PAM-CEM三維電磁仿真軟件介紹

一、概述

　　隨著(zhù)電子設備使用的增加，完全真實(shí)的電磁兼容(EMC) 測試只能在產(chǎn)品樣機進(jìn)行，EMC問(wèn)題常常在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的后續階段才會(huì )出現，這也就預示著(zhù)要進(jìn)行昂貴和耗時(shí)的設計迭代。因此，在設計早期階段掌握EMC兼容性變?yōu)橐粋€(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，數值EMC作為一個(gè)使電磁兼容更快更高效解決的途徑而出現。

　　ESI集團根據工業(yè)中從低頻到中高頻的實(shí)際電磁/電磁兼容問(wèn)題，提出了完整的全頻段的解決方案：PAM-CEM/Visual-CEM用于解決中高頻EMC/EMI電磁兼容問(wèn)題;CRIPTE用于解決線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )的電磁兼容問(wèn)題;SYSMGNA 用于解決低頻特性的電磁問(wèn)題。而PAM-CEM與CRIPTE軟件的完全耦合功能，更是對 于具有復雜線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )的設備提供了完整的電磁兼容解決方案。

　　二、PAM-CEM 軟件包

　　隨著(zhù)工業(yè)部門(mén)的電子設備日益復雜，預測及控制電磁干擾現象的能力對保證系統操作的可靠性是必要的，尤其是關(guān)系到安全性和保密性的情況，而PAM-CEM解決方案就是能夠解決實(shí)際EMC問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

　　PAM-CEM解決方案由專(zhuān)門(mén)從事電磁場(chǎng)仿真計算達20年的專(zhuān)家團隊開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于EMC的仿真測試。其開(kāi)發(fā)目標是在設計的早期階段選擇更加真實(shí)的模型，進(jìn)行電磁兼容(EMC)模擬仿真，從而預測系統或設備可能的機能問(wèn)題，并立即仿真結果采取措施。

　　PAM-CEM電磁兼容解決方案可以解決的問(wèn)題包括：電磁輻射(EMR)和電磁干擾(EMI)問(wèn)題(近場(chǎng));天線(xiàn)、雷達對仿真分析對象的輻射模式問(wèn)題(遠場(chǎng));機載/車(chē)載設備對外來(lái)入侵電磁干擾的抗干擾度問(wèn)題;大型裝備系統對外界環(huán)境(電磁污染)的電磁輻射(EMR)等問(wèn)題;由內部布線(xiàn)引起的電磁干擾(EMI)、擾動(dòng)電磁敏感性(EMS)、線(xiàn)纜屏蔽效果等問(wèn)題;具有復雜線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )設備下3D模型與線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )耦合電磁仿真分析的電磁輻射與電磁敏感問(wèn)題。該解決方案軟件已廣泛用于交通運輸工業(yè)(汽車(chē)和火車(chē))、航空航天、通信和電子等領(lǐng)域。

　　PAM-CEM 電磁仿真軟件包功能特點(diǎn)，包括：

　　◎對于復雜幾何形狀的電磁場(chǎng)輻射及天線(xiàn)、線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )及電子設備的電磁輻射等電磁場(chǎng)問(wèn)題，基于麥克斯韋方程組的直接建模，可以解決復雜幾何形狀物體、有線(xiàn)天線(xiàn)、線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )和電子設備等電磁場(chǎng)輻射及電磁干擾問(wèn)題;

　　◎CAD幾何模型的直接導入進(jìn)行網(wǎng)格剖分，或對已存在的網(wǎng)格進(jìn)行細化功能;

　　◎充分明確的仿真時(shí)間管理程序使電磁環(huán)境的完整仿真更有效，包括感應電流、感應電壓的計算，電磁場(chǎng)的近場(chǎng)或遠場(chǎng)計算，電磁輻射場(chǎng)的仿真分析等;

　　◎先進(jìn)的后處理器功能可以幫助用戶(hù)更好理解電磁現象;

　　◎PAM-CEM可以與其他軟件如CRIPTE 進(jìn)行完全耦合，從而進(jìn)行完整的電磁仿真分析;

　　◎可以對物體進(jìn)行EMS電磁敏感度(基于外界電磁干擾)分析和EMR電磁輻射分析(包括內部電磁干擾對外部環(huán)境的影響及不同電子設備之間的互相電磁干擾)。

三、CEM 模塊介紹

　　1.PAM-CEM 簡(jiǎn)介

　　PAM-CEM是綜合的電磁兼容模擬軟件，可以對復雜的電磁環(huán)境進(jìn)行精確、完整、快速的仿真分析。該軟件通過(guò)虛擬測試、工業(yè)測試、用戶(hù)測試驗證了其有效性。

