第6讲电磁兼容预测技术02

第6讲电磁兼容预测技术02第一页，共71页。6.1电磁兼容性预测概述6.2电磁兼容性预测的数学模型6.3电磁兼容性预测算法6.4电磁兼容性预测软件介绍Agenda第二页，共71页。6.1电磁兼容性预测概述基本原理基本方程数学方法电磁兼容性预测解析法近似法数值法第三页，共71页。6.1.1电磁兼容性预测基本原理一、为什么要电磁兼容预测

1.事后问题解决法：彻底解决困难，可能重新设计，成本高、周期长、性能下降。

2.系统设计法：设计阶段进行干扰预测和分析，成本低、可用技术多时间技术、成本设计阶段联试阶段生产阶段成本可用技术第四页，共71页。电磁兼容性预测(ElectromagneticCompatibilityPrediction)：在设计阶段通过理论计算的方法对电气、电子元件、设备乃至整个系统的电磁兼容特性进行分析、评估。二、定义：第五页，共71页。应用在方案设计阶段和工程研制阶段；分析不兼容的薄弱环节，评价系统或设备兼容的安全裕度，为方案修改、防护设计提供依据；在研制定型之前通过预先测知、发现干扰问题，采取抑制和防护干扰的措施；事半功倍，具有很高经济效益。三、特点：第六页，共71页。四、方法：计算机数字仿真技术用数学模型描述各种电磁干扰特性、传输函数和敏感度特性编制预测程序获得潜在的电磁干扰计算结果运行预测程序第七页，共71页。五、作用：1.在已知设备电气特性参数情况下，预测分析系统内部所有设备的电磁兼容程度。2.当修改某个设备的特性参数时，分析电磁干扰的变化。3.对各种电磁防护设计的评估计算。4.制定干扰极限和敏感度规范。第八页，共71页。6.1.2电磁兼容性预测基本方程干扰源产生的干扰信号：传输函数：传播到r处的干扰信号：（dBW）敏感设备的敏感度阈值：（dBW）备注：以上单位均为dBW

第九页，共71页。干扰裕度（InterferenceMargin，IM）：电磁兼容性预测基本方程，预测的基础

>0，发生干扰，干扰源和敏感设备不兼容<0，两者兼容IM越大，干扰越严重，安全裕度越小；IM越小，干扰越轻微，安全裕度越大；第十页，共71页。电磁兼容预测的数学实质：6.1.3电磁兼容性预测的数学方法

根据一定的边界条件来求解Maxwell微分方程或Maxwell积分方程的确定解。边值问题求解三种方法：解析法；近似法；数值方法；第十一页，共71页。一、解析法：

建立和求解严格的偏微分方程或积分方程；微分方程：分离变量法积分方程：变换数学法

优点：可将解表示为已知参数的函数，精确的结果；作为近似法和数值法的检验标准。

缺点：仅能用于解决很少量的问题，只有少数坐标系中能分离变量，而用积分法时往往又求不出结果，致使分析过程既困难又复杂。第十二页，共71页。二、近似法：

近似法：

1.逐步逼近法、微扰法、变分法、迭代变分法

2.结果一般都表示为级数。

3.可以求解一些用严格法不能解决的问题，简便。

高频近似技术：几何光学法（GeometricalOptics，GO）物理光学法（PhysicalOptics，PO）几何绕射法（GTD）物理绕射法（PTD）第十三页，共71页。几何绕射理论（GeometricalTheoryofDiffraction,GTD）①绕射场沿绕射射线传播，绕射射线是从源点经绕射点至场点的极短传播路径；②绕射只取决于物体上绕射点邻域内的物理特性和几何特性；③离开绕射点后，绕射射线沿直线传播；④在绕射射线管内能量守恒；⑤绕射场沿射线的相位延迟，等于媒质的传播常数与传播距离的乘积。基本概念：第十四页，共71页。边缘绕射尖顶绕射曲面绕射第十五页，共71页。

