電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)彈殼體孔縫耦合特性分析*

趙炳秋　湯仕平　萬(wàn)海軍

(海軍電磁兼容研究檢測(cè)中心　上?！?00235)

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電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)彈殼體孔縫耦合特性分析*

趙炳秋湯仕平萬(wàn)海軍

(海軍電磁兼容研究檢測(cè)中心上海200235)

摘要針對(duì)導(dǎo)彈安裝平臺(tái)電磁環(huán)境特點(diǎn),對(duì)其殼體孔縫耦合特性進(jìn)行仿真分析,研究外部輻射場(chǎng)相極化方式、入射角度、頻率、孔縫尺寸、孔縫形狀及分布對(duì)模型內(nèi)部耦合場(chǎng)分布的影響,分析得出其耦合規(guī)律。

關(guān)鍵詞導(dǎo)彈殼體; 孔縫; 耦合特性; 仿真

Analysis of Electromagnetic Coupling Characteristics of Apertures on the Missiles Shells

ZHAO BingqiuTANG ShipingWAN Haijun

(EMC Research and Measurement Center of Navy, Shanghai200235)

AbstractCoupling characteristics of apertures on the missiles shells are summarized via simulation on this paper, focusing on the electromagnetic environment characteristics of the install platforms. Coupling characteristics are obtained researching on the influence of coupling electromagnetic distribution in models by changing of polarization, incidence angle, frequency, apertures size and figure.

Key Wordsmissiles shells, apertures, coupling characteristics, simulation

Class NumberO441.5

1引言

現(xiàn)代導(dǎo)彈武器系統(tǒng)廣泛采用電子器件,從包含微處理器的控制系統(tǒng)到電爆裝置,而現(xiàn)代武器平臺(tái)電磁環(huán)境復(fù)雜,其能量可能以不同的方式耦合到軍械內(nèi)部并造成一定的影響,如射頻輻射能量通過(guò)導(dǎo)彈殼體的孔縫耦合到殼體內(nèi)部,從點(diǎn)火引線進(jìn)入導(dǎo)彈內(nèi)的電爆裝置,產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)致電弧、火花或熱效應(yīng),電磁能量的累積效應(yīng)也可能造成電爆器件的無(wú)意觸發(fā),不僅使這些軍械性能惡化、失效無(wú)法使用,造成導(dǎo)彈可靠性下降,還可能導(dǎo)致導(dǎo)彈意外發(fā)射或起爆,即出現(xiàn)電磁輻射對(duì)軍械危害(Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance,HERO)問(wèn)題,危及軍械操作人員和武器平臺(tái)的安全,給導(dǎo)彈等軍械在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸或工作期間的安全性與可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1～5]。

孔縫作為導(dǎo)彈殼體電磁能量耦合的主要路徑之一,開(kāi)展其電磁耦合特性研究,對(duì)有效開(kāi)展導(dǎo)彈電磁防護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。本文針對(duì)短波輻射場(chǎng)下,導(dǎo)彈殼體孔縫耦合效應(yīng)進(jìn)行仿真分析,研究孔縫耦合的規(guī)律。

2孔縫效應(yīng)分析

導(dǎo)彈殼體一般主要是鋼、合金等導(dǎo)電材料,對(duì)外界電磁波能起到較好的屏蔽效果,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,在導(dǎo)彈艙段的連接處及彈體上不可避免的留有必不可少的電纜孔縫及縫隙天線、測(cè)試孔等相關(guān)孔縫。當(dāng)彈體結(jié)構(gòu)上存在孔縫等不連續(xù)點(diǎn)時(shí),可能會(huì)發(fā)生較大的電磁泄露,從而使得電磁能量通過(guò)這些孔縫或艙口耦合到導(dǎo)彈內(nèi)部。

根據(jù)麥克斯韋方程,屏蔽體內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布由屏蔽體中的電流密度矢量決定。而電流密度的方向與屏蔽體的結(jié)構(gòu)形狀有著密切的關(guān)系,在實(shí)際中,電流密度的方向比較復(fù)雜。對(duì)于連續(xù)的屏蔽體,感應(yīng)電流是直線流動(dòng)的。當(dāng)屏蔽體上存在孔縫時(shí),造成了屏蔽體的不連續(xù)性,進(jìn)而改變了屏蔽體中感應(yīng)電流的方向,正是因?yàn)殡娏髅芏确较虻母淖儗?dǎo)致屏蔽體發(fā)生電磁泄露。這種效應(yīng)可以等效為存在著另外一種附加的電流,附加電流與原電流相加,使得原來(lái)的電場(chǎng)發(fā)生了改變。根據(jù)屏蔽體中的總電流滿足麥克斯韋方程的電流連續(xù)性準(zhǔn)則,即可求得附加電流,就可根據(jù)麥克斯韋電磁理論求得孔縫內(nèi)部的耦合場(chǎng)。

