无人机电磁仿真系统设计解决方案
[键入文档副标题]
2016/1/25
1
目录
无人机电磁仿真系统设计解决方案 ................................................................................... 4 1. 无人机的现状与未来发展 ........................................................................................ 4 1.1 1.2 1.2. 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 4.1. 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 6.1 7.
工程仿真的重要角色 ............................................................................................ 6 电磁、结构、流体的多物理场仿真 .................................................................... 6 机载雷达同无人机的一体化设计仿真 .............................................................. 10 整机电磁兼容设计 .................................................................................................. 12 整机天线布局设计 .................................................................................................. 12 整机天线布局仿真需求 ...................................................................................... 12 ANSYS针对整机天线布局的功能特点 ............................................................... 12 整机天线布局仿真实例 ...................................................................................... 13 系统级射频干扰仿真平台EMIT............................................................................. 15 多系统共址的射频干扰冗余度计算 .................................................................. 16 机载射频系统设计 .................................................................................................. 19 综合射频系统仿真 .............................................................................................. 20 雷达系统仿真 ...................................................................................................... 21 通信系统仿真 ...................................................................................................... 22 无人机的隐身设计 .................................................................................................. 23 复杂飞行器的外形隐身设计与RCS仿真 .......................................................... 24 介质涂覆材料的隐身设计及仿真 ...................................................................... 24 复合材料的隐身特性仿真 .................................................................................. 25 天线（阵）的RCS仿真 ...................................................................................... 25 天线罩的RCS仿真 .............................................................................................. 27 FSS与天线罩的RCS计算 ................................................................................... 27 缩减RCS设计与超宽带RCS ............................................................................... 28 雷电防护 .................................................................................................................. 29 雷电防护技术背景 .............................................................................................. 29 雷电防护仿真需求 .............................................................................................. 29 雷电防护仿真实例 .............................................................................................. 30 多物理场耦合分析仿真实例 .................................................................................. 34
ANSYS 电磁仿真软件简介 ............................................................................................. 38
2
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9
ANSYS HFSS 高频三维电磁场分析软件 ................................................................ 38 ANSYS Q3D Extractor 三维模型寄生参数抽取软件 ............................................ 39 Ansoft Designer 电路 ? 系统 ? 电磁场综合设计环境 ................................ 39 EMIT系统级射频干扰仿真平台 ............................................................................. 40 ANSYS SIwave应用于 PCB 板、BGA 封装的SI、PI、EMI 分析软件 ................ 41 ANSYS Maxwell 二维/ 三维电磁场分析软件 ................................................... 43 ANSYS Simplorer 用于机电系统的电路和系统仿真工具 ............................... 43 ANSYS RMxprt 旋转电机设计专家 .................................................................... 44 ANSYS PExprt变压器，电感辅助设计工具 ........................................................... 44
7.10 ANSYS Optimetrics ................................................................................................... 45 7.11 DesignXplorer 多目标优化工具 ............................................................................. 45 7.12 HPC Option 高性能计算选项 ................................................................................. 46 7.13 ECAD Translators ( AnsoftLinks ) .............................................................................. 46 7.14 MCAD Translators ( AnsoftLinks ) ............................................................................. 48
3
无人机电磁仿真系统设计解决方案
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，内装一台涡扇发动机。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
4
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，武器系统采用内挂设计，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、覆盖范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
5