元法适合模拟此类材料问题。单元法一采用

Floquet端口配合周期性边界条件，利用Floquet模式理论，通过单元电性能综

合得到整个周期性排列的阵列的电性能。

编织型复合材料单元法建模复合材料的RCS

4.1.4天线（阵）的RCS仿真

飞行器的散射主要由两部分共享组成，一部分来自于外形及结构，另一部

分主要的来源就是雷达天线。由于天线/天线阵的强电磁敏感性，在雷达波的照

射下，天线和天线阵往往会激发很强的散射贡献，成为散射的重要贡献源。所

以天线和天线阵列以及天线罩在整机隐身设计中地位居首。

天线的散射由结构项散射和模式项散射构成。结构项散射是指天线的金属

外形结构对于电磁波的散射。模式项散射是指天线作为电磁波接收装置，将入

射电磁波接收后，由不匹配的端口再次辐射形成的散射。天线阵由于还要考虑

单元间的互耦，因此模式项散射更为严重。

HFSS软件中可方便的定义天线阵的散射计算，在定义入射波的同时，每个

天线单元都设置端口，这样的设置可以降天线阵散射的结构项和模式项都考虑

在，得到天线或天线阵的全部散射贡献。

天线阵的模式散射计算定义方式

Mono«iatKRCS_p«_pb

在HFSS中仿真天线阵在工作频点的单站RCS,红色曲线为仅考虑结构项的单站RCS,蓝色

曲线为同时考虑结构项和模式项在的单站RCS

4.1.5天线罩的RCS仿真

天线罩与天线互耦的问题包含许多复杂的近场效应，全波有限元算法能够为

近场解算提供必要的精度。HFSS中具有针对介质薄层的边界条件，其算法突破

传统阻抗边界在处理介质薄层问题中的局限性，既能够精确的考虑损耗，又能够

将电场与磁场分量在介质薄层两侧的变化考虑在。因此，HFSS可以在保证精度

的情况下，高效的求解多层介质薄层结构，极降低了天线罩仿真的运算量。

在电尺寸不变的情况下，FSS层结构会让计算规模在原有基础上提升30〜

50倍，目前的解决方案为采用有限单元边界积分法（FE-BI）配合域分解技术

在高性能计算机上并行求解。

4.1.6FSS与天线罩的RCS计算

特殊结构或者称之为结构型材料在现代飞行器的隐身设计中越来越重要，

频率选择性表面(FSS)就是一类重要的特殊结构，由于其频率选择的特性，在

天线罩上应用广泛，可降低带外散射而又不影响带电磁波的通过，对提升设备

的生存能力极有意义。

采用HFSS的主从边界条件可方便的模拟FSS的周期性结构，在设计FSS和

优化设计的过程中，提高效率，保证效果。如下图为耶路撒冷十字型FSS结构

的仿真结构及仿真结果，从图上可看到仿真结果与实测结果吻合非常良好。

HFSS仿典结X

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15书目i**FrequencySeloctrve

SurfacesTheoryandDe&»gn",

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FSS在雷达罩中广泛使用，但其建模和仿真都极具挑战，HFSS中可导入外

