舱室内HIRF场强快速仿真与校验测量研究

高伟， 梁子长， 高鹏程

（电磁散射重点实验室，上海 200438）

舱室内HIRF场强快速仿真与校验测量研究

高伟， 梁子长， 高鹏程

（电磁散射重点实验室，上海 200438）

研究实现了基于子域连接的迭代加速方法，用于舱室内场强分布仿真计算。针对某缩比舱室模型，开展了不同频率下的场强校验测量。测量结果与本文方法仿真结果间差异小于3.1 dB，验证了本方法的正确性，说明这是一种预估电大尺寸舱室高强度辐射场（HIRF）场强的有效途径。

HIRF；仿真；测量

0 引言

现代电磁环境十分复杂，既有自然电磁干扰源，如雷电、静电等，又有强烈的人为干扰源，如雷达、无线电通信、导航、计算机以及与之对抗的电子战设备、新概念电磁武器等，其中高强度辐射场（HIRF）效应是其中主要的人为干扰之一。而航空航天器的电子设备具有高度集成性、精确性和复杂性等特点，且难以避免在上述复杂的电磁环境中工作。HIRF效应研究对民航客机、火箭及卫星等航空航天器的研制具有十分重要的意义。

但航空航天器的HIRF效应建模仿真问题十分复杂，既要考虑航空航天器壳体外部的电磁波反射、绕射等作用，还需考虑其舱室内部的电磁波传播、多次反射等过程。同时，由于要求的HIRF效应分析频率高达40 GHz，其仿真计算规模通常较大，如对民航客机机舱的高频段HIRF效应分析问题，其电尺寸可达几千波长，电大尺寸舱室内HIRF效应场强分布问题是目前的研究热点。

捷克Brno工程大学采用时域有限差分法（FDTD）、时域有限积分（FIT）法等时域算法开展了1 GHz频率下复杂材料飞机目标的HIRF场分布仿真[1]。意大利研究人员也利用改进的矩量法（MoM）开展了飞机舱室的10 k Hz～1 GHz低频段范围内HIRF仿真分析[2]。

美国亚利桑那州立大学开展了低频段下缩比机身模型内搅拌器的性能仿真分析[3]。意大利罗马电子与电力工程大学等，也开展了混响室内搅拌器的性能测量与仿真对比分析[4]。

欧洲各国联合开展的航空航天器HIRF-SE项目中，采用MoM，多层区域差分（Multilevel Domain Differentiated，MDD）等全波算法开展了低频段的HIRF仿真分析研究[5]。而对高于3 GHz的高频段HIRF效应问题，则将其分解为舱室外部问题及舱室内部问题，并分别采用渐近方法及能量平衡（Power Balance，PWB）等方法进行求解[6]。

本文以电磁流迭代方法为基础，研究了基于子域连接的迭代加速方法，实现了电大尺寸舱室的HIRF效应场分布的快速预估。为验证本文方法的有效性，还制作了缩比舱室模型，开展了仿真方法的校验测量，对比了不同频率下仿真与测量的场强均值。

1 基于子域连接的迭代方法

在电磁流迭代方法基础上[7]，根据舱室形状及窗口位置等几何结构特征，将舱室划分为若干子区域，并在相邻子区域间设置虚拟连接口面，如图1所示。为实现迭代加速，舱室子域划分需考虑虚拟连接口面面积与舱室壁面积比值，一般要求该比值小于0.5。

图1 舱室子域划分示意图

当舱室分为多个连续子区域舱段时，整个舱室的单次迭代计算包含正反向两个迭代过程。正向迭代过程为根据式（1）～（3），按各子区域连接顺序依次计算各子区域内电磁波的传播与反射。反向迭代过程为按反顺序依次，计算各子区域内电磁波的传播与反射。

2 舱室内场强仿真

采用上述仿真方法，对如图2所示的舱室模型进行HIRF效应场强仿真，该舱室模型尺寸为2 m×1 m×1 m，观测天线处于正侧面，距离舱室6.33 m。为提高仿真精度，可通过电磁仿真计算获取观测天线的方向图和增益。