辐射和散射问题的高频近似解是直射场、反射场和绕射场的叠加；射线寻迹：确定反射点和绕射点，并求出源点经反射点或绕射点的极值路径，得到反射、绕射轨迹。在物体几何形状复杂或者有遮挡时比较复杂，必须用数值计算方法进行射线寻迹。找出了反射线和绕射线后，即可通过叠加方法求出场点处的总场。求解方法：第十六页，共71页。三、数值法：

求解由于边界复杂而不能解决的问题；通常用差分代替微分，用有限求和代替积分；使电磁场问题有可能通过计算机辅助分析获得高精度的离散解（数值解）。第十七页，共71页。频域数值算法：有限元法(FiniteElementMethod，FEM)矩量法(MethodOfMoment，MOM)差分法(FiniteDifferenceMethods，FDM)边界元法(BoundaryElementMethod，BEM)传输线法(Transmission-Line-matrixMethod，TLM)快速多极子算法(FastMultipoleAlgorithm，FMA)……常用的数值算法第十八页，共71页。时域数值算法：时域有限差分法

(Finite-DifferenceTime-DomainMethod，FDTD)

有限积分法

(FiniteIntegrationTechnology，FIT)，时域平面波算法

(Plane-WaveTime-DomainAlgorithm，PWTD)……第十九页，共71页。6.2电磁兼容性预测的数学模型数学模型：1、干扰源模型2、耦合途径模型3、敏感设备模型有意辐射干扰源、无意辐射干扰源、传导干扰模型传导耦合模型、辐射耦合模型接收机敏感模型、模拟数字电路敏感模型单频连续波、脉冲序列、单脉冲、阶跃（斜）波、调制波、振荡波、噪声波……第二十页，共71页。6.2.1干扰源模型（无线发射机模型）

辐射干扰的时间分布：取决于发射机的工作制式辐射干扰的空间分布：取决于发射功率和发射天线的方向图辐射干扰的频带类型：基波、谐波、非谐波及宽带噪声辐射干扰源模型：第二十一页，共71页。一、基波发射模型基带调制包络函数：第二十二页，共71页。第二十三页，共71页。二、谐波发射模型通用谐波辐射模型：N为谐波次数，N≥2A、B、σ可由测量数据模型得到，或采用统计综合谐波幅度模型。第二十四页，共71页。发射机谐波模型的常数注：由现成数据统计综合模型得到第二十五页，共71页。谐波平均发射电平的综合第二十六页，共71页。非谐波频率：

用一定频率区间可能出现的概率来描述。三、非谐波及宽带噪声模型第二十七页，共71页。6.2.2敏感设备模型（无线接收机模型）

接收机的选择性曲线：潜在干扰信号同频道干扰邻近频道干扰带外干扰互调、交调干扰第二十八页，共71页。

同频干扰：

存在于最窄的检波前通道（超外差接收机为中频带宽）内的干扰；使接收机减敏或淹没希望信号，或产生严重失真。邻频干扰：

存在于或接近于最宽的接收机通带内的干扰；在接收机内产生减敏、交调、互调等作用。

带外干扰：

频带大大高于接收机带宽（射频带宽）的干扰；产生接收机内的乱真响应。第二十九页，共71页。一、同频道敏感度阈值模型接收机噪声电平：D为识别系数，即接收机输出端所允许的最小信噪比第三十页，共71页。二、邻近频道敏感度阈值模型中频选择性的分段线形化函数：第三十一页，共71页。邻近频道敏感特性第三十二页，共71页。三、带外敏感度阈值模型频率的连续函数：第三十三页，共71页。四、互调模型

互调：多个信号由于器件非线性效应而产生新的频率的过程，可分为有源互调和无源互调；有源互调分为发射机互调和接收机互调。接收机互调（最严重）：两个或两个以上信号同时进入接收机，由于接收机内部器件的非线性（放大器、混频器等）而产生的互调。超外差接收机中，若两个或多个干扰信号混频产生的新频率足够靠近接收机调谐频率，它们可能被放大和检波，对设备产生干扰。第三十四页，共71页。产生的新频率组合为：各个高次谐波的频率组合为：第三十五页，共71页。