部模型，精确仿真得到包含FSS结构的天线罩的散射性能。

4.1.7缩减RCS设计与超宽带RCS

已有的RCS研究主要关注在频域窄带RCS,但随着超宽带雷达应用于目标

探测以及缩减目标RCS的设计需求，时域仿真也将成为RCS研究的重要手段。

它可为目标特性的研究直接提供一维距离像信息，以及生成二维距离像所需的

数据，在缩减目标RCS的设计中指导吸波材料的铺放位置。并且时域仿真的入

射脉冲可看作具有超宽带频谱分量的入射波，对时域仿真得到的脉冲回波进行

FFT变换后可直接得到目标的超宽带散射特性。

HFSS-Transient是HFSS的时域求解器，基于间断伽略金时域（DGTD）

法，能够很好地实现采用脉冲激励类型的仿真，因此特别适合如雷击、静电放

电、瞬态RCS等短时激励下的瞬态场显示。DGTD是HFSS-Transient中采用的

时域算法，采用非均匀四面体网格和非均匀时间步长，结合了FDTD/FIT和时域

有限元法（FETD）、有限空间时域法（FVTD）的优点，既通过四面体共形网格保

障了模型保真度，比FDTD/FIT法具有更高的精度，同时具备FDTD/FIT在速度

和存消耗上的优势。

目标的瞬态场仿真和由此得到的一维距离像

5.1雷电防护

5.1.1雷电防护技术背景

雷电、高强度辐射场（HIRF）、电磁/核电磁脉冲（EMP/NEMP）等问题，已

成为影响飞机飞行安全的重要因素。在地球大气中，平均每天约发生800万次

雷电。其中幅值高达到200千安以上的雷电流占0.5%,电流的上升速率最高可

达每秒1000千安培左右。有统计表明，无人机在飞行过程中可能遭受恶劣天

线，甚至雷击的影响。为提高飞机飞行性能，大量采用了现代电子技术，如计

算机飞控系统，通信导航系统，同时还大量采用了先进复合材料，如碳纤维复

合材料等。但遗憾的是，这些先进的电子技术和材料技术，对雷电相当敏感，

遭到雷击后损失更大。迄今为止，至少有2500架飞机被雷电击毁。因此，将大

气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小，一直是人们努力追求的目标。

飞机雷电防护适航审查的符合性方法通常有分析计算方法、类比方法和地

面模拟雷电试验方法。分析计算方法主要用于飞机某些能得出准确解的局部结

构和部件的计算。类比方法主要是将外形、结构和用途都基本相同的飞机或结

构与部件，与已通过适航审查的飞机或结构与部件进行对比，当确实相同时，

也可以认为满足要求。地面模拟雷电试验方法，主要用于新机型的研制、设计

和老机型的改进或改型设计。由于飞机外形的不规则性及机械结构与电气系统

的多样性与复杂性，电场与磁场的精确解非常困难，因此，雷电试验的方法被

认为是最有效的方法。这个过程，类似于飞机机械结构设计加工完成后，仍需

由力学试验来验证其可靠性的过程。

5.1.2雷电防护仿真需求

针对飞机雷电防护设计，主要需要解决的有关问题包括：雷电分区、雷电

直接效应、间接效应、以及HIRF效应分析。

雷电分区是飞机设计过程中，对飞机各部位对遭受雷击的可能性的等级划

分，以采用不同等级的防雷设计和防雷措施，主要分为直接雷击区，扫掠雷击

区，以及其他区域。此问题仿真，主要是针对飞机表面各部位雷电附着能力的

模拟，可通过静电场的方式分析得到，可利用ANSYSQ3DExtractor软件完

由于雷电过程属于强瞬态电磁问题，所以，仿真其直接效应，如空间电磁

场分布，以及间接效应，如对天线的耦合等，都需要考虑其瞬态传输过程。因

此，需要用瞬态分析工具HFSSTransient分析雷电的瞬态辐射效应。

HIRF效应最主要的关注点是在强电磁辐射作用下的空间电磁场环境的变

化，因此可在频域分析此类问题，可在HFSS软件中完成此类分析。

5.1.3雷电防护仿真实例

1.雷电分区分析

雷电分区是飞机防雷设计的重要容，一般采用缩比模型测试的方式，但实

验条件要求高，实验成本很高，采用软件仿真的方法可以方便得到各种不同假

想条件下的雷击分区结果。下图1为典型运输机的雷击分区划分图。

