機(jī)載電子設(shè)備屏蔽效能測(cè)試與優(yōu)化

馬振洋，左晶，史春蕾，馮嘉誠(chéng)，劉旭紅

1. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300 2. 中國(guó)民航大學(xué) 民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300 3. 中國(guó)民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300

航空電磁環(huán)境的日益復(fù)雜以及航空電子技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)載電子設(shè)備更容易受到高強(qiáng)輻射場(chǎng)(High Intensity Radiation Field，HIRF)的影響[1-3]。標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5583A針對(duì)機(jī)載電子電氣設(shè)備HIRF的防護(hù)提出了幾種方法, 其中最直接有效的方法是設(shè)計(jì)屏蔽體[4]。屏蔽體既可以實(shí)現(xiàn)HIRF防護(hù)功能又可以避免設(shè)備在工作過(guò)程中對(duì)周?chē)O(shè)備產(chǎn)生干擾。但是屏蔽體上存在各種各樣的通風(fēng)孔陣、線纜端口以及貫通導(dǎo)體等，破壞了設(shè)備的整體性從而導(dǎo)致屏蔽效能降低[5]。

目前在腔體屏蔽效能研究方面已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的理論分析、仿真計(jì)算以及試驗(yàn)測(cè)試等工作。文獻(xiàn)[6-7]基于Robinson等效電路模型提出了一種估算混合孔縫箱體屏蔽效能的電磁拓?fù)淅碚摲椒?；文獻(xiàn)[8]將電磁拓?fù)淅碚撚糜诰匦坞p腔體以及三腔體屏蔽效能的快速計(jì)算，推導(dǎo)并獲得了相應(yīng)的廣義(Baum-Liu-Tesche，BLT)方程。文獻(xiàn)[9-10]利用擴(kuò)展的傳輸線法與電磁拓?fù)淅碚撫槍?duì)內(nèi)置電路板對(duì)腔體屏蔽效能的影響展開(kāi)了研究；文獻(xiàn)[11]基于BLT方程計(jì)算了矩形腔體下任意極化方向、單孔和雙孔條件下的屏蔽效能；文獻(xiàn)[12] 利用數(shù)值仿真方法分析了平面波輻射條件下短貫通導(dǎo)體對(duì)屏蔽效能的影響；文獻(xiàn)[13-14]運(yùn)用時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)計(jì)算軟件分析計(jì)算了孔縫形狀、數(shù)量、大小及排列對(duì)電子設(shè)備電磁屏蔽效能的影響；文獻(xiàn)[15]基于三維仿真軟件CST從頻域的角度研究了電磁波極化方向以及吸波材料對(duì)加強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[16]針對(duì)隔距較近時(shí)的縫隙陣列分析了孔陣數(shù)目及孔陣隔距對(duì)腔體屏蔽效能的影響，并仿真了損耗項(xiàng)對(duì)腔體內(nèi)諧振頻率的抑制效果。文獻(xiàn)[17-21]研究了使用嵌套混響室測(cè)試小型機(jī)箱屏蔽效能的方法。但是以上的研究主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)較為理想的矩形腔體開(kāi)展的相關(guān)分析，并沒(méi)有結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)展屏蔽效能的研究工作。

本文以某飛機(jī)型號(hào)上的機(jī)載通信設(shè)備為研究對(duì)象(圖1)，其中用虛線標(biāo)記的部分為機(jī)體上的孔縫和通風(fēng)孔陣，搭建了HIRF環(huán)境對(duì)屏蔽體的屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試，利用仿真手段開(kāi)展了設(shè)備屏蔽優(yōu)化分析研究。本文研究工作可為其他機(jī)載電子設(shè)備屏蔽體屏蔽效能的測(cè)試與優(yōu)化提供參考意見(jiàn)。

圖1 機(jī)載通信設(shè)備Fig.1 Airborne communication equipment

1 屏蔽效能

屏蔽體性能的好壞可利用屏蔽效能描述和定量分析。電場(chǎng)屏蔽效能SEE與磁場(chǎng)屏蔽效能SEH表示為

(1)

(2)

