栅格式排气孔HIRF效应响应机理分析

杜 萌,陈延军,罗 洋,段雁超

(1. 西安石油大学电子工程学院,陕西 西安 710065;2. 上海正泰智能科技有限公司,上海 201614;3. 昭远科技(西安)有限责任公司,陕西 西安 710077)

1 引言

高强度辐射场(High Intensity Radiated Field,HIRF)是指通过雷达、卫星、无线电台等发射的电磁波进入飞机机体耦合形成的电磁场,其频率覆盖10kHz到40GHz[1]。近年来飞机上的电力电子设备集成度越来越高,飞机受HIRF照射而产生电磁干扰的风险也越来越大。研究表明HIRF在一定条件下容易通过孔缝对飞机内部航空电子设备造成干扰,且这些孔缝因为通流、供电、改装等原因不可避免的存在于飞机结构中,因此深入研究HIRF照射下的飞机孔缝耦合效应,对于飞机电力电子系统的电磁防护设计有重要指导意义。目前电磁防护的有效措施主要有屏蔽、滤波、接地等,由于电磁屏蔽在辐射干扰、静电干扰和传导耦合干扰方面均有明显的抑制作用[2],因此该方法已成为解决电磁兼容问题的最重要手段之一。传统的HIRF防护设计依据主要来自于HIRF试验,但是,HIRF试验所需的成本投入极大,且试验周期较长。为了减少设计成本,缩短设计周期,借助仿真手段协助试验进行HIRF相关研究很有必要。

对于HIRF电磁环境的仿真研究,目前国内对带孔金属屏蔽腔体屏蔽效能的研究较多,大多是对单一孔缝的金属屏蔽腔体开展的。李凯等[3],建立了含单一孔缝的腔体模型,研究了电场极化方向,腔体材料,矩形孔缝的长度等参数对屏蔽效能的影响规律。张旭峰等[4],针对带矩形孔缝的矩形腔研究了其孔缝尺寸变化、平面波斜入射时的屏蔽效能。近些年也有学者研究带有矩形孔阵或圆形孔阵的金属腔体的屏蔽效能,彭强等[5],研究了孔间的隔距对屏蔽效能的影响。国外对孔缝的相关研究可以追溯到20世纪60年代,直至1998年Robinson[6]等人提出了计算带孔屏蔽腔的快速解析算法,但在低频时精确度更高。Po′Ad F A等[7],改进了Robinson的算法公式,对具有偏心孔的金属外壳的屏蔽效能进行研究,但只集中在1GHz以下的低频场。Shim J等[8],采用了一种简单的方法计算了具有多个侧面孔径的外壳的屏蔽效能。

本文选取飞机发动机结构中的真实栅格式排气孔,将栅格式排气孔分别建立在腔体模型和平板模型上,明确HIRF照射下产生的腔体耦合效应和孔缝耦合效应,应用数值方法分析10kHz～2GHz HIRF照射下的栅格式排气孔的电磁透波机理。

2 HIRF场的屏蔽理论

2.1 屏蔽效能

屏蔽效能是衡量屏蔽体屏蔽效果的物理量,又称屏蔽损耗或屏蔽衰减,即屏蔽体对电磁场强度的衰减程度。为了衡量屏蔽性能的大小,检查屏蔽技术的好坏,通过计算屏蔽效能(Shielding Effectiveness, SE)来评估HIRF环境对电子设备的影响,电磁屏蔽效能的计算方式参考国标GB/T 12190-2016[9],公式如下

(1)

式(1)中,E0,H0为没有加屏蔽腔时的空间某点场强;E1,H1为增加屏蔽腔后的空间同一点场强。本文选用电场屏蔽效能来表示腔体的屏蔽能力。

2.2 谐振特性

由于激励源、孔缝、腔体三者间的相互影响,电磁谐振可能包括腔体谐振、孔缝谐振、腔体—孔缝耦合谐振[10]。当发生电磁谐振时,对HIRF信号的屏蔽效能会显著降低。

腔体谐振由电磁波在屏蔽腔内部金属壁的发射形成,计算方法[11]如下

(2)

式(2)中:c为光速,f为频率,m、n、p分别为谐振取的模,a、b、l分别为腔体模型的长宽高。通过理论计算,本仿真模型的最低谐振频率为f=212MHz。

孔缝谐振与入射波波长及孔缝尺寸有关,对任意形状的单个孔缝已形成具备普适性的谐振频率公式[12],如式(3),但对于孔阵,目前还未有明确的普适公式。

(3)

式(3)中:lmax为垂直于入射电场方向的孔缝最大线长度。

腔体-孔缝耦合谐振是腔体与孔缝相互影响的结果,这种谐振模式与腔体尺寸、孔缝尺寸以及干扰源的形式有关,其谐振频率难以用公式进行量化[13]。

3 栅格式排气孔的透波研究模型

针对栅格式排气孔的透波研究,主要从两个方面展开,一是研究电磁波透过孔缝后受腔体内壁反射而形成的电磁环境,以下称为腔体效应;二是研究电磁波透过孔缝后传入自由空间时的电磁环境,以下称为孔缝效应。模型中材料均按铝合金进行设置,电导率取3.82e7 S/m。