仿真分析原理：雷击分区的分析本质上是要找到飞机各部位对雷电的附着

可能性高低，以区分不同的防雷区域和防雷设计。在仿真上，可以分析雷电击

穿之前，飞机上各部位的感应场/感应电流/感应电荷的分布状态，以判断飞机

不同部位的击穿可能性，也就是可以判断雷电附着点的区域，通过综合分析不

同位置的统计情况，最后可得到飞机的雷电分区图。

仿真分析方法：在Q3D软件中，建立雷电分区分析模型，飞机位于两片带

点云之间，带电云分别带有正电荷和负电荷，从而形成高电压差，见图2,分

析此情况下，飞机表面上的感应电荷分布密度，从电荷的密度分布判断雷电附

着点的大致区域，从而得到雷电分区结果，如下图3所示。

图2雷电分区分析模型

图3带电云之间飞机的电荷分布

仿真中，旋转飞机的位置或者云层的位置，可得到不同方位角度上，飞机

的感应电荷分布情况，综合研究得出一个电荷强度的阙值，规定大于这个阙值

的区域即为区域1,即直接雷击区，同理，可预测分析得出区域2和区域3,即

扫掠雷击区和其他区域。然后通过与标准SAE-ARP-5416给出的定性和定量指标

进行对比，从而确定飞机雷击附着区域类型，完成雷电附着区域划分研究，如

图3o

图4阙值确定及区域划分

2.雷电直接效应及间接效应分析

雷电直接效应是指在雷击过程作用下，飞机外的电磁场环境分布，兴趣区

域的电磁场辐射场波形，间接作用主要是指雷击过程中，机载电磁设备在雷电

作用下的电磁场感应对设备的影响，关键在于得到雷击信号耦合路径以及耦合

量，主要的耦合路径就是机载天线以及电缆，所以仿真得到天线端口的感应电

压波形或电缆端口的波形，即可得到雷击对于机设备的间接效应。图5即为

F35飞机在雷击作用下，某一时刻的空间电磁场分布。图6为雷击作用下，机

腹下部的刀片天线的耦合电压波形。

图5雷电辐射下的电磁环境分布

图6雷击作用下，刀片天线上的感应电压波形

3.HIRF效应分析

高强度辐射场(HighIntensityRadiatedField,HIRF)是来自地面、舰

船、海上平台或航空器上的雷达、无线电、电视、卫星上行数据等高功率发射

机的辐射，它是由人类活动造成的电磁环境问题，特点是频带宽、作用时间

长。

主要问题分析：

1)HIRF环境下，设备区域的电磁环境分析(得到关注区域的感应电磁场

分布，以评估HIRF的影响)；

2）HIRF环境下，耦合到敏感设备上的能量分析（最终HIRF对航电系统的

干扰作用的直接体现）；

3）改进系统电磁防护设计（舱段布局设计，本征模式分析）；

图7和图8所示实例为F35飞机在HIRF环境下的空间电磁场分布分析以及

刀片天线的耦合电压波形分析结果。

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图7F35在HIRF环境下的环境电磁场分布

图8刀片天线在HIRF环境下的端口感应电压波形

6.1多物理场耦合分析仿真实例

首先基于项目需求进行概念设计和方案设计，确定初步设计参数，然后进

行电磁场仿真和优化、调谐，结合馈电系统、T/R模块、天线罩、天线安装平

台等进行系统级仿真，优化整个系统的性能，接着考虑天线的结构特性，加入

结构件，进行结构应力和多物理场仿真，如果结构件对天线电磁性能产生影

响，则返回电磁仿真工具中进行调整，最后，综合判定天线的技术指标完成天

线的最终设计并提交生产。

在电磁、结构和热仿真工具之间实现结构数据、仿真数据的传递和双向耦

合仿真。电磁损耗造成的发热，需要进行散热设计，避免温升造成的系统和部

件失效，影响可靠性。对于高精度、高指标的微波和天线部件，如天线隐身设

计等，需要将电磁损耗作为分布式热源，结合外部热源，如光照、传导热等，

考虑散热结构和散热条件，在热仿真软件中进行耦合仿真，考虑材料特性温度

变化，得到准确的最高温度，进而在结构仿真软件中，将温度分部导入，仿真

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采用DesignXplorer作设计探索

热应力和结构应力形变，将形变之后的结构返回到电磁场工具中研究结构件的

