机载电子设备屏蔽效能测试与优化

马振洋，左晶，史春蕾，冯嘉诚，刘旭红

1. 中国民航大学 适航学院，天津 300300 2. 中国民航大学 民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300 3. 中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300

航空电磁环境的日益复杂以及航空电子技术的发展，使得机载电子设备更容易受到高强辐射场(High Intensity Radiation Field，HIRF)的影响[1-3]。标准SAE ARP 5583A针对机载电子电气设备HIRF的防护提出了几种方法, 其中最直接有效的方法是设计屏蔽体[4]。屏蔽体既可以实现HIRF防护功能又可以避免设备在工作过程中对周围设备产生干扰。但是屏蔽体上存在各种各样的通风孔阵、线缆端口以及贯通导体等，破坏了设备的整体性从而导致屏蔽效能降低[5]。

目前在腔体屏蔽效能研究方面已有很多学者进行了相关的理论分析、仿真计算以及试验测试等工作。文献[6-7]基于Robinson等效电路模型提出了一种估算混合孔缝箱体屏蔽效能的电磁拓扑理论方法；文献[8]将电磁拓扑理论用于矩形双腔体以及三腔体屏蔽效能的快速计算，推导并获得了相应的广义(Baum-Liu-Tesche，BLT)方程。文献[9-10]利用扩展的传输线法与电磁拓扑理论针对内置电路板对腔体屏蔽效能的影响展开了研究；文献[11]基于BLT方程计算了矩形腔体下任意极化方向、单孔和双孔条件下的屏蔽效能；文献[12] 利用数值仿真方法分析了平面波辐射条件下短贯通导体对屏蔽效能的影响；文献[13-14]运用时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)计算软件分析计算了孔缝形状、数量、大小及排列对电子设备电磁屏蔽效能的影响；文献[15]基于三维仿真软件CST从频域的角度研究了电磁波极化方向以及吸波材料对加强场强效应的影响规律；文献[16]针对隔距较近时的缝隙阵列分析了孔阵数目及孔阵隔距对腔体屏蔽效能的影响，并仿真了损耗项对腔体内谐振频率的抑制效果。文献[17-21]研究了使用嵌套混响室测试小型机箱屏蔽效能的方法。但是以上的研究主要是针对结构较为理想的矩形腔体开展的相关分析，并没有结合具体应用环境和设备结构特点开展屏蔽效能的研究工作。

本文以某飞机型号上的机载通信设备为研究对象(图1)，其中用虚线标记的部分为机体上的孔缝和通风孔阵，搭建了HIRF环境对屏蔽体的屏蔽效能进行测试，利用仿真手段开展了设备屏蔽优化分析研究。本文研究工作可为其他机载电子设备屏蔽体屏蔽效能的测试与优化提供参考意见。

图1 机载通信设备Fig.1 Airborne communication equipment

1 屏蔽效能

屏蔽体性能的好坏可利用屏蔽效能描述和定量分析。电场屏蔽效能SEE与磁场屏蔽效能SEH表示为

(1)

(2)

式中:E0与H0分别为未加屏蔽体时机箱中心点的电场和磁场强度;E1与H1分别为加屏蔽壳时机箱中心点的电场和磁场强度。一般而言，对于近场，电场和磁场的近场波阻抗不相等，电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能也不相等；但是对于远场，电场与磁场是统一的整体，电磁场的波阻抗是一个常数，电场屏蔽效能与磁场屏蔽效能相等[22]。本文着重研究远场条件下的屏蔽效能，因此只分析机载电子设备的电场屏蔽效能即可。

2 屏蔽效能的试验测试

2.1 试验环境与设备

根据RTCA/DO-160G和GJB 5185—2003的测试要求对测试环境进行布置和测试设备进行选择[23-24]。为了保证在测试过程中机载通信设备不会受到除了发射天线以外其他设备的干扰，试验选择在3 μF微波暗室开展，为模拟远场的HIRF辐射场，在测试的过程中距离被测试设备1 m 的范围内未放置其他设备。测试设备的性能选择如表1所示，由于机载通信设备的屏蔽体体积较小，因此选择电场探头测试设备内的电场强度变化情况，电场探头三维尺寸均为32 mm。