偶数阶（n=2，4，6，……）的组合频率失真项难以形成互调干扰；

三阶互调干扰危害最大；

五阶以上互调干扰的系数小，危害小；可忽略危害大第三十六页，共71页。五、交调模型

交调干扰：不希望信号对希望信号进行了调制；一般由在接收机邻近频道区中的强信号产生；产生于接收机的非线性效应，并要求干扰源具有幅度变化，即调幅；在邻近频道区内任意频率的单一干扰信号可能产生交调，但希望信号对交调产物幅度的影响可能抑制信噪比，使交调不如互调那样严重。第三十七页，共71页。由调幅双边带干扰产生的交调可表示为：第三十八页，共71页。6.2.3耦合途径模型（天线与天线间的辐射耦合）一、天线模型(1)远场天线模型钥匙型平面方向图主波束截面叫主瓣；副波束截面叫旁瓣；主瓣区域为有意辐射区，非主瓣区域为非有意辐射区。假设非有意辐射是各向同性的。高增益天线主瓣很窄可忽略，认为非有意辐射在整个球面均匀分布。第三十九页，共71页。(2)近场天线模型

近场不能由单一方向图表示，它是角位置和天线距离的函数；过渡距离：近场增益的瞄准波瓣近似：第四十页，共71页。(3)天线区域的确定干扰源对干扰敏感体的影响程度主要取决于方向图宽度，旁瓣电平，主波束相互取向，扫描方式和扫描扇形区范围；若干扰敏感体配置在干扰源天线的主瓣内（有意辐射区），且两者的主瓣相互对准，干扰源对干扰敏感体的影响将是最大的。第四十一页，共71页。第四十二页，共71页。发射区：方位角：高低角：接收区：

方位角：高低角：方位角：高低角：或第四十三页，共71页。二、耦合算法电磁场的数值算法：矩量法(MOM)-一致性几何绕射法(UTD)第四十四页，共71页。6.3电磁兼容性预测算法每个发射端口都可能与一个或多个接收端口有耦合路径；耦合路径既考虑空间辐射，也详细考虑载体的绕射。假设端口、耦合媒质为线形的，且每个发射端口的发射是统计独立的，进入某接收端口的一个或多个发射信号可以按均方根或功率组合起来。计算接收端口的干扰余量，从而确定设备的电磁兼容性。电磁兼容性预测的思路：第四十五页，共71页。耦合路径11耦合路径22耦合路径jk耦合路径2k发射源1发射源2发射源j……敏感设备1敏感设备2敏感设备k……干扰值11干扰值22干扰值jk干扰值2k

预测时通常采用逐对考虑的方式，每次选一个发射源和一个敏感设备以及一种耦合方式，这称为一个“发射-响应对”。第四十六页，共71页。

为减少需考虑的发射-响应对数目，通常采用四级预测方法，即：四级筛选方法：幅度筛选频率筛选详细分析性能分析

每级预测对整个问题作快速“扫描”，剔除明显不可能呈现干扰的发射-响应对，保留可能存在干扰的发射-响应对。第四十七页，共71页。四级筛选流程图：第四十八页，共71页。6.3.1幅度筛选(以通过天线耦合的电磁干扰为例)

分离大量弱干扰与少数强干扰，剔除明显的非干扰情况，缩小预测范围。分离的依据：计算得到的潜在干扰余量；假定：（1）传输损耗最小，（2）发射输出的频率和敏感设备所感应的频率一致。原理：

考虑：发射机基波、杂波功率电平和接收机基波、杂波响应敏感度门限电平；天线方向性和传输损耗干扰裕度超过剔除电平，则保留该发射－响应对；否则，剔除。应正确选择剔除电平。第四十九页，共71页。主要考虑四种情况：(1)基波干扰余量（FIM）：基波发射和基波响应的频率对准，并以无抑制的方式存在时的干扰电平。(2)发射机干扰余量(TIM)：基波发射与杂波响应的频率对准时的干扰电平。(3)接收机干扰余量(RIM)：基波响应与杂波发射的频率对准时的干扰电平。(4)杂波干扰余量(SIM)：杂波发射与杂波响应的频率对准时的干扰电平。先计算FIM，如果它小于剔除电平则不需计算其它情况，否则需计算TIM和RIM，如果其中任一个超过剔除电平，还需计算SIM。第五十页，共71页。6.3.2频率筛选

