金屬艙近場孔縫耦合特性數(shù)值分析*

伍虹霖，尹 浩，孟海軍，談學(xué)超，譚堅文

(1.重慶通信學(xué)院，重慶400035;2.中國電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所，北京100141)

1 引 言

為滿足日益增長的功能需求，各種各樣的電子和電氣設(shè)備被集成在車載平臺狹小的空間內(nèi)，這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射很容易對系統(tǒng)內(nèi)部其他設(shè)備造成影響，引起系統(tǒng)內(nèi)部電磁兼容性問題。特別是作為強輻射源的天線，隨著其功率和數(shù)量的不斷增加，極易對車載平臺內(nèi)其他高靈敏度的系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

電磁屏蔽方艙作為抑制干擾源對艙內(nèi)設(shè)備輻射干擾的有效手段，是電磁兼容性技術(shù)中的一項重要內(nèi)容。由于通風(fēng)散熱、觀察、過電纜等功能性孔口以及工藝不足導(dǎo)致的接縫的存在，屏蔽方艙很難做到電連續(xù)，這些孔縫由此也成為了電磁泄露的通道［1］。近年來關(guān)于孔縫耦合的研究以利用平面波理論對遠場的金屬腔體孔縫耦合特性分析居多。文獻［2］采用于時域有限差分法(FDTD)分析了孔形狀以及內(nèi)外腔間距對雙層金屬腔體上的孔縫耦合特性的影響，文獻［3］利用時域有限元方法(TDFEM)對多種類型孔縫結(jié)構(gòu)的平面波耦合效應(yīng)進行了對比?，F(xiàn)有文獻［4－7］關(guān)于近場孔縫耦合特性的研究也多是孔形狀、孔個數(shù)、孔大小等因素對小尺寸金屬機箱近場屏蔽效能影響的研究，而關(guān)于孔與輻射源相對位置對耦合特性的影響特別是大尺寸艙體上典型孔縫耦合特性的分析幾乎沒有。車載平臺空間有限，裝備系統(tǒng)以及屏蔽艙離天線等電磁干擾源的距離較近，孔縫所導(dǎo)致的近場電磁泄漏會對敏感設(shè)備的安全以及正常工作造成巨大的威脅，所以對全尺寸金屬艙近場孔縫耦合特性進行研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值［8－9］。

本文構(gòu)建金屬方艙的全尺寸模型，利用時域有限積分法(FITD)［10］分析了開孔形狀、開孔與輻射源的間距及相對位置對金屬艙近場孔縫耦合特性的影響，并對金屬艙常見的幾種孔縫結(jié)構(gòu)所造成的電磁泄漏進行了對比，得出了一些結(jié)論。

2 仿真設(shè)置及問題描述

2.1 耦合仿真模型的建立

本文以某型車載通信方艙為原型，建立了可用于電磁仿真的金屬艙全尺寸模型，車體的外部尺寸為4 246 mm× 2 284 mm× 1 855.5 mm，外皮為厚2 mm的鋁蒙皮。艙體側(cè)面中心按仿真需要開有長方形孔、正方形孔、門縫等不同類型孔縫結(jié)構(gòu)，為準確分析各種類型孔縫近場耦合特性，在每次仿真計算當(dāng)中，模型僅開有一種類型的孔縫。

在車艙頂部放置有一根單極子天線作為近場輻射源，天線安裝在靠近開孔面一側(cè)，天線饋電點坐標(biāo)為(2 123，100，1 855.5)。天線長度為l =250 mm，天線半徑r =10 mm，饋電使用同軸線，特性阻抗為Z0=50 Ω，同軸線穿過金屬板，內(nèi)外導(dǎo)體間介質(zhì)設(shè)為真空，內(nèi)導(dǎo)體和天線相連，半徑也為a=10 mm，外導(dǎo)體半徑根據(jù)公式

計算得到b=23 mm，其中εr為內(nèi)外導(dǎo)體間介質(zhì)介電常數(shù)。仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖Fig.1 Sketch of the simulation model