表1 测试设备Table 1 Tested equipment

本文利用外置辐射源的方法对机载通信设备进行测试。开展测试之前，针对试验场进行校准，无屏蔽体时某一点的场强测试布置如图2(a)所示，测试点发生变化时重新对测试点进行场校准。开展测试时保持电场探头的位置不变，将机载通信设备屏蔽体放置到测试环境中，有屏蔽体的场强测试现场布置如图2(b)所示。无特殊说明的情况下发射天线选择垂直极化方式，入射方向为入射面1。最后将测试结果代入式(1)中，得到机载通信设备的电场屏蔽效能。由于机载通信设备的工作频率为115～145 MHz，因此在测试与仿真的过程中频率选择100 MHz～1 GHz。

图2 试验现场布置图Fig.2 Test site arrangement

2.2 机载通信设备的三维仿真模型

本节基于CST软件按照1∶1的比例建立了机载通信设备屏蔽体的仿真模型，如图3(a)所示。机载通信设备屏蔽体材料选取理想的金属材料(PEC)，长、宽、高分别为36.5、19.0、18.8 cm，屏蔽体的厚度为0.02 cm，在屏蔽体的各个面设有不同的通风孔阵，其中入射面1的仿真模型如图3(b)所示，方孔边长为0.8 cm。仿真条件的设置与试验设置保持一致。

图3 三维仿真模型Fig.3 3D simulation model

在设备中心线上设置2个三维探头，测试点要与试验中电场探头的位置保持一致。确保能够与试验结果进行对比，分析屏蔽效能随频率的变化趋势，电场探头的位置如图4所示。

图4 不同的电场探头位置Fig.4 Different positions of electric field probe

3 测试结果分析

3.1 不同测试位置

保持入射方向为入射面1不变，利用试验法与仿真计算法分别对测试点1和测试点2处的屏蔽效能进行分析。结果如图5所示：仿真结果比测试结果的屏蔽效能大约高10 dB，且试验结果中谐振频率发生了偏移。由于仿真过程中屏蔽体材料设置的是理想导体，其屏蔽效能大于实际屏蔽体材料的屏蔽效能，并且实际试验的屏蔽体存在壁耗，能够降低谐振频率，抑制谐振。同时，由于试验环境、实际设备内部存在不可拆卸的元件等实际情况与仿真存在细微差别，导致仿真与实际测试结果有一定的差距。但是屏蔽效能随频率f的变化趋势大致相同，说明仿真结果具有一定的指导作用。

图5 不同测试点处的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness at different test points

此外结果表明测试点2的屏蔽效能大于测试点1的屏蔽效能，即测试位置离孔缝越远，其屏蔽效能越大。

3.2 不同入射面

通过观察与分析得到，机载通信设备的各个面上存在不同的通风孔阵和贯通导体。因此，HIRF试验分别从屏蔽体的4个面进行辐射，屏蔽体不同测试面的结构如图6所示。测试点2的屏蔽效能试验测试结果如图7所示：从不同入射面辐射时机载通信设备的屏蔽效能变化趋势是相同的，但是从入射面1和入射面4辐射时测试点的屏蔽效能相对较低，主要是由于入射面1上存在较多通风孔，以及入射面4上存在贯通导体导致机载通信设备的屏蔽效能降低。测试结果确定了设备在不同入射面辐射下的屏蔽效能，证明了入射面1上的通风孔阵与入射面4上的贯通导体是HIRF耦合的主要路径。为机载通信设备屏蔽体的优化提供了方向。

图6 不同入射面的结构Fig.6 Structure of different incident surfaces

图7 不同入射面的屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of different incident surfaces

3.3 不同极化方式

通过改变发射天线的极化方式，分析测试点2 在不同的极化方式下屏蔽体屏蔽效能随频率的变化趋势，入射方向为入射面1。结果如图8所示：垂直极化下测试点2的屏蔽效能大于水平极化下的屏蔽效能。由于屏蔽材料采用复合材料，而复合材料存在各项异性，这种材料特性会对不同极化方式测试的屏蔽效能有较大的影响，因此垂直极化与水平极化下的屏蔽效能存在较大差异。