3.1 考虑腔体效应的模型

参照某型客机的栅格式排气孔CAD模型,对其进行仿真建模,如图1。为了研究该结构的透波特性,将栅格式排气孔建立在金属矩形腔体的一侧,如图2。腔体长宽高分别为1m,1m和0.4m,材料厚度为1.2mm,栅格式排气孔中单个矩形孔的尺寸为0.164m×0.042m,电磁场观测点位于腔体中心且距离孔缝中心0.2m。应用平面波作为入射波,其电场强度设置为1V/m,定义电场极化方向平行于单个孔缝长边为0°极化。

图1 栅格式排气孔模型

图2 腔体模型设计

3.2 仅考虑孔缝效应的模型

将同等的栅格式排气孔建立在长宽为1m×1m的平板上,四周加周期性边界条件模拟开放边界,如图3。入射波、采集点和极化方式与图2模型设置一致。

图3 平板模型设计

3.3 算法设置

HIRF问题常用时域与频域电磁算法求解。采用传输线矩阵法(transmission line matrix method,TLM)和矩量法(method of momentMoM)两种算法对图2腔体模型进行仿真计算,仿真结果如图4。结果展示为垂直极化下的电场屏蔽效能曲线,实线是频域算法,虚线是时域算法。可以看出,两种算法的计算结果基本相近,只在某些谐振频率处有一点数值偏差,这可能是两种算法的机理导致。综上,HIRF研究中两种算法均可采用,本文采用MoM法进行研究。

图4 腔体中心处屏蔽效能结果

4 栅格式排气孔的HIRF效应及机理分析

4.1 电场分布特性

为分析HIRF环境下两种模型电磁场的透波特性,在同样的位置分别在腔体模型和平板模型上截取平行于栅格式排气孔的采样面,绘制入射波在90°极化下的电场分布。因考察的频率范围较大,将频率分为中低频段(10kHz～600MHz)和高频段(600MHz～2GHz)进行分析,计算结果如图5和图6。

图5 中低频电场分布图

图6 高频电场分布图

4.1.1 中低频电场分布

从图5(a)腔体模型计算结果可以看出:除了个别频点(211MHz,402MHz),在中低频段腔体内部电场均小于腔外。211MHz时腔体内部电场增强,且中心处电场大于壁周;通过式(2)计算本模型的主模为TE101,谐振频率f101=212MHz,理论值和仿真值基本一致;可以判断211MHz为腔体谐振。当频率升高至402MHz时,电磁波通过栅格孔透射进入腔体内部再次发生电场增强现象,通过式(2)计算f011=404MHz,理论值和仿真值基本一致,402MHz为腔体谐振。

从图5(b)平板模型计算结果可以看出:在300MHz以下HIRF信号都没有穿过栅格孔,直至424MHz,栅格孔附近出现电场增强现象,有电磁波通过栅格孔进入平板模型下方自由空间。由于该模型无腔,所以424MHz为孔缝谐振点。当频率继续升到500MHz时,栅格孔下方电场最大值小于上方。

图5(a)和图5(b)的电场云图对比表明了中低频段孔缝结构在腔体模型和平板模型上所呈现的透波特性异同。低于100MHz时,HIRF信号很难穿过栅格孔进入腔体模型和平板模型,随着频率的升高腔体内部以及平板下方开始出现电场增强现象。

4.1.2 高频电场分布

图6的电场云图表明:在高频段时HIRF信号更容易穿过栅格孔,其电场分布有较为明显的规律。

由图6(a)看出HIRF信号通过栅格孔透进腔体内部,在657MHz时栅格孔长边小于1/3个波长,此时腔内划分为三个电场增强区域。随着频率的升高,腔内电场增强区域逐渐变多,依次增加到5个、10个、12个、20个和27个,并且在腔内均表现为左右对称。从云图能够看出电磁波先是通过栅格孔耦合进入腔体内部,随后向左右两边爬行,最后耦合进腔体的电磁波再向外辐射。但在某些频点(如700MHz),只在栅格孔周围出现电场增强现象,正下方的腔内部电场虽然也有增强现象,但其电场最大值小于外部。且随频率增加,垂直于栅格孔正下方的腔体内部电场分布呈现明暗交替现象,腔体内部电场最大值与外部电场的最大值基本接近,这说明由于腔体效应,电磁波在内部发生反射现象,使内部电场增强十分明显。

而对于仅考虑孔缝效应的平板模型,从图6(b)可以看出:HIRF信号穿过栅格孔,在平板下方出现电场增强现象。随频率增加,电场增强区域逐渐变大,到1629MHz时,电场增强区域大小趋于稳定。且平板下方的左右两侧伴随出现电场增强区域和无电场增强区域的明暗交替现象;频率越高,两侧明暗交替次数越多、间隔越短。从833MHz时平板下方的3次明暗交替,到1629MHz的6次交替。并且在垂直于栅格孔正下方,随频率升高电场增强区域逐渐变多,该方向上的明暗交替次数也随之增多。

