復(fù)雜機(jī)體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能仿真研究

李強(qiáng)兵，劉宇涵，賈云峰

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

直升機(jī)蒙皮作為保護(hù)機(jī)內(nèi)設(shè)備和電纜免受外部干擾的第一道屏障，所選蒙皮材料的屏蔽性能是直升機(jī)整體屏蔽性能的基本保證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界先進(jìn)直升機(jī)的蒙皮中復(fù)合材料的使用已經(jīng)達(dá)到全身結(jié)構(gòu)的60%～80%，并且有些飛機(jī)已經(jīng)采用了完整的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，即復(fù)合材料的使用率已經(jīng)達(dá)到90%以上[1]。與純金屬材料相比，復(fù)合材料具有耐疲勞性能好、質(zhì)量輕、耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。但是與直升機(jī)之前所采用的金屬與合金結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料的電磁屏蔽性能較差且制作廠家大多無法提供其準(zhǔn)確的電磁參數(shù)，這就對(duì)直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

目前，高性能飛機(jī)蒙皮使用的材料主要是碳纖維復(fù)合材料(CFC)或碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地降低機(jī)體重量和研制成本。然而，復(fù)合材料的電磁特性和電磁屏蔽特性尚不清楚。陸軍工程大學(xué)將無人機(jī)機(jī)體簡(jiǎn)化成一個(gè)厚度為8mm，相對(duì)介電常數(shù)為4，電導(dǎo)率為2S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)[2]。在飛機(jī)為電大尺寸模型，且復(fù)合材料分層建模數(shù)據(jù)不足的情況下，Miguel R. Cabello，Sergio Fernandez等人采用黑匣子建模方法來進(jìn)行使用復(fù)合材料的飛機(jī)的電磁仿真，通過比較材料數(shù)據(jù)表和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，他們假設(shè)材料的平均電導(dǎo)率為104S/m[3]。上述兩種方法都沒有建立確切的蒙皮結(jié)構(gòu)，也不能保證飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。軍械工程學(xué)院的曲兆明等人認(rèn)為，復(fù)合材料的編織結(jié)構(gòu)相當(dāng)于各向異性介質(zhì)的疊加，他們通過建立等效模型仿真得出屏蔽效能，驗(yàn)證了該方法的可行性[4]。但是，這種方法計(jì)算量較大，不適用于電大尺寸的仿真。因此，為了保證飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，研究適用于電大尺寸飛機(jī)模型的直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的等效建模技術(shù)非常迫切。

1 直升機(jī)蒙皮材料等效模型建立理論分析

1.1 蒙皮結(jié)構(gòu)合理等效

直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)采用的多層鋪層結(jié)構(gòu)是將多層預(yù)浸料分層鋪設(shè)在一起形成的，這種結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)取決于每層預(yù)浸料的性質(zhì)，且與各層預(yù)浸料的鋪敷角度有關(guān)。具有編織結(jié)構(gòu)的碳纖維預(yù)浸料是各向異性材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證蒙皮的性能，在設(shè)計(jì)成型時(shí)應(yīng)調(diào)整每一層的方向，使飛機(jī)蒙皮在各個(gè)方向都具有良好的機(jī)械和電磁性能。解放軍理工大學(xué)的司卿、黃正宇等人也通過窗口法對(duì)不同鋪設(shè)方向的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在800MHz～15GHz頻段的屏蔽效能做了測(cè)試，結(jié)果表明，對(duì)于采用垂直和交叉鋪層排布方式排列的碳纖維而言，可在微波頻段近似等效為各向同性的良導(dǎo)體[5]。

圖1 編織結(jié)構(gòu)

本文采用的蒙皮結(jié)構(gòu)是XX直升機(jī)的典型蒙皮結(jié)構(gòu)，其鋪層結(jié)構(gòu)如表1所示。在該蒙皮結(jié)構(gòu)中，第4層到第12層采用電磁性能呈現(xiàn)各向異性的環(huán)氧碳布預(yù)浸料進(jìn)行鋪敷。其他層的鋪敷材料包括表面涂層，環(huán)氧玻璃布預(yù)浸料和銅網(wǎng)等，均為各向同性材料。具有各向異性的環(huán)氧碳布預(yù)浸料以45°角交叉鋪敷，以滿足機(jī)械和電磁性能的要求，使得蒙皮結(jié)構(gòu)在各方向呈現(xiàn)近似相同的電磁特性?；谝陨戏治?，可以將飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)等效為各向同性的良導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

表1 直升機(jī)蒙皮材料和鋪設(shè)角度

1.2 蒙皮材料等效參數(shù)的反演計(jì)算

蒙皮材料的等效復(fù)介電常數(shù)ε和等效復(fù)磁導(dǎo)率μ可由S參數(shù)反演計(jì)算得到。設(shè)蒙皮材料被試件本身的傳輸系數(shù)為T，被試件在一端的反射系數(shù)為Γ，另一端的反射系數(shù)為-Γ，同軸線內(nèi)的介質(zhì)為空氣，那么樣品間的反射系數(shù)、透射系數(shù)與樣品與空氣間的反射系數(shù)和透射系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 同軸腔中的電磁波