式中:E0與H0分別為未加屏蔽體時(shí)機(jī)箱中心點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度;E1與H1分別為加屏蔽殼時(shí)機(jī)箱中心點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。一般而言，對(duì)于近場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的近場(chǎng)波阻抗不相等，電場(chǎng)屏蔽效能和磁場(chǎng)屏蔽效能也不相等；但是對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)是統(tǒng)一的整體，電磁場(chǎng)的波阻抗是一個(gè)常數(shù)，電場(chǎng)屏蔽效能與磁場(chǎng)屏蔽效能相等[22]。本文著重研究遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的屏蔽效能，因此只分析機(jī)載電子設(shè)備的電場(chǎng)屏蔽效能即可。

2 屏蔽效能的試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

根據(jù)RTCA/DO-160G和GJB 5185—2003的測(cè)試要求對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行布置和測(cè)試設(shè)備進(jìn)行選擇[23-24]。為了保證在測(cè)試過(guò)程中機(jī)載通信設(shè)備不會(huì)受到除了發(fā)射天線以外其他設(shè)備的干擾，試驗(yàn)選擇在3 μF微波暗室開(kāi)展，為模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的HIRF輻射場(chǎng)，在測(cè)試的過(guò)程中距離被測(cè)試設(shè)備1 m 的范圍內(nèi)未放置其他設(shè)備。測(cè)試設(shè)備的性能選擇如表1所示，由于機(jī)載通信設(shè)備的屏蔽體體積較小，因此選擇電場(chǎng)探頭測(cè)試設(shè)備內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化情況，電場(chǎng)探頭三維尺寸均為32 mm。

表1 測(cè)試設(shè)備Table 1 Tested equipment

本文利用外置輻射源的方法對(duì)機(jī)載通信設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)展測(cè)試之前，針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，無(wú)屏蔽體時(shí)某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試布置如圖2(a)所示，測(cè)試點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)重新對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)校準(zhǔn)。開(kāi)展測(cè)試時(shí)保持電場(chǎng)探頭的位置不變，將機(jī)載通信設(shè)備屏蔽體放置到測(cè)試環(huán)境中，有屏蔽體的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2(b)所示。無(wú)特殊說(shuō)明的情況下發(fā)射天線選擇垂直極化方式，入射方向?yàn)槿肷涿?。最后將測(cè)試結(jié)果代入式(1)中，得到機(jī)載通信設(shè)備的電場(chǎng)屏蔽效能。由于機(jī)載通信設(shè)備的工作頻率為115～145 MHz，因此在測(cè)試與仿真的過(guò)程中頻率選擇100 MHz～1 GHz。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.2 Test site arrangement

2.2 機(jī)載通信設(shè)備的三維仿真模型

本節(jié)基于CST軟件按照1∶1的比例建立了機(jī)載通信設(shè)備屏蔽體的仿真模型，如圖3(a)所示。機(jī)載通信設(shè)備屏蔽體材料選取理想的金屬材料(PEC)，長(zhǎng)、寬、高分別為36.5、19.0、18.8 cm，屏蔽體的厚度為0.02 cm，在屏蔽體的各個(gè)面設(shè)有不同的通風(fēng)孔陣，其中入射面1的仿真模型如圖3(b)所示，方孔邊長(zhǎng)為0.8 cm。仿真條件的設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)置保持一致。

圖3 三維仿真模型Fig.3 3D simulation model

在設(shè)備中心線上設(shè)置2個(gè)三維探頭，測(cè)試點(diǎn)要與試驗(yàn)中電場(chǎng)探頭的位置保持一致。確保能夠與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析屏蔽效能隨頻率的變化趨勢(shì)，電場(chǎng)探頭的位置如圖4所示。