电磁特性变化，仿真系统指标的变化。

图6TANSYSWorkbench统一的多物理场仿真平台与设计流程

多物理场仿真中产生的数据，包括电磁场、热、结构等，实现数据自动传

递和转换，建立与仿真环境数据接口，实时跟踪和检查设计进度，同步数据更

新，实现多学科协同同步设计。图6-1所示，通过电磁场仿真求解器HFSS-IE

完成不同扫描角下目标散射特性RCS的分析，由设计变量控释几何模型，共用

的几何模型通过Fluent的CFD求解器完成空气应力分析。

ANSYSFLUENT采用计算流体动力学(CFD)的数值模拟技术，FLUENT既可

以定制化也可以和ANSYSWorkbench完全集成在一起，并允许用户适当调整集

成功能，轻而易举地快速解决一些特殊的挑战。ANSYSWorkbench平台可直接

耦合CAD软件，自动抽取流体计算域并划分网格，轻松获得高质量的网格，满

足CFD仿真精确和快速的需求。

无人机飞行器几何模型为了满足气动性能，在后缘附近的尖角采用了优化

设计，如图6-2所示，随着扫描角度的变化，通过多物理场耦合分析完成迎头

方向入射单站RCS分析与飞行器空气阻力的影响。

图6-2不同扫描角几何模型图示

ANSYSDesignXplorer是一款专业的多物理场多目标优化软件，它的主要

功能包括：

•参数扫描：给定设计参数的变化区间，获取不同设计参数下产品性

月匕；

・参数敏感度分析：确定不同设计参数与产品性能关系的重要程度；

・试验设计(DOE)：也称为实验设计；目的在于用最少的取样点获取精

确的响应面；DesignXplorer有多种算法供用户生成这些取样点；

・响应面分析：获取整个设计空间产品性能的近似值

・大规模多参数目标优化：依据响应面分析获得最优设计，参数达20个

左右时也可达到较高优化效率；

•六西格玛分析：实际制造过程中设备的良率可能性分布；

Workbench集成化的多物理场耦合仿真环境，实现电磁场、热、温度、应

力、形变、流体的一体化设计仿真。

7.ANSYS电磁仿真软件简介

7.1ANSYSHFSS高频三维电磁场分析软件

ANSYSHFSS全波三维电磁

场仿真器，能求解从直流附

近到光波段所有频段。特别

在微波设备设计中，ANSYS

HFSS作为行业标准设计工

具而被广泛使用。

一般地，为了熟练掌握电磁

场仿真工具，需要学习艰深

的电磁场知识。ANSYSHFSS

具备了直观友好的用户界

面、确保求解精确的全自动

自适应网格剖分技术，以及

对复杂形状实现稳定分析的

求解器，使得初学者能够与

资深使用者一样，方便简单

地得到精确的分析结果。

如果想针对某一系列问题进

行电磁场领域的分析，

ANSYSHFSS能够满足您所

有的需求。

适用领域

•高频组件：LTCC、介质振荡器、耦合器、滤波器、隔离器、功分器、芯片部件、磁珠

等

•天线：贴片天线、角锥天线、阵列天线、Vivaldi天线、八木天线等

•电缆：同轴电缆、双绞线电缆、带状电缆等

•IC封装：引脚型（QFP、PLCC、DIP、SOP等）、PGA、BGA,TAB,功率器件（IGBT,

功率MoSFET、DBC基板等）、MCM等

•连接器：同轴连接器、多脚连接器（端子型、卡槽型等）、插针插座等

•PCB板：裸板、平面、传输线、网格平面、硬板、混合板、柔性板

•其他：RFID、无线充电、EMC/EME核磁共振、微波加热、光电接口

7.2ANSYSQ3DExtractor三维模型寄生参数抽取软件

ANSYSQ3DExtractor可以根据三维

互联结构的形状直接抽取寄生参数

（RLGC）,生成SPICE/IBIS模型。随

着器件的高速/高集成化发展，反

射、传输延时、串扰、SSN等信号完

整性问题越来越突出，因此需要精确

求解封装、连接器、过孔等复杂结构

的寄生参数。ANSYSQ3DExtractor

使用边界元法，根据实际的三维模型

和材料属性，可以精确快速提取寄生

参数模型。

适用领域

•IC封装：引脚型（QFP、PLCC、DIP,SOP等）、