2.2 激勵源及仿真參數(shù)設(shè)置

天線以高斯脈沖為激勵源，頻率范圍為0～800 MHz，高斯脈沖函數(shù)的時域表達式為

式中，脈沖寬度τ =2.625 ns，時間常數(shù)t0=1.5 ns，峰值電場強度E0=1 V/m。

計算區(qū)域為一個長方體，采用CST 軟件特有的自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)幫助實現(xiàn)計算網(wǎng)格的合理劃分，網(wǎng)格密度選取為10 point/λ。計算區(qū)域截斷邊界采用Open 邊界，模擬自由空間有效吸收入射到邊界的電磁波。

2.3 孔腔諧振

電磁波通過孔縫耦合進入屏蔽腔后，在內(nèi)腔壁間不斷的反射，引起電場在腔體內(nèi)部諧振，會導(dǎo)致腔內(nèi)耦合能量增強，特別是在腔體的諧振頻率附近，諧振所產(chǎn)生的加強效應(yīng)最強［11］。諧振頻率與腔體的尺寸以及腔體內(nèi)傳播的電磁波的模式有關(guān)，矩形腔的諧振頻率計算公式如下:

式中，c 為光速;l、m、n 為非負整數(shù)，每一組取值對應(yīng)一種可能的傳播模式;x、y、z 分別為矩形腔體的長、高、寬，單位為m。由公式計算可得到金屬腔內(nèi)部的低階諧振頻率有72.32 MHz、88.24 MHz等。

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1 孔形狀對近場耦合的影響

為了分析孔口形狀對近場孔耦合效應(yīng)的影響，在腔體的側(cè)面的中心開有等面積的正方形孔(400 mm× 400 mm)、長方形豎孔(200 mm×800 mm)、長方形橫孔(800 mm×200 mm)3 種孔口，如圖2所示。

圖2 不同形狀孔口Fig.2 Sketch of aperture with different shapes

觀察3 種不同開孔形狀時，由開孔耦合到金屬艙中心點P(2 123，1 142，927.75)處電場強度，場強頻域分布如圖3所示。

圖3 不同孔形狀的艙內(nèi)耦合電場頻譜Fig.3 The spectrum of coupling field in cavity with different shapes of aperture

分析圖3，對比3 種不同形狀開孔的耦合情況可知，開孔形狀對近場耦合特性有較大影響，開長方形橫孔時艙體中心點的耦合電場強度最高，正方孔次之，長方形豎孔最小。這是因為孔縫處入射電場的主要方向在y 方向和z 方向，x 方向較弱，當(dāng)開孔長邊與天線電流方向垂直時，也與電場主要方向垂直，電磁能量更容易耦合進入金屬艙內(nèi)，艙體中心點的耦合電場強度也就更高。另外，艙內(nèi)耦合電場強度受艙體諧振的影響較大，耦合到腔體內(nèi)的瞬變場中滿足腔體諧振條件的頻率分量在腔體中形成諧振場，在72.32 MHz、88.24 MHz等諧振頻率點上耦合電場強度出現(xiàn)了峰值;隨著頻率的增大，耦合電場的強度有所增強，受天線中心工作頻率點和艙體諧振的雙重影響，耦合電場形成了一個從200～500 MHz較寬的高幅值頻段。

3.2 孔與輻射源間的距離對耦合的影響

保持天線的位置不變，天線饋電點坐標(biāo)為(2 123，100，1 855.5)，沿z 軸方向上改變金屬艙側(cè)面的開孔位置，使開孔與天線間的間距逐漸減小，正方形孔與輻射源z 軸方向的間距依次為L1 =927.75 mm(面中心開孔)、L2 = 827.75 mm、L3 =727.75 mm、L4 =627.75 mm、L5 =527.75 mm、L6 =427.75 mm、L7 =327.75 mm，其他條件不變。為分析改變開孔與輻射源間間距對艙內(nèi)不同位置的耦合強度的影響，仿真計算艙內(nèi)距孔中心100 mm、600 mm處A 點和B 點以及艙體中心C 點的耦合電場強度峰值，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同孔源間距艙內(nèi)電場強度峰值Fig.4 The coupling electric field peak intensity for different distance between radiator and aperture