3孔縫耦合模型

圖1　原問(wèn)題

圖2　等效問(wèn)題

(1)

(2)

(3)

(4)

4孔縫耦合特性的仿真分析

典型導(dǎo)彈殼體開(kāi)孔主要包括以下兩種情況:一種是導(dǎo)引頭艙部分留下的孔縫。導(dǎo)彈導(dǎo)引頭罩一般采用非導(dǎo)電材料,導(dǎo)引頭內(nèi)部安裝有天線,在導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)中,導(dǎo)引頭和后面艙段的連接通道不可避免的留有開(kāi)孔,而且作為電纜走線通道也需要留有孔縫。另一種是導(dǎo)彈彈體上為了電氣連接而留有的開(kāi)孔。

4.1仿真模型

對(duì)于導(dǎo)彈而言,由于導(dǎo)引頭罩采用非導(dǎo)電材料,可以忽略導(dǎo)引頭罩的影響。在不影響問(wèn)題分析和計(jì)算精度的前提下,建立近似的導(dǎo)引頭艙連接部位模型,上底面(與導(dǎo)引頭連接部位)上開(kāi)有孔縫,假設(shè)模型材料為理想電導(dǎo)體材料,對(duì)模型以一定特性的輻射源進(jìn)行照射,研究模型內(nèi)部電磁場(chǎng)的耦合特性。

為便于進(jìn)行研究,對(duì)于導(dǎo)引頭與后面艙段連接處隔板上的孔縫,其形狀可以簡(jiǎn)化處理成圖3所示的幾種情況,對(duì)這幾種開(kāi)孔情況保持孔縫的總面積不變[8～9]。

圖3　孔縫的幾種類型

4.2輻射源的選擇

在研究孔縫耦合問(wèn)題時(shí),不僅孔縫尺寸、形狀和孔的分布會(huì)對(duì)耦合產(chǎn)生影響,外部輻射場(chǎng)的入射方向、極化方式、頻率、場(chǎng)強(qiáng)等也可能會(huì)對(duì)孔縫的耦合產(chǎn)生影響。為了準(zhǔn)確分析輻射場(chǎng)入射方向、極化方式和頻率等特性對(duì)導(dǎo)彈殼體孔縫耦合的影響,本文在研究導(dǎo)彈導(dǎo)引頭連接部位和彈體的孔縫耦合特性時(shí),均采用平面波源作為輻射源,分別改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方式、入射方向和頻率,考察內(nèi)部耦合場(chǎng)的變化,分析比較得到孔縫耦合特性[7～10]。

4.3仿真及結(jié)果分析

4.3.1極化方式對(duì)孔縫耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。分別對(duì)水平極化(電場(chǎng)方向沿y軸)和垂直極化(電場(chǎng)方向沿z軸)的情況進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到模型中心軸線即z軸電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布如圖4和圖5所示。

圖4　入射波不同極化方式下的耦合電場(chǎng)

圖5　入射波不同極化方式下的耦合磁場(chǎng)

由圖4和圖5可以看出,電磁場(chǎng)在耦合到模型內(nèi)部后,隨著距孔縫距離的增大而迅速減小,并趨于零,這說(shuō)明模型中通過(guò)孔縫耦合進(jìn)入內(nèi)部的電磁能量基本分布在孔縫附近一定區(qū)域內(nèi);垂直極化波的耦合電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平極化波的耦合電場(chǎng),但兩者的耦合磁場(chǎng)相差不大。

4.3.2入射方向?qū)卓p耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。保持入射波水平極化(電場(chǎng)方向沿y軸)的情況下,不同入射方向(水平入射、斜入射與垂直入射)時(shí),中心軸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布曲線如圖6和圖7所示。

圖6　不同入射方向下的耦合電場(chǎng)

圖7　不同入射方向下的耦合磁場(chǎng)

由圖6和圖7的曲線比較可知,在極化方式相同的情況下,耦合電場(chǎng)受入射角度影響不大,其耦合強(qiáng)度隨入射角度增大而增強(qiáng)的趨勢(shì)不明顯;耦合磁場(chǎng)受入射角度影響較大,其耦合強(qiáng)度隨入射角度增大,有較明顯的增強(qiáng)。

4.3.3頻率對(duì)孔縫耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。入射波頻率不同時(shí),中心軸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8　不同頻率入射波下的耦合電場(chǎng)

圖9　不同頻率入射波下的耦合磁場(chǎng)

比較圖8、圖9可知,入射方向和極化方式相同的情況下,隨著頻率的增高,孔耦合的電場(chǎng)隨之增強(qiáng),但耦合的磁場(chǎng)減小。

4.3.4輻射場(chǎng)強(qiáng)對(duì)孔縫耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。場(chǎng)強(qiáng)幅值從10V/m以步進(jìn)10V/m增加到100V/m時(shí),殼體內(nèi)外兩個(gè)位置的電場(chǎng)變化的擬合曲線如圖10所示。

