專利名稱：一種飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁兼容設(shè)計領(lǐng)域，更特別地說，是指一種適用于飛機設(shè)計過程中， 采用行為級仿真方法對飛機整機進行系統(tǒng)級電磁兼容的數(shù)字化模型系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的飛機電磁兼容設(shè)計方法中由飛機總體設(shè)計單位依據(jù)整機性能要求對通訊、 導航等機載電子設(shè)備提出性能指標要求，在機載電子設(shè)備的研制或生產(chǎn)過程中，主要 考慮功能性要求來實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)，對機載電子設(shè)備間的電磁兼容相互關(guān)聯(lián)關(guān)系考慮不
充分；當機載電子設(shè)備研制完成，進行飛機系統(tǒng)集成和總體聯(lián)調(diào)時電磁兼容問題才充 分暴露，使機載電子設(shè)備不能正常工作或性能降級、損壞。嚴重影響飛機設(shè)計進程， 甚至導致飛機設(shè)計失敗。
在電磁兼容設(shè)計中，將機載電子設(shè)備分為電磁干擾發(fā)射設(shè)備(輻射源)和電磁干 擾敏感設(shè)備(敏感源)兩類。輻射源與敏感源之間的耦合通道稱為耦合路徑。
傳統(tǒng)的飛機電磁兼容設(shè)計中，沒有對飛機整機電磁兼容進行科學的系統(tǒng)級設(shè)計的 主要原因有(一)沒有建立起各機載電子設(shè)備之間電磁干擾關(guān)聯(lián)關(guān)系。(二)由于飛 機上機載電子設(shè)備數(shù)量繁多，電路功能結(jié)構(gòu)復雜，釆用傳統(tǒng)基于電路電子器件的仿真 方法，工作量巨大，無法滿足整機電磁兼容設(shè)計的仿真需要。
因此，尋找一種既能從系統(tǒng)級層面準確地描述飛機機載電子設(shè)備之間電磁干擾關(guān) 聯(lián)關(guān)系，又能對機載電子設(shè)備進行快速數(shù)字化建模的系統(tǒng)，為飛機在設(shè)計階段提供信 息參考。
發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)飛機電磁兼容設(shè)計的過程中，難以對飛機整機進行系統(tǒng)級電磁兼 容設(shè)計的問題，提出了一種采用行為級仿真的方法，應用"灰盒"理論，從系統(tǒng)級角 度，關(guān)注機載電子設(shè)備的特征參量，忽略各具體電路細節(jié)，對飛機機載電子設(shè)備進行 數(shù)字化建模仿真，從而構(gòu)建飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)。本發(fā)明飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)，采用行為級仿真的處理步驟有 步驟一建立飛機參數(shù)化曲面模型
將飛機工程設(shè)計CATIA模型導入HFSS軟件中，獲得飛機參數(shù)化曲面模型； 步驟二機載設(shè)備的位置分布
在飛機參數(shù)化曲面模型上將機載天線、機載設(shè)備根據(jù)實際位置進行布局； 步驟三機載設(shè)備間的干擾關(guān)聯(lián)
由于輻射源和敏感設(shè)備之間的隔離度具有一^"對應關(guān)系，所以以隔離度/(/)來
構(gòu)建敏感設(shè)備受擾的關(guān)聯(lián)矩陣
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。敏感設(shè)備
受擾關(guān)聯(lián)矩陣的單元的數(shù)學模型為
<formula>formula see original document page 6</formula>
。由電磁兼容理論可知，
/(g,A)滿足電磁兼容性需求的閾值為 <formula>formula see original document page 6</formula> 。
當/ (/)時，發(fā)射設(shè)備天線端口i和接收設(shè)備天線端口 7'之間具有良好
的電磁兼容性，不會發(fā)生電磁兼容問題；當(/)時，發(fā)射設(shè)備天線端口z
和接收設(shè)備天線端口y之間的電磁兼容性較差，可能會發(fā)生電磁兼容問題；這樣通過 對機載電子設(shè)備間天線隔離度/(《,^)的計算就可以得出機載電子設(shè)備電磁干擾關(guān)
聯(lián)矩陣。
步驟四電磁環(huán)境分布
采用HFSS軟件對步驟三獲得的干擾強度進行分析，從而得到飛機內(nèi)部外部電
