基于CST的金属腔体电磁环境仿真分析

瞿丹，陈瑜，樊友文



基于CST的金属腔体电磁环境仿真分析

瞿丹1，陈瑜2，樊友文1

（1. 武汉第二船舶设计研究院，武汉 430064；2. 海军驻第二船舶设计研究院军事代表室，武汉 430064）

本文将CST电磁仿真软件应用于金属腔体电磁兼容问题的研究中，利用该软件构建物理模型，并对金属腔体内的电磁环境进行仿真计算。仿真结果与理论计算、实测数据吻合较好，为金属腔体电磁环境的预测和评估提供了有效的依据，可以作为相关工程应用参考。

发射源 电磁环境 CST仿真

0 引言

随着新型船舶综合性能和作战能力的提高，武器装备的现代化电子、电气设备数量增加，造成了船舶的电磁环境异常恶劣[1]。船舶内空间有限，电缆众多，密集分布了各种大功率发射设备，这些发射源可能会通过空间辐射、电网传导以及电缆耦合的方式对高灵敏度接收设备产生电磁干扰，从而产生设备、系统间的电磁兼容问题[2]。

目前解决金属腔体电磁兼容问题的方法主要有理论计算、电磁兼容测试、电磁仿真技术等。理论计算是运用电磁场基本理论，采用电磁计算方法的数值算法包括矩量法、时域有限差分法、有限元法、几何绕射理论等精确求解电磁辐射或散射问题，这种方法适合一些简单或比较经典的问题，因此具有很大的局限性[3]。电磁兼容测试是以相关标准为依据，检测各设备、系统之间的电磁兼容性，通过这种方法能够获取精确的电磁环境数据，但是成本高，需要投入大量的人力和物力[4]。电磁仿真技术是采用计算机技术和现代电磁学方法实现电磁兼容仿真，是近年来开展船舶电磁兼容问题研究的重要手段和方法[5]。

1 电磁仿真技术

电磁仿真技术兴起于上世纪九十年代，在船舶应用领域，以美国海军海上系统司令部与海军指挥、控制和海洋监测中心试制部以及洛克威尔国际构思联合开发研制的船舶电磁设计平台——“Ship EDF”（Ship Electromagnetic Design Frame）是目前具有代表性的数学仿真系统[6]。继美国之后，俄罗斯、德国、英国、法国、南非等也开展了这方面的研究工作，并开发了电磁仿真的商业软件，其中主要有南非EMSS公司的FEKO、EMC专用的EMC Studio，以及德国Computer Simulation Technology公司的CST.

CST软件拥有时域有限积分法、有限元法、矩量法和多层快速多极子法等多种数值算法，包括微波工作室、电缆工作室、MS工作室等8个工作室，能够有效的仿真电场、磁场、电缆耦合电流、机柜辐射等电磁环境参数，从而适用于解决电磁兼容问题[7]。

本文首次将CST电磁仿真软件应用于金属腔体电磁兼容问题的研究中，在该软件环境下建立典型金属腔体的物理模型，并构建射频发射源、带孔缝机柜、以及电缆等干扰要素和途径，采用场路结合的方法对电磁环境进行了仿真计算，仿真结果与理论计算、实测数据基本符合。在实际工程应用中，利用该方法将有助于全面掌握金属腔体内的电磁兼容环境，及早发现总体电磁兼容设计的薄弱环节，解决传统设计方法带来的“过设计”和“欠设计”问题。

2 物理建模

物理模型是电磁兼容仿真分析的基础，为使计算网格下降，减小计算量，建模过程需要对设备或系统的几何结构尺寸及特征进行简化和等效处理，因此本文以一种简单模型模拟典型的金属腔体电磁环境，包括金属腔体、干扰发射源、电缆、机箱等干扰要素和耦合途径。如图1所示是在CST微波工作室中进行建模得到的金属腔体的物理模型。

干扰发射源一般是无意发射源，是电气、电子设备工作时产生的伴随电磁辐射干扰。在电磁仿真中需要将这种潜在的辐射干扰特性提取出来，建立准确的辐射模型。许多情况下没有真实的源模型，而是采用理想的源，如点源、平面波等，本文采用射频点发射源S1、S2来模拟干扰源。

耦合途径是产生电磁干扰问题的必要条件之一，本文的模型中耦合途径主要有电磁辐射和电缆耦合两种方式，电磁辐射是通过两个发射源S1、S2向金属腔体空间辐射电磁波，电缆耦合是两条电缆1和2之间的耦合干扰，整个金属腔体的电磁环境是由发射源、电缆、机箱等产生的综合效应的结果。