由圖示曲線比較可知,模型內(nèi)部耦合場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)與外部輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)之間成線性關(guān)系,該關(guān)系所表現(xiàn)的直線說(shuō)明在距孔一定距離位置的屏蔽效能。

圖10　殼體內(nèi)、外場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系擬合曲線

4.3.5孔縫尺寸對(duì)孔縫耦合的影響

圖11　不同尺寸圓孔模型內(nèi)耦合電場(chǎng)

圖12　不同尺寸圓孔模型內(nèi)耦合磁場(chǎng)

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖3中(a)所示圓孔的情況,其半徑為兩種不同尺寸,輻射源為平面波源。兩種不同尺寸的孔,其模型中心軸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布曲線分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12中的曲線比較可知,外部輻射場(chǎng)相同時(shí),尺寸較大的孔,其耦合場(chǎng)(包括電場(chǎng)和磁場(chǎng))都要明顯強(qiáng)于尺寸較小的孔的耦合場(chǎng),耦合場(chǎng)在模型內(nèi)部的分布區(qū)域也更廣。

4.3.6孔縫形狀對(duì)孔縫耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有圖33(a)、(b)、(c)所示面積相同的四種孔(其中長(zhǎng)方形孔長(zhǎng)短邊互換作為兩種情況考慮)的情況,輻射源為平面波源,入射波為沿x軸入射的垂直極化波(電場(chǎng)方向沿z軸)。四種不同形狀孔的模型中心軸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化曲線分別如圖13和圖14所示。

圖13　四種形狀孔縫模型內(nèi)的耦合電場(chǎng)

圖14　四種形狀孔縫模型內(nèi)的耦合磁場(chǎng)

由圖13和圖14的仿真結(jié)果曲線可以看出,圓孔和方孔模型的耦合場(chǎng)(無(wú)論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng))強(qiáng)度相差不大,而兩種矩形孔的耦合電場(chǎng)也幾乎相同,但電磁場(chǎng)沿矩形孔長(zhǎng)邊入射時(shí),孔耦合的磁場(chǎng)強(qiáng)于沿窄邊入射時(shí)的耦合磁場(chǎng)。另外,圓孔和方孔的耦合電場(chǎng)強(qiáng)于兩種矩形孔,而耦合磁場(chǎng)則介于兩者之間。

4.3.7孔縫數(shù)量對(duì)孔縫耦合的影響

對(duì)于模型上底面開(kāi)有面積相同的三種孔陣的情況,孔的位置和形狀如圖3中的(d)、(e)、(f)所示。輻射源為平面波源,入射波為沿x軸入射的垂直極化波(電場(chǎng)方向沿z軸)。三種不同開(kāi)孔尺寸模型中心軸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化曲線分別如圖15和圖16所示。

圖15　三種孔陣模型內(nèi)的耦合電場(chǎng)

圖16　三種孔陣模型內(nèi)的耦合磁場(chǎng)

由圖15和圖16的仿真結(jié)果曲線可以看出,圖3中圖3(e)、3(f)兩種孔的中心軸線上電場(chǎng)相差不大,但是明顯大于開(kāi)孔如圖3(g)所示中心軸線的電場(chǎng),即對(duì)于孔陣的情況,孔之間的距離越大,內(nèi)部耦合電場(chǎng)越小。對(duì)于磁場(chǎng)的耦合,圖3(f)所示孔縫中心軸線上磁場(chǎng)大于圖3(d),但圖3(d)大于圖3(g)的耦合磁場(chǎng)。并且通過(guò)與圖15和圖16曲線的比較可知,相同面積時(shí),孔陣耦合遠(yuǎn)小于單孔的耦合。

5結(jié)語(yǔ)

本文分析了電磁場(chǎng)通過(guò)孔縫的耦合機(jī)理,采用等效原理建立了孔縫耦合的理論模型,然后針對(duì)導(dǎo)引頭艙連接部位孔縫建立仿真模型并進(jìn)行了計(jì)算分析,得到導(dǎo)彈殼體孔縫耦合特性:外部輻射場(chǎng)相對(duì)孔縫為垂直極化時(shí),其耦合電場(chǎng)遠(yuǎn)大于水平極化時(shí)的耦合電場(chǎng),而磁場(chǎng)耦合受極化方式的影響較小;入射角度越大,耦合磁場(chǎng)越大,但對(duì)耦合電場(chǎng)變化不明顯;相同尺寸的孔縫,頻率越高,電磁場(chǎng)耦合越大;內(nèi)部耦合場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)與外部輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系;孔縫尺寸越大,耦合越強(qiáng);單孔的耦合大于總面積相同的孔陣的耦合。

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中圖分類號(hào)O441.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.037

作者簡(jiǎn)介:趙炳秋,男,碩士,助理工程師,研究方向:電磁兼容研究與測(cè)試。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月31日