HIRF條件下機(jī)載電子設(shè)備屏蔽性能研究

韓 征， 馬振洋， 史春蕾， 程 爭

(中國民航大學(xué)，a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心； b.民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實驗室； c.安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300000)

0 引言

機(jī)載電子設(shè)備在飛機(jī)飛行過程中處于復(fù)雜的電磁環(huán)境，除了受到閃電等自然干擾源的影響，還會受到來自飛機(jī)外部大功率無線電發(fā)射機(jī)(如無線通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)設(shè)備)產(chǎn)生的高強(qiáng)度輻射場(HIRF)的干擾，對航空安全構(gòu)成威脅。HIRF頻帶范圍覆蓋10 kHz～40 GHz，電場強(qiáng)度可達(dá)每米數(shù)千伏，對航空機(jī)載電子設(shè)備的影響很大[1-2]。而金屬屏蔽體可以有效地切斷耦合途徑、抑制電磁干擾，提高電子設(shè)備的防護(hù)性能，但是實際中的設(shè)備由于通風(fēng)散熱、線纜接口等需求的存在，不可避免出現(xiàn)一些孔縫，降低了金屬屏蔽殼體的屏蔽性能。

面對日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，目前國內(nèi)外對于航空器的電磁環(huán)境已有一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-3]通過對機(jī)載設(shè)備屏蔽殼體模型上的孔縫進(jìn)行多種變換分析其對屏蔽效能的影響；文獻(xiàn)[4]分析了不同測試條件下復(fù)合材料燃油箱模型屏蔽效能的差別；文獻(xiàn)[5-7]研究了飛機(jī)在閃電間接效應(yīng)下機(jī)艙內(nèi)外的感應(yīng)電場、表面電流等電磁環(huán)境參數(shù)；文獻(xiàn)[8]仿真分析了直升機(jī)底部不同開孔模型對飛機(jī)內(nèi)部輻射能量的影響；文獻(xiàn)[9]分別采用HIRF激勵和直接電流注入(DCI)激勵兩種方法仿真分析了飛機(jī)表面電流；文獻(xiàn)[10-11]分別采用仿真分析和實測兩種方法對比分析了HIRF環(huán)境下耦合進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部的感應(yīng)電場等結(jié)果的差別；文獻(xiàn)[12]研究了飛機(jī)內(nèi)部耦合場的HIRF傳遞函數(shù)，并用數(shù)值仿真方法進(jìn)行了驗證；文獻(xiàn)[13]研究了閃電環(huán)境下飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料對電磁屏蔽效能的影響；文獻(xiàn)[14]將航空器機(jī)身簡化為金屬腔體，分別對單縫隙、多縫隙情況下的屏蔽效能進(jìn)行了細(xì)致研究。以上研究是在不同的電磁環(huán)境下開展的，采用多種方法針對簡化的機(jī)載設(shè)備屏蔽體模型或整機(jī)進(jìn)行測試，并沒有與相對復(fù)雜的具體機(jī)載電子設(shè)備相結(jié)合，缺乏實際的指導(dǎo)意義。

由于當(dāng)前針對HIRF環(huán)境下具體機(jī)載電子設(shè)備電磁屏蔽性能的研究相對較少，因此，本文以某航空機(jī)載電子設(shè)備為研究對象，采用CST電磁軟件對其進(jìn)行測試分析，分別從時域和頻域的角度分析了內(nèi)部中心線探針上的電場情況，計算得到了從不同面板垂直入射情況下中心線探針上的屏蔽效能，并仿真分析了多個頻率下設(shè)備殼體表面的電場分布，為機(jī)載電子設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 電磁屏蔽相關(guān)知識

屏蔽是指將電子設(shè)備輻射的電磁能量控制在特定區(qū)域內(nèi)，以免干擾其他設(shè)備，或者通過各種屏蔽材料吸收和反射，防止外部電磁能量的入侵[14-15]。本文研究的內(nèi)容是外部HIRF環(huán)境下電磁能量對設(shè)備屏蔽性能的影響。設(shè)備殼體屏蔽性能的好壞通常用屏蔽效能(SE)描述，屏蔽效能表示為屏蔽前某點(diǎn)電場強(qiáng)度與屏蔽后該點(diǎn)電場強(qiáng)度之比，常以dB為單位，其算式為[16]