圖4 不同的電場(chǎng)探頭位置Fig.4 Different positions of electric field probe

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 不同測(cè)試位置

保持入射方向?yàn)槿肷涿?不變，利用試驗(yàn)法與仿真計(jì)算法分別對(duì)測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)2處的屏蔽效能進(jìn)行分析。結(jié)果如圖5所示：仿真結(jié)果比測(cè)試結(jié)果的屏蔽效能大約高10 dB，且試驗(yàn)結(jié)果中諧振頻率發(fā)生了偏移。由于仿真過(guò)程中屏蔽體材料設(shè)置的是理想導(dǎo)體，其屏蔽效能大于實(shí)際屏蔽體材料的屏蔽效能，并且實(shí)際試驗(yàn)的屏蔽體存在壁耗，能夠降低諧振頻率，抑制諧振。同時(shí)，由于試驗(yàn)環(huán)境、實(shí)際設(shè)備內(nèi)部存在不可拆卸的元件等實(shí)際情況與仿真存在細(xì)微差別，導(dǎo)致仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果有一定的差距。但是屏蔽效能隨頻率f的變化趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明仿真結(jié)果具有一定的指導(dǎo)作用。

圖5 不同測(cè)試點(diǎn)處的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness at different test points

此外結(jié)果表明測(cè)試點(diǎn)2的屏蔽效能大于測(cè)試點(diǎn)1的屏蔽效能，即測(cè)試位置離孔縫越遠(yuǎn)，其屏蔽效能越大。

3.2 不同入射面

通過(guò)觀察與分析得到，機(jī)載通信設(shè)備的各個(gè)面上存在不同的通風(fēng)孔陣和貫通導(dǎo)體。因此，HIRF試驗(yàn)分別從屏蔽體的4個(gè)面進(jìn)行輻射，屏蔽體不同測(cè)試面的結(jié)構(gòu)如圖6所示。測(cè)試點(diǎn)2的屏蔽效能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7所示：從不同入射面輻射時(shí)機(jī)載通信設(shè)備的屏蔽效能變化趨勢(shì)是相同的，但是從入射面1和入射面4輻射時(shí)測(cè)試點(diǎn)的屏蔽效能相對(duì)較低，主要是由于入射面1上存在較多通風(fēng)孔，以及入射面4上存在貫通導(dǎo)體導(dǎo)致機(jī)載通信設(shè)備的屏蔽效能降低。測(cè)試結(jié)果確定了設(shè)備在不同入射面輻射下的屏蔽效能，證明了入射面1上的通風(fēng)孔陣與入射面4上的貫通導(dǎo)體是HIRF耦合的主要路徑。為機(jī)載通信設(shè)備屏蔽體的優(yōu)化提供了方向。

圖6 不同入射面的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of different incident surfaces

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

3.3 不同極化方式

通過(guò)改變發(fā)射天線的極化方式，分析測(cè)試點(diǎn)2 在不同的極化方式下屏蔽體屏蔽效能隨頻率的變化趨勢(shì)，入射方向?yàn)槿肷涿?。結(jié)果如圖8所示：垂直極化下測(cè)試點(diǎn)2的屏蔽效能大于水平極化下的屏蔽效能。由于屏蔽材料采用復(fù)合材料，而復(fù)合材料存在各項(xiàng)異性，這種材料特性會(huì)對(duì)不同極化方式測(cè)試的屏蔽效能有較大的影響，因此垂直極化與水平極化下的屏蔽效能存在較大差異。

圖8 不同極化方向的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness in different polarization directions

4 屏蔽體的優(yōu)化仿真分析

4.1 屏蔽體的優(yōu)化

為了提高機(jī)載電子設(shè)備的屏蔽效能，針對(duì)HIRF耦合路徑進(jìn)行屏蔽體優(yōu)化。其中低通濾波器作為機(jī)載通信設(shè)備中的關(guān)鍵部件及距入射面4最近的電路模塊，對(duì)抑制HIRF耦合有較大的作用。因此選擇對(duì)屏蔽體上的通風(fēng)孔陣以及內(nèi)部的低通濾波器進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.1 通風(fēng)孔陣的優(yōu)化

已有文獻(xiàn)研究表明圓形孔陣下腔體的屏蔽效能相對(duì)較高[25]，因此對(duì)于入射面1上通風(fēng)孔陣的優(yōu)化，選擇將正方形孔陣修改為圓形孔陣，同時(shí)由于小孔尺寸效應(yīng)[26]選擇將單個(gè)孔的面積減小而總的孔陣面積(包括非鏤空部分的面積)保持不變，將每個(gè)邊長(zhǎng)為8 mm的方孔改為直徑為4.5 mm 的圓形孔，修正后通風(fēng)孔陣模型如圖9所示。與方形孔陣相比，圓形孔陣鏤空面積大約減少30 mm2，由于通風(fēng)面積相差不大，因此對(duì)通風(fēng)效果的影響可以接受。