磁環(huán)境的分布；
步驟五敏感設(shè)備干擾源獲取
采用ADS軟件對步驟三獲得的干擾關(guān)聯(lián)矩陣進行分析，分析出某一敏感設(shè)備的
主要干擾源；利用行為級仿真方法，將敏感設(shè)備主要干擾源等效為特定單元電路，作 為非預期干擾信號與設(shè)計信號一起，作為敏感設(shè)備的輸入信號，通過ADS軟件進行
仿真，觀察其輸出信號的信噪比。本發(fā)明的飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)的優(yōu)點
(1) 首次建立了飛機機載電子設(shè)備相互之間電磁干擾關(guān)聯(lián)關(guān)系并實現(xiàn)了干擾關(guān)聯(lián) 關(guān)系的量化計算。
(2) 基于行為級方法對飛機機載電子設(shè)備建模，建模手段簡單方便，覆蓋頻帶寬。
(3) 采用電路等效模型代替場路耦合模型，避免了大規(guī)模的數(shù)值運算，使得仿真電 磁兼容性速度快。
(4) 將非預期干擾信號等效為系統(tǒng)的特定單元電路，在進行數(shù)字化建模時保證了電 路設(shè)計的一致性。


圖1是本發(fā)明飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)的流程框圖。
圖2是飛機參數(shù)化曲面模型圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本發(fā)明的一種飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)，包括有建立 飛機參數(shù)化曲面模型單元1、機載設(shè)備位置匹配單元2、機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元3、 電磁環(huán)境分布單元4和敏感設(shè)備干擾源獲取單元5;
建立飛機參數(shù)化曲面模型單元1是將飛機工程設(shè)計CATIA模型導入HFSS軟件 中，獲得飛機參數(shù)化曲面模型；
機載設(shè)備位置匹配單元2按照實際位置將機載天線、機載設(shè)備分布在飛機參數(shù) 化曲面模型上；
機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元3用于解析出分布在飛機參數(shù)化曲面模型上的機載天 線、機載設(shè)備產(chǎn)生的干擾強度；
電磁環(huán)境分布單元4根據(jù)機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元3輸出干擾強度進行優(yōu)化布 局機載天線、機載設(shè)備在飛機參數(shù)化曲面模型上的裝配位置；
敏感設(shè)備干擾源獲取單元5根據(jù)機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元3輸出干擾強度用于 將非預期干擾信號與設(shè)計信號同作為敏感設(shè)備的輸入信號，通過ADS軟件進行仿真， 觀察其輸出信號的信噪比。本發(fā)明電磁兼容系統(tǒng)是在一公知計算機內(nèi)安裝上ADS軟件(2005A版本)、 HFSS軟件，其中通過該ADS軟件建立了機載設(shè)備的行為級電路模型(簡稱電路行 為模型)，通過HFSS軟件建立飛機參數(shù)化曲面模型(如圖2所示)。所述公知計算 機的最低配置為主頻1.13G/fe、 512MB內(nèi)存、硬盤10G5，操作系統(tǒng)為Windows 2000/2003/XP。
本發(fā)明的一種飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)采用行為級仿真的方法，應用 "灰盒"理論，從系統(tǒng)級角度，關(guān)注機載龜子設(shè)備的特征參量，忽略各具體電路細節(jié)， 對飛機機載電子設(shè)備進行數(shù)字化建模仿真，從而構(gòu)建飛機整機電磁兼容數(shù)字化t莫型系 統(tǒng)。行為級仿真的處理步驟有
步驟一建立飛機參數(shù)化曲面模型
將飛機工程設(shè)計CATIA模型導入HFSS軟件中，獲得飛機參數(shù)化曲面模型。該 飛機參數(shù)'化曲面模型如圖2所示，圖中，天線A、天線B的位置分布可以在飛機表 面產(chǎn)生相應的電磁分布。在飛機的電磁兼容設(shè)計中，該天線是用于發(fā)射和接收電磁干 擾的主要端口，天線既可作為電磁干擾的發(fā)射源，也是敏感設(shè)備受到電磁干擾的接收 端口 。通過確定天線在機身的位置也就確定了飛機外部電磁場的分布情況。
步驟二機載設(shè)備的位置分布
