計算電磁學在電磁兼容仿真中的應用

2020-11-23 電子產品世界

摘要：由於航空飛行器上用電設備電磁兼容問題頻發及其複雜性，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，針對系統中不同電磁兼容問題以及不同數值計算方法的自身特點，選擇適用的數值方法對問題進行仿真計算。最終實現在產品的設計初期，就能夠對其電磁兼容性進行預測和評估，滿足其電磁兼容性的要求。因此，採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。
關鍵詞：航空飛行器；計算電磁學；電磁兼容；數值方法

0 引言
隨著電子技術的發展，電子、電氣設備越來越廣泛地應用於航空飛行器上，惡劣的電磁環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。只有在整個系統的初期設計時，對系統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化處理，才能最終實現整個系統的高可靠性。
近年來，計算電磁學發展迅速，理論日趨成熟和完善，並廣泛應用在電磁兼容領域。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，為在研發初期掌握產品可能出現的電磁兼容問題提供了有效的手段和途徑。因此，仿真計算對於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值算法，並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值仿真，實現了對用電設備電磁兼容性有效的預測，為系統的初期電磁兼容性設計提供了理論依據。

1 電磁場數值方法的介紹和比較
計算電磁學是現代電磁場理論、現代數學方法和現代計算機技術相結合而產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領域中提出的各種極複雜的電磁場問題。
當前電磁學中使用較多的數值方法主要有兩類，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理邊值問題的一種數值技術，最早於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區域，在子域中未知函數用帶有未知係數的簡單插值函數來表示，利用裡茲變分法或伽略金方法得到一組代數方程，最後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複雜幾何結構和非均勻介質材料的電磁問題，因此，這種方法在各種複雜的靜態場問題、導波問題、電磁輻射和散射問題中得到了廣泛的應用。

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