图3给出了3 GHz与9 GHz下仿真计算的舱室内某观测面（取距离舱室底面高度为0.7 m的平面）的场强分布结果。由图3可知，随着频率的增加，舱室内不同反射波间干涉波纹尺度变小，且最大场强值增加。

图2 舱室模型HIRF效应场强仿真场景

图3 舱室内场强仿真结果

3 测量校验研究

为验证上述仿真方法，本文制作了缩比舱室模型，其尺寸及窗口位置等与图1仿真模型一致，如图4所示。舱室内场强校验测量系统主要由高强辐射场模拟信号源、高频场强辐射发射天线、探头、辐射场强校准设备和场强测量设备等组成。

根据测试系统组件的参数与性能，接收天线功率与该点处的场强值之间的关系为

图4 校验用舱室模型

式中：E表示接收场强，单位为dB·V/m；V表示接收电压，单位为dB；AF表示接收天线因子；D表示电缆衰减，单位为dB。

根据系统发射功率、天线增益等参数，对测试数据进行了绝对定标，表1给出了不同频率下舱室内HIRF场强仿真与测量结果比较，两者间最大差异约为3 d B。

表1 不同频率下舱室内场强均值的测试与仿真结果比较

4 结论

本文基于电磁流迭代方法，提出了基于子域连接的加速方法，实现了电大尺寸舱室的HIRF效应场分布的快速预估。制作了缩比舱室模型，开展了仿真方法的校验测量，对比了3 GHz～9 GHz范围内仿真与测量场强结果，两者间差异小于3.1 dB。本文方法可为电大尺寸舱室HIRF效应场强的快速预估提供有效途径。

[1] Zdenek Reznicek，Zbynek Raida，Jana Jilkova. Analyzing Small Aircraft Model with Homogeneous Composite Material Substitutes on HIRF[C].2009 International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC Europe，2009.

[2] M.Bandinelli，R.Guidi，M.Bercigli，etc.Advanced MoM Techniques Integrated into a Single Code to Manage Complex HIRF Environments[C].International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：1117-1120.

[3] T.Panaretos，C.A.Balanis，C.R.Birtcher. HIRF Penetration into Simplified Fuselage Using a Reverberation Chamber Approach[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2005，47（3）.

[4] D.A.Lampasi，M.S.Sarto.Shielding Effectiveness of a Thick Multilayered Panel in a Reverberating Environment[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2011，53（3）.

[5] M.A.Francavilla，F.Vipiana，S.Arianos，etc. Multilevel Domain Differentiated Analysis of Large Multi-Scale Structures inside the HIRF-SE Framework[C].International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：944-946.

[6] I.Junqua，J-P.Parmantier，M.Ridel.Modeling of High Frequency Coupling inside Oversized Structures by Asymptotic and PWB Methods[C]. International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：68-71.

[7] 梁子长，王晓冰，岳慧.超低空目标与粗糙面复合散射的迭代计算[J].制导与引信，2009，30（2）：30-33.

Fast Simulation of HIRF Effects in Aircraft Cabin and Measurement Research

GAO Wei， LIANG Zi-chang， GAO Peng-cheng
（Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory，Shanghai 200438，China）

The objective is to develop iterative algorithm based on subdomains connect to rapidly obtain the distribution of field intensity in aircraft cabin.The developed approach is validated by comparison with measurements performed at various frequencies on a given cabin model.The difference between the measurement and simulation result is smaller than 3.1 dB.It is demonstrated that the proposed method can be utilized to accurately predict the high intensity radiated fields（HIRF）effects in electrically large aircraft cabin.

high radiation field（HIRF）；simulation；measurement

TN958

A

1671-0576（2014）03-0038-04

2014-06-16

高 伟（1986-），男，硕士，工程师，主要从事电磁环境效应以及目标与环境电磁散射特性研究。