国外电磁兼容仿真软件发展概述

摘要：对国外诸多常用电磁仿真软件的数值方法和用途等的发展状况进行了详细介绍和说明。首先对仿真技术所基于的计算电磁学算法进行了分类分析，然后对不同算法所对应的仿真软件的特点进行了阐述与评价。并结合我国电磁兼容的实际状况，指出了我国电磁兼容仿真软件（技术）的发展趋势。

关键词：电磁兼容；仿真；软件

计算机的飞速发展以及电磁场数值分析方法的不断进步，使得电磁兼容性仿真预测对军用装备产品设计的指导意义愈加明显。各种商用化软件的不断推出，更是加速了这一进程。在电子对抗、电磁兼容等领域，由于用户的迫切要求，出现了专门指导该领域专业设计的软件。美国、意大利、西班牙、俄罗斯、德国、英国、法国等世界先进国家的电磁兼容预测和分析技术已经形成一整套数字仿真和优化设计软件系统，而且一刻也没有停止过数值算法的完善和创新研究[1—4]。

1 国外发展概况

电磁仿真技术中运用的主要计算电磁学方法大致可分为2类：精确算法和高频近似方法。精确计算方法包括差分法（FDTD，FDFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多极子FMM和多层快速多极子MLFMA）等，其中，在解决电大目标电磁问题中最有效的方法为多层快速多极子方法。高频方法一般可归作2类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在GTD基础上发展起来的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（MEC）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。PO高频方法由于计算效率较高，对大目标的适应能力强，因此被广为采用。

基于这些方法，国外不仅形成了众多的预测仿真系统和软件，还建立了相应的EMC数据库，可开展：1）各种军用平台电磁兼容性设计，包括大型舰船平台的天线布置设计、舱室内EMC设计、系统内EMC分析、系统间EMC分析等；2）平台间EMC分析，包括舰船编队的EMC分析；3）EMP（电磁脉冲）仿真、各种载体EMP效应及适应性分析；4）陆海空天电五维现代化战场电磁环境分析。

下面就国外涌现出来的商业软件的主要算法、功能和应用范围进行简略介绍。

1.1EMC2000软件

该软件由法国某公司研制，采用的计算方法主要是MoM，FDTD，FVO（有限体积法），PO/GO，GTD，UTD，PTD，ECM（等效电流法），在算法上与ShipEDF基本相同（增加了FVO），两者的分析功能非常接近。据介绍，EMC2000可以对雷电、静电、电磁脉冲对目标的冲击效应进行仿真分析，可对复杂介质进行时域分析，对孔缝耦合进行计算，但没有RCS计算功能。

1.2FEKO+CableMod软件[5]

该软件由南非某公司研制，采用的数值算法主要是MoM，PO，UTD，FEM（有限元法）以及一些混合算法，在新版软件中增加了多层快速多极子算法（MLFMA），CableMod功能和多种脉冲源（高斯、三角、双指数和斜波脉冲）的时域分析，可为飞机、舰船、卫星、导弹、车辆等系统的全波电磁分析提供解决手段，包括电磁目标的散射分析（如图1所示）、机箱的屏蔽效能分析（如图2所示）、天线的设计与分析（如图3所示）、多天线布局分析（如图4所示）、系统的EMC/EMI分析、介质实体的SAR计算、微波器件的分析与设计、电缆束的耦合分析等。

图1军用战斗机的RCS分析

图2屏蔽问题分析

图3卫星天线的设计与分析

图4舰载天线的布局分析与设计

1.3Ansoft-HFSS软件[6]
该软件由美国Ansoft公司研制，采用的主要算法是有限元法（FEM），主要应用于微波器件（如波导、耦合器、滤波器、隔离器、谐振腔）和微波天线设计（如图5所示）中，可获得特征阻抗、传播常数、S参数及电磁辐射场、天线方向图等参数和结果。该软件与FEKO最早进入中国市场，并在国内拥有一定数量的用户。

1.4CST-SD软件[7]

德国CST公司研制了基于有限积分技术（FIT，该技术类似于FDTD）的仿真软件CST-SD，主要用于高阶谐振结构的设计。它通过散射参数（S参数）将复杂系统分离成更小的单元进行分析，具体应用范围主要是微波器件，包括耦合器、滤波器、平面结构电路、各种微波天线和蓝牙技术等。图6是该软件对双指数脉冲信号沿电缆进入机箱后的效应进行仿真分析的结果。