　　PAM-CEM V2010.0軟件包包含下列模塊：用戶(hù)環(huán)境(PRE-CEM前處理器、POST-CEM/PAM-VIEW后處理器和PAM-CEM/HF 高頻仿真器);有限元求解器(PAM-CEM/FD 求解器、SEMAIL 網(wǎng)格生成器和CEM3D求解器);線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )求解器(LAPLACE 線(xiàn)纜導線(xiàn)參數計算模塊、CRIPTE 線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )計算分析模塊、C3M 耦合PAM-CEM參數分析模塊以及RORQUAL 特殊電源信號計算分析模塊)。

　　2.PAM-CEM V2010.0 新功能/ 增強功能

　　在2010年即將發(fā)布的PAM-CEM V2010.0版本中，針對工業(yè)用戶(hù)中新出現的突出且廣泛的電磁兼容問(wèn)題，將電阻材料屬性的薄層求解、高頻電大問(wèn)題的求解、完善的近場(chǎng)求解等功能添加進(jìn)PAM-CEM V2010.0 版本。

　　(1)電阻材料屬性的薄層求解功能 (Resistive Coatings)。

　　在實(shí)際的電磁兼容問(wèn)題中，電阻材料薄層的厚度往往只有幾毫米甚至更薄，如果對薄層進(jìn)行直接3D建模就需減小網(wǎng)格單元的大小;而為了得到真實(shí)精確的仿真結果，薄層中的網(wǎng)格數需要至少3~4層，因此，進(jìn)行直接3D 建模分析求解并不現實(shí)。

　　PAM-CEM 為了更好地仿真求解薄層問(wèn)題，添加了Resis-tive Coatings功能，可以對于具有薄層的物體進(jìn)行更精確的電磁仿真分析。例如，汽車(chē)前端的薄層噴涂對于防碰撞雷達的影響、飛行器上的復合材料通過(guò)鋁層鋪設后對于飛行器電磁場(chǎng)分布的改變等。

　　(2)高頻電大問(wèn)題求解功能(PAM-CEM/HF)。在高頻電磁場(chǎng)及超高頻電磁場(chǎng)仿真分析中，由于頻率過(guò)高導致網(wǎng)格數相應增多，在一些條件下并不能解決EM的仿真分析問(wèn)題。因此，PAM-CEM/HF應用PO法(Physical Optics 物理光學(xué)法)、PTD法(Physical Theory of Diffraction物理幾何衍射法) 并結合EEC法(Equivalent Edge Current 等效邊緣電流法)對電大問(wèn)題進(jìn)行電磁仿真分析?？梢赃m用于高頻雷達散射截面分析，大型物體如艦船上天線(xiàn)輻射特性分析等。

　　(3)完善的近場(chǎng)求解功能 (Near Radiated Fields with Re-flecting Obstacles)。

　　在PAM-CEMV2009.0 版本中，可以對仿真分析對象進(jìn)行電磁場(chǎng)的近場(chǎng)輻射仿真分析，如在3D計算區域中的電磁場(chǎng)仿真分析。在PAM-CEMV2010.0 版本中，對于近場(chǎng)求解，增加了對于有障礙物存在的情況下近場(chǎng)電磁場(chǎng)的分布。

　　(4)PRE-CEM 前處理器。

　　PRE-CEM是PAM-CEM 的圖形前處理器，是交互的圖形軟件包，所有數據輸入都按本領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述。通過(guò)PRE-CEM，可以輕松創(chuàng )建出用于計算的PAM-CEM 輸入文件。

　　PRE-CEM 模塊功能、特點(diǎn)包括：

　　◎支持多種高級CAD/CAE 模型，如Iges、Stl、Dxf、Gen3D Mesh 文件、Nastan Mesh 文件和Ideas Mesh 文件等;

　　◎幾何模型快速導入及其高級清除功能(重疊和自由圖元，如點(diǎn)、末端以及線(xiàn)或面);

　　◎網(wǎng)格參數定義及局部細化功能;

　　◎后處理輸出參數輸入功能(電磁場(chǎng)分布、切平面、結構體上的感應電流以及給定平面或整個(gè)空間的遠輻射場(chǎng))。

　　(5)POST-CEM/PAM-VIEW 后處理器。

　　1)PAM-VIEW后處理器。PAM-VIEW是專(zhuān)門(mén)用于顯示PAM-CEM 計算結果的交互圖形式后處理器，并且可以幫助用戶(hù)輕松通過(guò)三維圖形、動(dòng)畫(huà)和曲線(xiàn)，如幾何/邊界線(xiàn)、云圖以及等位線(xiàn)圖等表達 PAM-CEM結果。

　　PAM-VIEW支持后處理輸出文件及特點(diǎn)：

　　◎隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)文件;

　　◎輻射電磁場(chǎng)文件(在給定平面或整個(gè)空間的輻射圖形);

　　◎表面結果文件;

　　◎通過(guò)ASCII 數據顯示 / 導出外部 二維曲線(xiàn)及 POST-CEM

　　支持格式的文件;

　　◎同時(shí)利用多個(gè)幾何圖形對象輕松創(chuàng )建并合并構建復雜圖片;