在飛機參數(shù)化曲面模型上將機載天線、機載設(shè)備根據(jù)實際位置進行布局。在本發(fā) 明中，實際位置是指機載天線、機載設(shè)備在需要設(shè)計的飛機上具體分布的位置。也是 指飛機在開始設(shè)計階段時，設(shè)計者預想的位置，通過本發(fā)明的模型處理后，來優(yōu)化機 載天線、機載設(shè)備應當安裝的位置。
步驟三機載設(shè)備間的干擾關(guān)聯(lián)
由于輻射源和敏感設(shè)備之間的隔離度具有一一對應關(guān)系，所以本發(fā)明以隔離度 /(/)來構(gòu)建敏感設(shè)備受擾的關(guān)聯(lián)矩陣
/(W(五,2),. /(WCE2i 2),
/(￡ ^2)，式中，/(/)表示在工作頻率/下的發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備間的隔離度，《表示第一 個發(fā)射設(shè)備，A表示第二個發(fā)射設(shè)備，五M表示第M—個發(fā)射設(shè)備，A表示第一個接
收設(shè)備，A表示第二個接收設(shè)備，^表示第丄一個接收設(shè)備，/(g，《)表示第一個發(fā) 射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之間的隔離度，/(g,i 2)表示第一個發(fā)射設(shè)備與第二個接收 設(shè)備之間的隔離度，/(A,0表示第一個發(fā)射設(shè)備與第丄個接收設(shè)備之間的隔離虔，
/ ( ￡2 ,《)表示第二個發(fā)射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之間的隔離度，/ (五2 ,及2 )表示第二個
發(fā)射設(shè)備與第二個接收設(shè)備之間的隔離度，/(五2,a)表示第二個發(fā)射設(shè)備與第丄個接
收設(shè)備之間的隔離度，/(五^iO表示第M個發(fā)射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之間的隔離 度，/(&,a)表示第M個發(fā)射設(shè)備與第二個接收設(shè)備之間的隔離度，/(&,a)表示
第M個發(fā)射設(shè)備與第Z個接收設(shè)備之間的隔離度。在本發(fā)明中，發(fā)射設(shè)備為輻射源， 而接收設(shè)備為敏感設(shè)備，從輻射源至敏感設(shè)備之間的路徑會產(chǎn)生電磁干擾。
在實際工程計算中，機載敏感電子設(shè)備的接收天線通常處于機載輻射源電子設(shè)備 發(fā)射天線的近場區(qū)。因此，可將收發(fā)天線等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，則可推出敏感設(shè)備受擾 關(guān)聯(lián)矩陣的單元的數(shù)學+莫型為
/〖JTi 、卜隨2 ,、
/(A,A)表示任意一個發(fā)射設(shè)備g與任意一個接收設(shè)備A間的隔離度，/表示
工作頻率，Su表示在標準阻抗條件下的功率反射系數(shù)，^2表示在標準阻抗條件下的
功率傳輸系數(shù)。
由電磁兼容理論可知，/(g,A)滿足電磁兼容性需求的閾值為
(3)
式中，《表示發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率，4^/)表示發(fā)射機在分析頻點的發(fā)，減量， 是頻率的函數(shù)，；(/)表示接收機在接收頻點的接收抑制量，是頻率的函數(shù)，~表示 發(fā)射饋線損耗，指發(fā)射機輸出端口到發(fā)射天線輸入端口間饋線的傳輸損耗，^表示接
收饋線損耗，指接收天線輸出端口到接收機輸入端口間饋線的傳輸損耗，^y表示敏感
設(shè)備7要求的安全裕度，^表示敏感設(shè)備y的設(shè)計靈敏度，
表示敏感設(shè)備正常工
作所需的信噪比，s為有用信號的功率密度函數(shù)，iv為噪聲信號的功率密度函數(shù)。當/(￡,，及;)>/ (/)時，發(fā)射設(shè)備天線端口i和接收設(shè)備天線端口 7之間具有良好 的電磁兼容性，不會發(fā)生電磁兼容問題。
當/(￡,,^)^/ (/)時，發(fā)射設(shè)備天線端口/和接收設(shè)備天線端口y之間的電磁兼
容性較差，可能會發(fā)生電磁兼容問題。
這樣通過對機載電子設(shè)備間天線隔離度/ (g, i 》的計算就可以得出機載電子設(shè)
備電磁干擾關(guān)聯(lián)矩陣公式(i)。
步驟四電磁環(huán)境分布
采用HFSS軟件對步驟三獲得的干擾強度進行分析，從而得到飛機內(nèi)部外部電 磁環(huán)境的分布。