圖9 優(yōu)化后的通風(fēng)孔陣模型Fig.9 Ventilation hole array model after optimization

4.1.2 低通濾波器的優(yōu)化

低通濾波器的實(shí)物模型如圖10所示,長(zhǎng)、寬、高分別為15.5、7.4、1.2 cm，屏蔽殼厚度為0.1 cm，模型上設(shè)有7個(gè)等間距、半徑為0.2 cm的圓形線纜接口，以及半徑為0.14 cm的圓形散熱孔陣。根據(jù)低通濾波器模塊在機(jī)載通信設(shè)備內(nèi)的實(shí)際情況，將其放置到機(jī)載通信設(shè)備的屏蔽體相應(yīng)位置上。

圖10 低通濾波器的實(shí)物模型Fig.10 Physical model of low-pass filter

在設(shè)備尖端處的電場(chǎng)通常比較大，為了減小這種現(xiàn)象，將低通濾波器仿真模型面與面之間相連的部分進(jìn)行修正，修正后的低通濾波器仿真模型如圖11所示，圖中用虛線標(biāo)出的是修正后的部分。

圖11 修正后的低通濾波器仿真模型Fig.11 Simulation model of modified low-pass filter

4.2 屏蔽效能仿真計(jì)算

4.2.1 通風(fēng)孔陣優(yōu)化仿真

基于CST三維仿真軟件利用平面波垂直輻照優(yōu)化后的機(jī)載通信設(shè)備的入射面1。優(yōu)化后測(cè)試點(diǎn)2的仿真結(jié)果與原模型結(jié)果對(duì)比如圖12所示。結(jié)果表明：在100～380 MHz范圍內(nèi)屏蔽體的屏蔽效能明顯提高，大約增大15 dB。而850～900 MHz內(nèi)屏蔽效能幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。優(yōu)化后設(shè)備屏蔽效能的整體變化趨勢(shì)是增大的，證明該優(yōu)化是有效的，可為以后屏蔽體上通風(fēng)孔陣的優(yōu)化提供參考意見(jiàn)。

圖12 孔陣優(yōu)化前后的模型屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness before and after hole array optimization

4.2.2 低通濾波器的優(yōu)化仿真

利用平面波垂直輻照加入低通濾波器后的機(jī)載通信設(shè)備的入射面4。濾波器加入前后的機(jī)載設(shè)備在測(cè)試點(diǎn)2的屏蔽效能仿真結(jié)果如圖13所示。加入低通濾波器后的機(jī)載通信設(shè)備屏蔽效能明顯增大。

圖13 低通濾波器加入前后的機(jī)載設(shè)備屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of airborne equipment before and after adding low-pass filter

在屏蔽體內(nèi)部加入低通濾波器，低通濾波器修正前與修正后的機(jī)載通信設(shè)備在測(cè)試點(diǎn)2的屏蔽效能仿真對(duì)比結(jié)果如圖14所示。結(jié)果表明：在100～1 000 MHz的頻率范圍內(nèi)，低通濾波器結(jié)構(gòu)修正后的屏蔽體的屏蔽效能相對(duì)于原始模型的屏蔽效能大約增大8 dB。因此在機(jī)載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)初期可以增大其內(nèi)部模塊尖端處的圓滑度，以達(dá)到優(yōu)化的要求。

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

5 結(jié) 論

本文利用外置輻射源完成了HIRF環(huán)境下機(jī)載通信設(shè)備的屏蔽效能的測(cè)試，可為以后HIRF環(huán)境下其他機(jī)載電子設(shè)備的測(cè)試提供依據(jù)。通過(guò)測(cè)試，獲得了機(jī)載通信設(shè)備的主要耦合通道。最后為屏蔽體不同耦合通道的優(yōu)化提供了參考意見(jiàn)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。