由電磁場(chǎng)基本理論我們能容易地得到樣品與空氣的反射系數(shù)S11及透射系數(shù)S21與樣品兩個(gè)界面之間的反射系數(shù)Γ和透射系數(shù)T的關(guān)系分別為：

S11=Γ-[Γ(1-Γ2)T2+Γ3(1-Γ2)T4+…

+Γ2n-3(1-Γ2)T2(n-1)]=

(1)

S21=(1-Γ2)T+Γ2(1-Γ2)T3+…

(2)

對(duì)式(1)和(2)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，可以得到兩端口的S參數(shù)與樣品的反射系數(shù)Γ及傳輸系數(shù)T之間的關(guān)系：

(3)

(4)

根據(jù)Nicoloson算法，引入變量V1、V2，令：

V1=S21+S11

(5)

V2=S21-S11

(6)

引入變量X，則有：

(7)

(8)

(9)

則：

(10)

(11)

(12)

式中，l為被試件的厚度；λc為截止波長(zhǎng)；γ為樣品區(qū)的傳播常數(shù)；λ0為入射電磁波的波長(zhǎng)。

2 直升機(jī)蒙皮材料等效電磁參數(shù)的測(cè)量

由于飛機(jī)蒙皮為不同鋪層采用高溫高壓的方式加工而成的，被試件加工過小會(huì)對(duì)材料尤其是其邊緣造成損傷，嚴(yán)重影響測(cè)試精度，且被試件中含有邊長(zhǎng)為2.75mm的六邊形銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以本研究中傳輸系數(shù)及反射系數(shù)的測(cè)量采用大同軸腔的方式。測(cè)試示意圖如圖3所示。傳輸系數(shù)及反射系數(shù)測(cè)量所用到的硬件設(shè)備有安捷倫E5080A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer,VNA)、自制同軸夾具、同軸電纜等。

測(cè)得直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)S11、S22以及透射系數(shù)S12、S21的幅值和相位測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

基于上述測(cè)試結(jié)果和電磁參數(shù)的反演計(jì)算，可以得到被試材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，其中等效介電常數(shù)ε=ε′-jε″，如圖6所示，等效磁導(dǎo)率μ=μ′-jμ″，如圖7所示。

圖3 同軸傳輸/反射法

圖4 直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)S參數(shù)的幅值

圖5 直升機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)S參數(shù)的相位

圖6 等效介電常數(shù)

3 直升機(jī)蒙皮材料等效模型的仿真驗(yàn)證

3.1 蒙皮材料等效模型的仿真

根據(jù)反演計(jì)算結(jié)果，可以建立直升機(jī)蒙皮的等效模型，即將直升機(jī)蒙皮等效為電磁參數(shù)隨頻率變化的單層屏蔽結(jié)構(gòu)。本研究使用電磁仿真軟件HFSS建立等效模型，采取主從邊界的建模方式，模擬TEM波入射無限大蒙皮材料的屏蔽效能。仿真模型如圖8所示。

圖7 等效磁導(dǎo)率

圖8 HFSS屏蔽效能仿真界面

在仿真模型建立完成后，設(shè)置掃頻信息，以300MHz為起始頻點(diǎn)，1500MHz為終止頻點(diǎn)，1MHz為掃頻間隔。之后可對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分并進(jìn)行仿真，得到模型屏蔽效能的仿真結(jié)果。

3.2 蒙皮材料屏蔽效能仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

直升機(jī)蒙皮材料屏蔽效能測(cè)試平臺(tái)如圖9所示。法蘭同軸裝置具有圓錐形內(nèi)腔，作為同軸裝置，其內(nèi)部可模擬空氣中遠(yuǎn)場(chǎng)的平面波來對(duì)材料的屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試。將待測(cè)材料裝入同軸腔體內(nèi)部后，同軸腔內(nèi)的電磁波由于被試件產(chǎn)生多次熱損耗、反射衰減而引起阻抗失配，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)入射電磁波以及經(jīng)由被試件后的電磁波信息來測(cè)得材料的屏蔽效能。由上圖中直升機(jī)蒙皮材料模型屏蔽效能的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可得，在300MHz～1500MHz的頻段內(nèi)，屏蔽效能仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在1dB以內(nèi)，可驗(yàn)證所建模型的正確性。

將實(shí)測(cè)結(jié)果與上一節(jié)得到的仿真結(jié)果對(duì)比，如圖10所示。

圖9 自制的法蘭同軸裝置

圖10 屏蔽效能仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明，在300MHz～1500MHz頻率范圍內(nèi)，飛機(jī)的復(fù)雜蒙皮結(jié)構(gòu)可以等效為電磁參數(shù)隨頻率而變化的單層蒙皮結(jié)構(gòu)。通過等效建模仿真得到的屏蔽效能和實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差在1dB以內(nèi)。小尺寸規(guī)則蒙皮材料的測(cè)量與建模可用于電大尺寸飛機(jī)的仿真，實(shí)現(xiàn)整個(gè)直升機(jī)屏蔽效能的仿真，解決電大尺寸模型蒙皮建模困難的問題。