图5 贴片天线设计

1.5FIDELITY软件[8]

FIDELITY软件由Zeland公司研制，主要采用非均匀网格FDTD技术，可分析复杂填充介质中的场分布问题，其仿真结果主要包括：S参数、VSWR（驻波比）、RLC等效电路、坡印亭矢量、近场分布和辐射方向图，具体应用范围主要包括微波/毫米波集成电路（MMIC）、RFDCB、RF天线、HTS电路和滤波器、IC内部连接、电路封装等。

图6CST-SD软件端口磁场矢量及传输线特性参数仿真

1.6IMST-Empire软件[8]

IMST-Empire软件主要采用FDTD法，是RF元件设计的标准仿真软件，它的应用范围包括平面结构、连接线、波导、RF天线和多端口集成，仿真参数主要是S参数、辐射场方向图等。

1.7Micro-Stripe仿真软件

该软件由美国FLOMERICS公司研制，主要采用传输线矩阵法（TLM）。该软件可对飞机、舰船平台天线布置中的耦合度进行计算，可以对电子设备防雷击、电磁脉冲和静电放电威胁进行分析，可以辅助面天线、贴片天线、天线阵的电磁设计。

1.8ADS软件[9]

该软件是美国安捷伦公司在HPEESOF系列的EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件，主要采用MoM算法，可协助系统和电路工程师进行各种形式的射频设计，如离散射频/微波模块的集成、电路元件的仿真和模式识别。该软件还提供了一种新的滤波器的设计，其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化。

1.9Sonnet仿真软件

Sonnet是一种基于矩量法的电磁仿真软件，是高频电路、微波、毫米波领域设计和电磁兼容/电磁干扰分析的三维仿真工具。主要应用于：微带匹配网络、微带电路、微带滤波器、带状线电路、带状线滤

波器、过孔（层的连接或接地）、耦合线分析、PCB板电路分析、PCB板干扰分析、桥式螺线电感器、平面高温超导电路分析、毫米波集成电路（MMIC）设计和分析、混合匹配的电路分析、HDI和LTCC转换、单层或多层传输线的精确分析、多层/平面的电路分析、单层或多层的平面天线分析、平面天线阵分析、平面耦合孔分析等。

1.10IE3D仿真软件[10]

IE3D是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，可以解决多层介质环境下三维金属结构的电流分布问题，包括不连续性效应、耦合效应和辐射效应。仿真结果包括S参数、VWSR（驻波比）、RLC等效电路、电流分布、近场分布、辐射方向图、方向性、效率和RCS等。IE3D在微波/毫米波集成电路（MMIC）、RF印制板电路、微带天线、线电线及其它形式的RF天线、HTS电路及滤波器、IC的内部连接及高速数字电路封装方面是一个非常有用的工具。

1.11MicrowaveOffice软件[11]

该软件也是基于矩量法的电磁场仿真工具，是通过2个模拟器实现对微波平面电路的模拟和仿真。“VoltaireXL”模拟器处理集总元件构成的微波平面电路问题，“EMSight”模拟器处理任何多层平面结构的三维电磁场问题。“VoltaireXL”模拟器内设一个元件库，其中无源器件有电感、电阻、电容、谐振电路、微带线、带状线、同轴线等；非线性器件有双极晶体管、场效应晶体管、二极管等。在建立电路模型时，可以调出所用的元件。“EMSight”模拟器的特点是把修正谱域矩量法与直观的图形用户界面（GUI）技术结合起来，使得计算速度加快许多。它可以分析射频集成电路（RFIC）、微波单片集成电路（MMIC）、微带贴片天线和高速印制电路（PCB）等的电气特性。

1.12ICEWAVE仿真软件

该软件是针对电子产品电磁兼容设计/电磁干扰分析的三维仿真工具，采用FDTD全波数值方法。应用范围包括：PCB退耦、辐射、接地、过孔和不连续分析，以及微波元器件、铁氧体、谐振腔、屏蔽盒的电磁分析。

1.13WIPL-D软件[12]