在本發(fā)明中，對于飛機設(shè)計者來說，可以根據(jù)步驟二的結(jié)果，利用HFSS軟件 仿真得到機艙內(nèi)外電磁環(huán)境的分布，分析出機艙內(nèi)外的主要干擾源，從而對各電子設(shè) 備布局進行優(yōu)化，防止電子設(shè)備不兼容發(fā)生。
步驟五敏感設(shè)備干擾源獲取
采用ADS (Advanced Design System)軟件對步驟三獲得的干擾關(guān)聯(lián)矩陣進 行分析，可以分析出某一敏感設(shè)備的主要干擾源。利用行為級仿真方法，將敏感設(shè)備 主要干擾源等效為特定單元電路，作為非預期干擾信號與設(shè)計信號一起，作為敏感設(shè) 備的輸入信號，通過ADS軟件進行仿真，觀察其輸出信號的信噪比。若此輸出信號
信噪比滿足設(shè)計指標要求，則認為該設(shè)備對發(fā)出非預期干擾信號的設(shè)備具有較好的電 磁兼容性；若此輸出信號信噪比不滿足設(shè)計指標要求，則認為該設(shè)備對發(fā)出非預期干 擾信號的設(shè)備不兼容。發(fā)生不兼容現(xiàn)象時，可先在ADS構(gòu)建的數(shù)字飛機模型上，對 發(fā)射和接收設(shè)備釆取屏蔽、濾波、接地等電磁兼容整改措施，再利用數(shù)字飛機模型進 行行為級仿真，觀察其輸出信號信噪比，直至輸出信號信噪比滿足設(shè)計指標要求，實 現(xiàn)飛機整機電磁兼容預設(shè)計。
本發(fā)明利用行為級仿真方法為實現(xiàn)飛機整機系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計提供了一種切 實可行的實施手段。行為級仿真借助于"灰盒"的概念，從系統(tǒng)級角度出發(fā)，專注于 設(shè)備的特征參量(如輸入輸出參量)，忽略其具體電路細節(jié)，具有建模簡單方便， 仿真速度快，覆蓋頻帶寬等特點，使建立使用有效的飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型成 為可能。
權(quán)利要求
1、一種飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)，其特征在于包括有建立飛機參數(shù)化曲面模型單元(1)、機載設(shè)備位置匹配單元(2)、機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元(3)、電磁環(huán)境分布單元(4)和敏感設(shè)備干擾源獲取單元(5)；建立飛機參數(shù)化曲面模型單元(1)是將飛機工程設(shè)計CATIA模型導入HFSS軟件中，獲得飛機參數(shù)化曲面模型；機載設(shè)備位置匹配單元(2)按照實際位置將機載天線、機載設(shè)備分布在飛機參數(shù)化曲面模型上；機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元(3)用于解析出分布在飛機參數(shù)化曲面模型上的機載天線、機載設(shè)備產(chǎn)生的干擾強度；電磁環(huán)境分布單元(4)根據(jù)機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元(3)輸出干擾強度進行優(yōu)化布局機載天線、機載設(shè)備在飛機參數(shù)化曲面模型上的裝配位置；敏感設(shè)備干擾源獲取單元(5)根據(jù)機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元(3)輸出干擾強度用于將非預期干擾信號與設(shè)計信號同作為敏感設(shè)備的輸入信號，通過ADS軟件進行仿真，觀察其輸出信號的信噪比。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)，其特征在于采用行 為級仿真的處理步驟有步驟一建立飛機參數(shù)化曲面模型將飛機工程設(shè)計CATIA模型導入HFSS軟件中，獲得飛機參數(shù)化曲面模型； 步驟二機載設(shè)備的位置分布在飛機參數(shù)化曲面模型上將機載天線、機載設(shè)備根據(jù)實際位置進行布局； 步驟三機載設(shè)備間的干擾關(guān)聯(lián)由于輻射源和敏感設(shè)備之間的隔離度具有一一對應關(guān)系，所以以隔離度/(/)來 構(gòu)建敏感設(shè)備受擾的關(guān)聯(lián)矩陣<formula>formula see original document page 2</formula>(1)式中，/(/)表示在工作頻率/下的發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備間的隔離度，A表示第一個發(fā)射設(shè)備，A表示第二個發(fā)射設(shè)備，五M表示第M—個發(fā)射設(shè)備，《表示第一個接收設(shè)備，i 