对比图6(a)的电场分布,图6(b)中栅格孔正下方的电场最大值小于上方的电场最大值,这展现了含腔体结构和不含腔体结构对研究孔缝特征的电场变化的差异性。

4.2 电场屏蔽效能

4.2.1 垂直极化下的屏蔽效能

选取入射波90°极化,计算观测点处的屏蔽效能,绘制中低频段的屏蔽效能曲线如图7,并将图7中谐振点汇总至表1,高频段的屏蔽效能曲线如图8。

表1 两种模型90°极化下的谐振点

图7 90°极化下中低频屏蔽效能

图8 90°极化下高频屏蔽效能

从图7的仿真结果可以看出:无论是腔体模型还是平板模型,随着频率的升高,对HIRF信号的屏蔽效果都变差:实线为考虑腔体效应的模型,屏蔽效能降低了49dB;虚线为仅考虑孔缝效应的模型,屏蔽效能降低了44dB。并且在211MHz和424MHz腔体模型和平板模型分别发生了屏蔽效能下降的情况,这是腔体谐振和孔缝谐振导致的内部电场增加。由表1发现腔体模型的两个相邻谐振点之间最小间隔27MHz,而腔体和平板模型谐振点之间最大间隔22MHz,最小间隔13MHz。通过进一步计算得到图7中的A1和A2之间的相对误差为5.2%,B1和B2的相对误差为2.7%,C1和C2的相对误差为2%。且在4.1节得出A2为腔体谐振点,推断平板模型的B1,C1谐振点和腔体模型的B2,C2很有可能是同类型的孔缝谐振点。腔体模型的剩余谐振点则是由于电磁波耦合进入腔体内部,在腔内反射导致。

从表1中可以明显看出在该频段腔体模型的谐振点远多于平板模型,来自腔体的谐振占据主导地位。

从图8的仿真结果可以看出:当频率高于700MHz时,两种模型对HIRF信号的屏蔽效果都变差,低极值点明显变多。对比图7发现高频段电磁波更容易通过栅格孔入射进腔体内部,屏蔽效能曲线下降次数增多。

4.2.2 平行极化下的屏蔽效能

选取入射波0°极化,计算屏蔽效能,绘制中低频段的屏蔽效能曲线如图9,并将图9中谐振点汇总至表2,高频段的屏蔽效能曲线如图10。

表2 两种模型0°极化下的谐振点

图9 0°极化下中低频屏蔽效能

图10 0°极化下高频屏蔽效能

从图9的仿真结果可以看出:改变极化角度对屏蔽效能的整体趋势影响不大,随频率增加屏蔽效果逐渐变差:腔体模型的屏蔽效能降低了18dB,平板模型的屏蔽效能降低了30dB,两个模型的首个谐振点分别出现在211MHz和599MHz。由表2发现腔体模型的两个相邻谐振点间隔最小为33MHz,而腔体模型和平板模型谐振点间隔最大为14MHz。通过进一步计算得到图9中的A1和A2之间相对误差为2.3%,B1和B2之间相对误差为1.8%。由此推断改变极化方式后,A1、B1和A2、B2的谐振类型一样。

两种模型在两个极端的极化方式下仿真结果统一,这表明腔体模型中的部分谐振点是孔缝谐振点,但大多数谐振点是由于电磁波通过孔缝耦合进腔体反射造成的。所以在进行HIRF评估时,还应重点关注电子设备在谐振点处的防护。

从图10的仿真结果可以看出:0°极化时屏蔽效能随频率升高变差,低极值点同样增多。这说明换种极化方式对电磁波产生的谐振个数影响不大,电磁波依旧容易通过栅格孔入射进入腔体内部。

5 结论

本文通过仿真分析了含栅格式排气孔两种透波模型的HIRF效应,得到以下结论:

1)从整体上看,腔体屏蔽效能随着HIRF频率升高而降低,当HIRF频率高于1400MHz时,腔体屏蔽效能基本低于10dB,说明HIRF信号中的绝大部分已能透过栅格孔。

2)在HIRF信号低于1400MHz时,腔体屏蔽效能从211MHz开始有若干低极值点,极值点之间的间距为27MHz～130MHz,没有明显规律。通过腔体模型与平板模型的对比分析,两种模型的谐振频率类型在某些点一致。

3)研究结果表明,研究低于孔缝透波频率以下的HIRF效应时,孔缝结构所在的腔体谐振是占据主导的谐振方式,因此,在整机HIRF研究中,不仅要重视飞机外蒙皮结构上的孔缝结构,还应重视内部隔断形成的舱室。

4)针对HIRF环境中的孔缝问题进行研究时,单一的研究模型若不能将HIRF机理阐述清楚,可以考虑使用多种模型进行仿真计算。

本文的分析方法可以作为飞机结构的HIRF防护与设计手段。