分析圖4知，增加開孔和輻射源間距離，金屬艙內(nèi)的A、B、C 三點處耦合電場強度都明顯衰減，但隨著間距的增大，增加一定間距后耦合強度的減小量逐漸下降，當(dāng)間距增加到一定值時，耦合電場強度趨于穩(wěn)定。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，在近場區(qū)域，電場強度E 正比于1/r2和1/r3項，隨著r 的增加，E不斷減小而且衰減的速率也會降低，特別是當(dāng)開孔和輻射源間距離很大，開孔位于輻射遠場區(qū)時，電場強度E 正比于1/r，E 將衰減得更慢。另外，近似全封閉的腔體中電磁傳輸，產(chǎn)生諧振導(dǎo)致耦合電場強度趨于穩(wěn)定。因此，對比A、B、C 三點的電場強度，在距離開孔較遠的區(qū)域，觀測點與輻射源的距離更遠，耦合電場的強度會小得多，距離的進一步增加導(dǎo)致的衰減也更慢。開孔所導(dǎo)致的近場電磁耦合只會對靠近開孔的區(qū)域造成很強的干擾。

3.3 開孔與輻射源的相對位置對耦合的影響

保持天線的位置不變，以正方形孔中心位置P(2 123，0，927.75)為起始點，間隔100 mm首先沿z軸向移動開孔位置，再以100 mm的間隔沿x 軸向移動開孔位置，最后再保持開孔位置不變，以天線饋電點P(2 123，100，1 855.5)為起始點，間隔100 mm沿y 軸向移動輻射源的位置，其他仿真參數(shù)設(shè)置不變，模型變化示意如圖5所示。

圖5 開孔與輻射源相對位置變化示意圖Fig.5 Sketch of the changing of relative location between radiator and aperture

觀察開孔與輻射源相對位置變化時艙內(nèi)距孔中心100 mm處的耦合電場強度峰值，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 開孔與輻射源不同位置時艙內(nèi)耦合電場強度峰值Fig.6 The coupling electric field peak intensity For different relative location between radiator and aperture

分析圖6可知，以同樣的間隔100 mm改變位置時，沿y 軸方向移動天線時艙內(nèi)耦合電場強度減小的速度最快，沿z 軸方向縱向移動開孔次之，當(dāng)沿x軸方向橫向移動開孔時，艙內(nèi)觀察點處的耦合電場強度減小得很慢，特別是在靠近天線的位置，耦合電場強度幾乎保持不變。由于金屬艙體的阻擋和反射，在近場區(qū)域，天線的場分布發(fā)生了改變。在起始位置，開孔位于天線正下方，沿z 軸方向縱向移動開孔，開孔一直處于天線正下方，孔與輻射源距離的增加使得耦合電場強度迅速減小;沿y 軸方向移動天線，不僅使孔與輻射源距離的增加，金屬艙頂?shù)恼趽鯇?dǎo)致了電磁場繞射到開孔位置的能量更小，耦合電場強度也減小得更快;而沿x 軸方向橫向移動開孔，盡管孔與輻射源的間距增加，開孔不再位于天線正下方，輻射場繞射到開孔位置的能量有所增加，耦合電場也因此減小的速度較慢。

3.4 金屬艙上不同類型孔縫結(jié)構(gòu)近場耦合特性對比

通信方艙上的孔縫結(jié)構(gòu)主要有通風(fēng)口、觀察窗、電源及信號線纜接口、艙門和門縫幾種，選取正方形孔、線纜穿孔、門以及門縫幾種典型結(jié)構(gòu)為電磁耦合通道，仿真計算天線近場輻射下通過這幾種結(jié)構(gòu)耦合進入艙體的電場強度的大小?？卓p均開在金屬艙側(cè)面中心。正方形孔尺寸為200 mm×200 mm，線纜過孔尺寸為200 mm×200 mm，孔中心穿有5 根長100 mm(艙外部分50 mm)的理想導(dǎo)體，導(dǎo)體半徑r=10 mm;門縫寬1 mm，門框尺寸為1 600 mm×900 mm，門開啟時門板與艙體側(cè)面垂直。艙體上典型孔縫結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 艙體上典型孔縫結(jié)構(gòu)Fig.7 Different kinds of typical apertures in cavity