该软件是由WIPL-d.o.o.公司基于MoM算法开发的三维全波电磁仿真设计软件。它采用了最先进的最大正交化高阶基函数（HOBFs）、四边形网格技术等，减少了内存需求和计算时间。据介绍，该软件可用201s仿真一个58λ长平台的天线布局问题。该软件能解决的电磁问题包括：各种电磁兼容天线设计、复杂平台天线布局问题、复杂平台RCS计算以及微波无源结构设计。

1.14Singula软件

该软件由加拿大IES公司开发，采用MoM＋PO的混合算法，可用于天线与天线阵、波导与谐振腔、射频电路与微波元器件、电磁散射与RCS、吸收率（SAR）等方面的电磁分析，可以分析复杂平台短波和超短波天线布局问题。

1.15FISC软件[13]

美国Illinois大学于2001年公布的电磁散射分析软件FISC适用于导弹（如图7所示）、飞机（如图8所示）、坦克等的电磁散射分析，采用的主要方法是多层快速多极子方法（MLFMA），据报道，可以求解未知量达1千万的电磁散射问题。

图7导弹的电磁散射分析

图8VFY218飞机的表面剖分

1.16XPATCH软件[14]

该软件由美国军方研制，主要采用弹跳射线法（SBR），并与计算机图形学技术紧密结合。在计算中，同时考虑了射线直射时的物理光学近似、物理绕射以及射线的多次反射效应（multi-bouncerays）。在计算射线直射效应（firstbounce）时，最花时间的是确定复杂目标的阴影部分和遮挡部分，该软件采用Z-buffering技术的硬件和软件精确确定这2部分。阴影部分和遮挡部分确定之后，直射场部分的贡献可由PO计算。为了计算多次反射效应，从入射波向目标发射一系列平行的射线，对每一条射线在目标上（或目标内）的反射和折射进行跟踪，直到射线离开目标为止。射线的跟踪是根据几何光学原理进行的，在反射点或折射点处的场由几何光学确定，包括极化效应、多层媒质效应等。在射线离开目标时的最后一个反射点，应用物理光学积分计算远区散射场（如图9所示）。叠加所有射线对远区散射场的贡献，即获得总的远区散射场或雷达散射截面。通常，对RCS的计算而言，1个波长的距离至少需要10根射线。此软件基于的方法的原理虽然简单，但需要有效的几何CAD技术和快速的射线跟踪算法。

图9军用目标仿真的射线追踪

以上介绍了国外主要的电磁兼容预测仿真分析软件和系统，这些软件基本上囊括了当前主要的数值算法，一般可分为2大类：综合类和单一类。前者的含意是在仿真软件中包含了2种以上的算法，例如ShipEDF、EMC2000及FEKO+CableMod；后者的含意是只包括了1种算法，而且主要是基于FDTD或MoM，这2种算法是世界公认的全波精确算法，特别适应于基础预研和产品开发中细节的精确计算。综合类在处理复杂平台电磁问题时，针对不同问题的电磁特性采用不同的分析方法，较适应于型号工程中的电磁设计；单一类较适应预研和电子产品的电磁设计。

2 结语

由于舰船等军事平台的电大尺寸和上层建筑结构的极其复杂，数值方法和技术应用于舰船平台时会碰到各种各样的问题，在舰船等大型武器平台电磁兼容预测与仿真方面还需较大的投入和进行深入研究。只有运用现代电磁学理论、数值计算方法、计算机图形学（如OpenGL技术、Z-Buffer技术）等先进、高效的技术、理论和方法，在广泛集成和二次开发国内外现有软件的基础上，研究系统电磁兼容性的特性参量数值分析技术，研究典型武器装备电磁兼容性通用数学或数值模型及模型预处理和验证技术，开展优化算法的研究，积极发展国内的电磁兼容性预测与仿真技术，打破国外的技术封锁，才能形成具有我国自主知识产权的、适应我国国防工业实际需求的大型电磁仿真软件或技术，建立一整套开放式、面向用户的电磁兼容优化设计、仿真软件包，实现武器装备平台的EMC，真正做到总体控制武器装备平台的电磁参数和数据，综合认识和全局掌握每个设计方案的电磁性能。

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作者简介：肖卫东  海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，潘涵 电磁兼容性国防科技重点实验室(武汉) 中国舰船研究设计中心