2表示第二個接收設(shè)備，A表示第丄一個接收設(shè)備，/(《,/0表示第 一個發(fā)射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之間的隔離度，/(A,i 2)表示第一個發(fā)射設(shè)備與第二 個接收設(shè)備之間的隔離度，/ (A , & )表示第一個發(fā)射設(shè)備與第Z個接收設(shè)備之間的隔 離度，/(￡2,《)表示第二個發(fā)射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之間的隔離度，/(￡2,及。表示第二個發(fā)射設(shè)備與第二個接收設(shè)備之間的隔離度，/ (A , & )表示第二個發(fā)射設(shè)備與 第Z個接收設(shè)備之間的隔離度，/ (￡M , A )表示第M個發(fā)射設(shè)備與第一個接收設(shè)備之 間的隔離度，/(^oA)表示第^個發(fā)射設(shè)備與第二個接收設(shè)備之間的隔離度，'/ (￡M, &)表示第M個發(fā)射設(shè)備與第丄個接收設(shè)備之間的隔離度； 敏感設(shè)備受擾關(guān)聯(lián)矩陣的單元的數(shù)學模型為<formula>formula see original document page 3</formula> (2) /(g,i 》表示任意一個發(fā)射設(shè)備g與任意一個接收設(shè)備&間的隔離度，/表示工作頻率，Sn表示在標準阻抗條件下的功率反射系數(shù)，512表示在標準阻抗條件下的功率傳輸系數(shù)；由電磁兼容理論可知，/(g,&)滿足電磁兼容性需求的閾值為<formula>formula see original document page 3</formula> (3)示敏感設(shè)備/要求的安全裕度，^表示敏感設(shè)備/的設(shè)計靈敏度,表示敏感設(shè)式中，f表示發(fā)射設(shè)備的發(fā)射功率，A。(/)表示發(fā)射機在分析頻點的發(fā)射衰減 量，是頻率的函數(shù)，A。(/)表示接收機在接收頻點的接收抑制量，是頻率的函數(shù)，~表示發(fā)射饋線損耗,指發(fā)射機輸出端口到發(fā)射天線輸入端口間饋線的傳輸損耗，z-表 示接收饋線損耗，指接收天線輸出端口到接收機輸入端口間饋線的傳輸損耗，s^表又備正常工作所需的信噪比，s為有用信號的功率密度函數(shù)，iV為噪聲信號的功率密度 函數(shù)；當/ (/)時，發(fā)射設(shè)備天線端口i和接收設(shè)備天線端口y之間具有良好的電磁兼容性，不會發(fā)生電磁兼容問題；當時，發(fā)射設(shè)備天線端口 z'和接收設(shè)備天線端口 y'之間的電磁兼容性較差，可能會發(fā)生電磁兼容問題；這樣通過對機載電子設(shè)備間天線隔離度/ (A, &)的計算就可以得出機載電子設(shè)備電磁干擾關(guān)聯(lián)矩陣公式(1);步驟四電磁環(huán)境分布采用HFSS軟件對步驟三獲得的干擾強度進行分析，從而得到飛機內(nèi)部外部電 磁環(huán)境的分布；步驟五敏感設(shè)備干擾源獲取釆用ADS軟件對步驟三獲得的干擾關(guān)聯(lián)矩陣進行分析，分析出某一敏感設(shè)備的 主要干擾源；利用行為級仿真方法，將敏感設(shè)備主要干擾源等效為特定單元電路，作 為非預期干擾信號與設(shè)計信號一起，作為敏感設(shè)備的輸入信號，通過ADS軟件進行 仿真，觀察其輸出信號的信噪比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)，包括有建立飛機參數(shù)化曲面模型單元(1)、機載設(shè)備位置匹配單元(2)、機載設(shè)備間干擾關(guān)聯(lián)單元(3)、電磁環(huán)境分布單元(4)和敏感設(shè)備干擾源獲取單元(5)。本發(fā)明一種采用行為級仿真的方法，應用“灰盒”理論，從系統(tǒng)級角度，關(guān)注機載電子設(shè)備的特征參量，忽略各具體電路細節(jié)，對飛機機載電子設(shè)備進行數(shù)字化建模仿真，從而構(gòu)建飛機整機電磁兼容數(shù)字化模型系統(tǒng)。
文檔編號G06F17/50GK101436221SQ20081022788
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者吳龍剛, 偉 孫, 意 廖, 飛 戴, 蘇東林, 陳文青 申請人:北京航空航天大學