图8 不同极化方向的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness in different polarization directions

4 屏蔽体的优化仿真分析

4.1 屏蔽体的优化

为了提高机载电子设备的屏蔽效能，针对HIRF耦合路径进行屏蔽体优化。其中低通滤波器作为机载通信设备中的关键部件及距入射面4最近的电路模块，对抑制HIRF耦合有较大的作用。因此选择对屏蔽体上的通风孔阵以及内部的低通滤波器进行优化。

4.1.1 通风孔阵的优化

已有文献研究表明圆形孔阵下腔体的屏蔽效能相对较高[25]，因此对于入射面1上通风孔阵的优化，选择将正方形孔阵修改为圆形孔阵，同时由于小孔尺寸效应[26]选择将单个孔的面积减小而总的孔阵面积(包括非镂空部分的面积)保持不变，将每个边长为8 mm的方孔改为直径为4.5 mm 的圆形孔，修正后通风孔阵模型如图9所示。与方形孔阵相比，圆形孔阵镂空面积大约减少30 mm2，由于通风面积相差不大，因此对通风效果的影响可以接受。

图9 优化后的通风孔阵模型Fig.9 Ventilation hole array model after optimization

4.1.2 低通滤波器的优化

低通滤波器的实物模型如图10所示,长、宽、高分别为15.5、7.4、1.2 cm，屏蔽壳厚度为0.1 cm，模型上设有7个等间距、半径为0.2 cm的圆形线缆接口，以及半径为0.14 cm的圆形散热孔阵。根据低通滤波器模块在机载通信设备内的实际情况，将其放置到机载通信设备的屏蔽体相应位置上。

图10 低通滤波器的实物模型Fig.10 Physical model of low-pass filter

在设备尖端处的电场通常比较大，为了减小这种现象，将低通滤波器仿真模型面与面之间相连的部分进行修正，修正后的低通滤波器仿真模型如图11所示，图中用虚线标出的是修正后的部分。

图11 修正后的低通滤波器仿真模型Fig.11 Simulation model of modified low-pass filter

4.2 屏蔽效能仿真计算

4.2.1 通风孔阵优化仿真

基于CST三维仿真软件利用平面波垂直辐照优化后的机载通信设备的入射面1。优化后测试点2的仿真结果与原模型结果对比如图12所示。结果表明：在100～380 MHz范围内屏蔽体的屏蔽效能明显提高，大约增大15 dB。而850～900 MHz内屏蔽效能几乎没有发生变化。优化后设备屏蔽效能的整体变化趋势是增大的，证明该优化是有效的，可为以后屏蔽体上通风孔阵的优化提供参考意见。

图12 孔阵优化前后的模型屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness before and after hole array optimization

4.2.2 低通滤波器的优化仿真

利用平面波垂直辐照加入低通滤波器后的机载通信设备的入射面4。滤波器加入前后的机载设备在测试点2的屏蔽效能仿真结果如图13所示。加入低通滤波器后的机载通信设备屏蔽效能明显增大。

图13 低通滤波器加入前后的机载设备屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of airborne equipment before and after adding low-pass filter

在屏蔽体内部加入低通滤波器，低通滤波器修正前与修正后的机载通信设备在测试点2的屏蔽效能仿真对比结果如图14所示。结果表明：在100～1 000 MHz的频率范围内，低通滤波器结构修正后的屏蔽体的屏蔽效能相对于原始模型的屏蔽效能大约增大8 dB。因此在机载电子设备的设计初期可以增大其内部模块尖端处的圆滑度，以达到优化的要求。

图14 滤波器修正前后的模型屏蔽效能Fig.14 Shielding effectiveness before and after filter modification

5 结 论

本文利用外置辐射源完成了HIRF环境下机载通信设备的屏蔽效能的测试，可为以后HIRF环境下其他机载电子设备的测试提供依据。通过测试，获得了机载通信设备的主要耦合通道。最后为屏蔽体不同耦合通道的优化提供了参考意见，并通过仿真验证了优化方案的合理性。