图1中，以左下角的顶点作为原点O建立整个金属腔体模型，金属腔体的尺寸为556 cm×628 cm×350 cm；机箱位于金属腔体内正后方，其中心点坐标为（278，523，125），尺寸为70 cm×45 cm×23 cm，壳体厚度为1 mm，具有孔缝结构，孔分别位于两端面中心处，孔径3cm，缝隙位于箱体上表面，宽度0.5 cm，其内部细节图如图2所示；发射源S1和S2为有意发射干扰源，S1位于机箱外部正前方150 cm处，S2位于机箱内部中心处，两发射源以点源方式辐射电磁波，发射频率均为13.56 MHz，功率均为1W；金属腔体内敷设两束电缆1和2，均为两芯平行电缆，单芯截面为1平方毫米，两电缆平行部分同位于金属腔体XY平面内，高度为80 cm，间距为5 cm，与金属腔体ZY平面的距离为50 cm，与金属腔体XZ平面的距离为450 cm，其中电缆1终端穿过机箱内部，与发射源S2靠近，电缆2终端与金属腔体地面接触，电缆的横切面如图3所示。

图1 金属腔体场景模拟

图2 机箱内部细节图

3 仿真分析

3.1 理论计算

对于全封闭金属腔体（内尺寸6.28 m×5.56 m×3.5 m），由矩形谐振腔谐振频率计算公式[8]

其中：m、n、l分别表示场量沿坐标轴变化的半个正弦波的数量；a、b、d分别代表金属腔体的各边长。

可以通过公式得到金属腔体本身的最低谐振频率为

其他低于100 MHz的谐振频率为

101»48.4 MHz111»55.3 MHz

011»50.2 MHz211»70.9 MHz

221»82.7 MHz121»72.3 MHz

102»64.3 MHz120»58.5 MHz

112»69.7 MHz311»85.9 MHz

310»74.7 MHz220»70.1 MHz

130»83.7 MHz131»94 MHz

……

3.2 仿真结果

在CST设计工作室构建电路，电缆1两端均接入50 Ω负载，两端接地；电缆2源端短接，终端接入10 Ω负载，两端接地。设置仿真频段为0～100 M，网络大小为1/70波长，边界条件为open边界（自由空间），利用TLM频域求解器对模型进行场路协同仿真，分别在金属腔体中心处、机箱中心处、机箱前1m处、机柜前方靠近电缆处、金属腔体角落处设置探针。如图4、5所示为金属腔体中心点位置的电磁场仿真结果，图6为电缆1和2感应电流的仿真结果，表1是仿真结果与实测结果的对比（在基波13.56 MHz频点处）。

图4 金属腔体中心点电场

图5 金属腔体中心点磁场

图6 电缆1和2感应电流

表1 仿真结果与实测结果对比

由于发射源S1和S2基波的旁瓣作用，导致金属腔体产生谐振。图4中金属腔体中心点电场仿真得到的谐振频率49.16 M、54.8 M、58 M、64 M、73.26 M、83.56 M、85.9 M与理论计算的谐振频率f101(48.4 M)、f111(55.3 M)、f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f121(72.3 M)、f130(83.7 M)、f311(85.9 M)较为符合；图5中金属腔体中心点磁场仿真得到的谐振频率58.7 M、62.8 M、68.9 M、83 M与理论计算的谐振频率f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f112(69.7 M)、f130(83.7 M)基本符合；表1中在基波（13.56 MHz）频点处的仿真结果与实测结果的误差在6 dB范围内。

以上数据说明仿真结果与理论计算、实测结果具有较好的一致性，从而证明了仿真方法的准确性、有效性及可行性。

4 结语

本文采用CST电磁仿真软件，对金属腔体内电子电气设备、天线、电缆等进行简化，构建电磁模型，通过电路仿真与电磁场仿真相结合的方法得到较为准确和快速的结果。该方法在处理更加复杂的金属腔体电磁兼容问题，尤其是场路结合的系统和总体级问题，具有较大的优势，可为船舶电磁环境的预测和评估提供有效的依据。

[1] 邵开文, 马运义. 舰艇技术与设计概论. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[2] V. Prasad Kodali著. 陈淑凤等译. 工程电磁兼容. 人民邮电出版社, 2006. 10

[3] 雷静, 黄涛. 舰艇舱室复杂环境电磁兼容技术研究[J]. 舰艇电子工程, 2007, (05)

[4] 喻菁, 李晶等. 舰艇电磁环境特性研究[J]. 舰艇科学技术, 2007, (06)

[5] 黄松高等. 舰艇电磁仿真技术现状及发展趋势[J]. 微波学报, 2010. 8

[6] 王峰. 舰艇电磁兼容仿真技术总体结构及验证技术研究. 武汉理工大学, 2006. 4

[7] 张敏等. CST软件教程. 德国CST公司出版, 2011. 5

[8] 沈熙宁. 电磁场与电磁波. 科学出版社, 2006. 2.

Electromagnetic Environment Simulation for the Cabin Based on CST Software

Qu Dan1, Chen Yu2, Fan Youwen1

（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office of Ship Design Institute, Wuhan 430064, China)

TP391.9 TM15

A

1003-4862（2014）10-0066-04

2014-04-08

瞿丹（1986-），女，硕士研究生。研究方向：电磁兼容试验与研究。