考虑：发射机带宽和调制特性、接收机响应带宽和选择性、发射机发射和接收机响应之间的频率间隔等因素，修正幅度筛选阶段所得的干扰裕度。若干扰裕度仍超过剔除电平，则保留该发射－响应对。否则，剔除。原理：第五十一页，共71页。基本概念：分析在特定发射－响应对之间的可能存在干扰的各种概率；两种基本同频概率：接收机带宽等于或大于发射机带宽，与发射机输出有关的功率都被接收;接收机带宽小于发射机带宽，则仅接收与发射频谱有关的部分功率。第五十二页，共71页。6.3.3详细分析

考虑：特定传播方式、极化匹配、近场天线增益修正、多个干扰信号的综合效应、时间相关统计特性、干扰裕度的概率分布等。

干扰裕度的概率分布与发射机功率、天线增益、传输损耗和接收机敏感度门限有关。如果所有分布均为正态的，则干扰裕度的最终概率分布也呈正态分布。

互调预测比较重要；第五十三页，共71页。6.3.4性能分析

主要问题：将预测的干扰电平与性能的量度联系起来，即：将预测结果转换为描述系统性能恶化的定量表达式。需要建立系统性能的数学模型。系统性能分析采取的工作性能指标：清晰度记数、比特误差率、分辨率、检验概率、虚警概率、方位角、距离、经纬度、高度等误差。第五十四页，共71页。接收机性能预测的方法和因素：第五十五页，共71页。评定系统性能的三种基本方法：(1)依据工作性能门限：工作性能门限基于系统所特定的信噪比（S/N），此比值为可接受性能和不可接受性能间的界限。此方法最为简单，应用最广。(2)依据系统的基本性能：如清晰度记数、误差率、分辨率等的度量。这方法主要用于分析具体信号和干扰状态。(3)依据系统的效果。第五十六页，共71页。6.4电磁兼容性预测软件介绍6.4.1国外EMC预测软件

美，罗姆航空发展中心研制，电磁干扰预测程序IPP-1（InterferencePredictionProcessOne），用于分析和预测发射机和接收机之间的潜在干扰。

俄罗斯，国家系统科学研究院，航空机载设备电磁兼容性评估计算软件，用于分析计算和评估航空机载设备在外部电磁干扰作用下的电磁兼容性和可靠性。(3)欧洲，航天局，TDAS-EMC（TestDataAnalysisSystemforElectromagneticCompatibility）第五十七页，共71页。(4)美，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，AirborneCommunicationNode(ACN)，用于飞行器通信系统的EMC仿真分析；(5)其他软件：Antenna-to-AntennaPlusGraphics(AAPG)，GeneralEMModelfortheAnalysisofComplexSystems(GEMACS)，TransmitterandReceiverEquipmentDevelopment(TRED)，SpecificationsandEMCAnalysisProgram(SEMCAP)，IntrasystemEMCAnalysisProgram(IEMCAP)。第五十八页，共71页。（6）商业化软件：美国ANSOFT公司HFSS、

Agilent公司ADS、

AppliedSimulationTechnology公司的Apsim，南非EMSS公司FEKO(FeldberechnungbeiKorpernmitbeliebierOberflache，任意形状电磁场计算)

大多基于某几种数值算法的混合，比如矩量法（MOM）、有限元法（FEM）、物理光学法（PO）等。它们的优点是通用性强，精度高，界面友好。第五十九页，共71页。6.4.2国内EMC预测软件航空航天部门；舰船设计部门；国防科技大学：飞船电磁兼容性预测软件

第六十页，共71页。软件界面第六十