仿真得到天線近場輻射下，離艙內(nèi)孔縫600 mm處的耦合電場的頻域分布如圖8所示。

圖8 不同孔結(jié)構(gòu)的艙內(nèi)耦合電場強度Fig.8 The spectrum of coupling field in cavity withdifferent kinds of typical aperture

分析圖8知，在方艙門開啟時相當(dāng)于艙體側(cè)面有一個1 600 mm×900 mm的開孔，門在所有孔縫結(jié)構(gòu)中造成的電磁泄漏最大;由于門縫隙天線效應(yīng)的影響，在波長可與門縫長度比擬的波段，門縫會類似于高效的天線，其附近區(qū)域會有很高的場強，因此即使門關(guān)閉，僅由寬度為1 mm門縫所導(dǎo)致的近場干擾依然很嚴重，在70～350 MHz 的頻段，它遠強于200 mm×200 mm開孔所導(dǎo)致的干擾;當(dāng)孔徑中加入導(dǎo)線時，導(dǎo)線與孔形成了一段同軸線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線能夠引導(dǎo)電磁能量穿過開孔，線纜穿孔將比等面積的開孔導(dǎo)致更大的電磁泄漏。

4 結(jié) 論

孔洞和縫隙耦合是外部電磁場耦合到電子系統(tǒng)內(nèi)部的一種主要的電磁耦合途徑，孔縫耦合產(chǎn)生的場分布在整個系統(tǒng)內(nèi)部，對系統(tǒng)的威脅很大。本文不同于已有文獻的計算方法和模型設(shè)置，利用時域有限積分法(FITD)根據(jù)實際車艙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了逼真的大尺寸的金屬艙模型，重點分析了不同開孔形狀、開孔與輻射源的間距及相對位置對金屬艙近場孔縫耦合特性的影響，同時對比了方艙上不同類型孔縫結(jié)構(gòu)在近場輻射下的電磁泄漏，得到以下結(jié)論:

(1)腔體諧振會導(dǎo)致諧振頻率點上腔體內(nèi)耦合能量的急劇增加，應(yīng)盡量使敏感設(shè)備的工作頻率避開這些頻點;

(2)在開孔面積不變的情況下，垂直于天線電流方向上的孔尺寸越大，艙體內(nèi)耦合的電場峰值越高，在考慮艙體上的開孔形狀時，要盡量使開孔垂直于天線電流方向上孔尺寸小;

(3)開孔與輻射源的間距對近場孔縫耦合的影響較大，增加孔與輻射源的間距能有效減小孔縫耦合的強度，但隨著間距的增大，減小的速率會逐漸下降;沿金屬面縱向移動開孔和將天線向艙頂移動對減小耦合效果顯著，但沿金屬面橫向移動開孔位置時效果不明顯。因此，為減小孔縫近場耦合強度而調(diào)整天線和開孔相對位置時，縱向調(diào)整開孔位置或?qū)⑻炀€向艙頂移動效果較好;

(4)同等近場輻射條件下，方艙門敞開時，門在所有孔縫結(jié)構(gòu)中造成的電磁泄漏最大，而門關(guān)閉時，門縫也將導(dǎo)致很嚴重的干擾，在70～350 MHz的頻段它所導(dǎo)致的干擾依然比其他孔縫結(jié)構(gòu)大。方艙門是導(dǎo)致電磁泄漏的一個主要部位，必須對門和門縫進行屏蔽加固處理，敏感器件特別是工作在超短波頻段的器件要盡量遠離艙門。所得結(jié)論能夠為車載天線以及艙內(nèi)設(shè)備的布局提供一定的指導(dǎo)作用。

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