　　◎利用鼠標進(jìn)行圖形的轉變操作(旋轉、平移或縮放)。

　　圖1、圖2所示，為具體實(shí)例的電磁圖。

　　2)POST-CEM 后處理器。POST-CEM后處理器是利用OSF母題圖形用戶(hù)界面的交互圖形式后處理器。通過(guò)動(dòng)態(tài)有限元模擬軟件，該模塊可生成有限元網(wǎng)格圖及隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖。圖3所示為RCS輻射方向圖。

　　POST-CEM后處理器特點(diǎn)：顯示靜止或動(dòng)態(tài)圖形;提供與界面相聯(lián)系的命令語(yǔ)言，在批處理模式下運行POST-CEM。

　　(6)PAM-CEM/FD 求解器。

　　PAM-CEM/FD求解器主要用于處理電磁兼容和電磁干擾(EMI)問(wèn)題(包括天線(xiàn)輻射的近場(chǎng)以及遠 場(chǎng)輻射)的求解，利用SEMAIL網(wǎng)格剖分器自動(dòng)產(chǎn)生的方塊(sugar-cube) 單元進(jìn)行求解?；跁r(shí)域求解全麥克斯韋爾方程，得到任意復雜金屬結構的電磁場(chǎng)輻射特性，完全符合實(shí)際情況。當面對EMC問(wèn)題時(shí)，PAM-CEM/FD 能夠快速洞察電磁狀況。
PAM-CEM/FD 求解器主要特點(diǎn)是：

　　◎采用三維麥克斯韋爾方程直接求解任意復雜幾何結構;

　　◎完全的時(shí)域分析非常適合在寬頻段上進(jìn)行電磁兼容分析;

　　◎與CRIPTE(線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )分析軟件)完全耦合所需參數的求解;

　　◎線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )上的電場(chǎng)切向量的求解(與CRIPTE 軟件耦合所需參數);

　　◎線(xiàn)纜結構中的感應電流的求解。

　　(7)SEMAIL 網(wǎng)格生成器。

　　SEMAIL是一個(gè)基于高級前沿技術(shù)的自動(dòng)表面和體網(wǎng)格生成器。用于為PAM-CEM/FD求解器創(chuàng )建高質(zhì)量網(wǎng)格。

　　SEMAIL 主要特點(diǎn)如下：

　　◎產(chǎn)生非結構表面三角形單元網(wǎng)格，線(xiàn)性四面體體網(wǎng)格。

　　◎單元尺寸和形狀可以是任意的，通過(guò)背景網(wǎng)格、點(diǎn)、線(xiàn)、面或直接和CAD數據相關(guān)的單元尺寸來(lái)指定;

　　◎縫隙網(wǎng)格生成有效性(無(wú)因電連接的面網(wǎng)格或體網(wǎng)格生成);

　　◎數據規范與標準校準功能;

　　◎輻射電磁場(chǎng)的近場(chǎng)計算功能。

　　實(shí)際應用如圖4~圖6所示。

　　(8)其他工具——CRIPTE。

　　CRIPTE是一個(gè)基于交互模式下的多導體傳輸線(xiàn)(MTL-Multiple Translation Lines)解決模塊，由于可以與PAM-CEM進(jìn)行完全耦合從而得出完整的電磁環(huán)境，該軟件同時(shí)也是PAM-CEMV2009.0 電磁兼容解決方案軟件包的一個(gè)模塊。CTIPTE 軟件包括LAPLACE線(xiàn)纜導線(xiàn)參數計算模塊、CRIPTE 線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )計算分析模塊、C3M耦合PAM-CEM參數分析模塊和RORQUAL特殊電源信號計算分析模塊等。
其特點(diǎn)是：

　　◎可以與PAM-CEM進(jìn)行完全耦合，與3D模型進(jìn)行整體仿真分析以得出精確結果;

　　◎線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )的直觀(guān)定義;

　　◎提供導線(xiàn)的所有必要特征(導線(xiàn)絕緣參數、屏蔽線(xiàn)纜參數和子網(wǎng)絡(luò )對外等效S參數);

　　◎整套線(xiàn)纜信號完整性分析;

　　◎帶有專(zhuān)門(mén)用于線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )的輸出和后處理功能，便于觀(guān)察結果。

　　具體應用如圖 7~ 圖10所示。

　　四、軟硬件平臺支持

　　PAM-CEMV2010.0電磁兼容解決方案軟件包包括幾種電磁求解產(chǎn)品，PAM-CEM/FD求解時(shí)域電磁問(wèn)題;CRIPTE求解線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )的傳導現象;PAM-CEM/HF求解高頻電大問(wèn)題。由于這些模塊不僅可以進(jìn)行獨立求解應用，還可以進(jìn)行完全耦合應用，下表為PAM-CEM的模塊所適用的操作平臺。

　　硬件支持：512MB RAM(推薦使用1GB以上);桌面分辨率至少設置為1280×1024;安裝目錄下至少480MB空閑空間;3鍵鼠標(中鍵用來(lái)進(jìn)行 選擇旋轉、確定等操作)。