(1)

式中：E0為屏蔽前的電場強(qiáng)度；E1為屏蔽后的電場強(qiáng)度。

電磁場的數(shù)值計算方法有多種，可分為頻域法和時域法，這些方法本質(zhì)上都是用來求解麥克斯韋方程組的。頻域法有矩量法(Method of Moments，MoM)、有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)等，時域法有時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)、傳輸線矩陣法(Transmission-Line Matrix，TLM)[17-18]等。目前常用的電磁仿真軟件大多是基于以上計算方法求解的，如CST,EMA3D主要是基于時域有限差分法，HFSS是基于有限元法，Agilent ADS是基于矩量法，F(xiàn)lo/EMC是基于傳輸線矩陣法[15,19-20]。這些軟件各有各的特點(diǎn)和適用范圍，在仿真時根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。CST是三維全波高頻電磁仿真軟件，具有計算速度快、建模方便、后處理功能強(qiáng)大和計算精度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足本文試驗要求。

2 機(jī)載電子設(shè)備模型建立

為了研究機(jī)載電子設(shè)備電磁屏蔽性能，本文基于CST電磁仿真軟件按照1∶1的比例對其建立了三維仿真模型，模型結(jié)構(gòu)與設(shè)備相同，如圖1所示。該模型材料設(shè)置為理想金屬(PEC)，尺寸為36.5 cm×19 cm×18.8 cm，厚度為0.2 cm，殼體具有一些通訊接口及散熱孔，這些孔洞、縫隙破壞了殼體的屏蔽完整性，電磁干擾信號可經(jīng)過孔縫耦合進(jìn)入內(nèi)部，對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。

圖1 機(jī)載電子設(shè)備仿真模型

設(shè)備各個面板視圖如圖2所示，前面板有麥克風(fēng)插口、喇叭開孔，后面板有同軸線接口和多陣腳測試串口，左側(cè)、頂部和底部面板分布有散熱孔。

圖2 設(shè)備各個面板視圖Fig.2 Views of different panel of the equipment

為了分析設(shè)備的電場特性和屏蔽效能，在其內(nèi)部中心線上設(shè)置3個電場探針，以前面板中心為原點(diǎn)(0,0,0)，P1,P2和P3探針的坐標(biāo)依次為(8.5,0,0),(18.2,0,0)和(28.5,0,0)，P2位于設(shè)備中心，P1和P3分別靠近前、后面板，以便觀察測試結(jié)果沿中心線的變化情況，如圖3所示。上述坐標(biāo)的單位均為cm。

圖3 設(shè)備內(nèi)部電場探針Fig.3 Electric field probe inside the equipment

3 基于仿真模型體的測試分析

設(shè)備殼體往往可以看作諧振腔體，腔體內(nèi)部在諧振頻率附近會產(chǎn)生場強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，諧振頻率算式為[17]

(2)

式中：μ，ε分別為腔體內(nèi)填充介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)；a，b，l分別為腔體的長、寬、高；諧振波的模m，n，p均為整數(shù)且至少兩個不同時為零。對于l>a>b的情況，TE101模是諧振腔的最低諧振頻率。當(dāng)激勵信號的頻率等于諧振腔的諧振頻率時，腔體處于諧振狀態(tài)，儲能最大。腔體填充介質(zhì)為空氣，結(jié)合模型尺寸參數(shù)，計算得到該腔體TE101模的諧振頻率為890 MHz。該電子設(shè)備的工作頻段為115～145 MHz，同時，為了清楚地表征諧振頻率890 MHz附近的屏蔽特性，仿真試驗中頻率掃描范圍選取為0～1 GHz。

仿真選取CST中默認(rèn)的高斯信號作為平面波激勵源，場強(qiáng)大小為1 V/m，模擬HIRF的作用，這是因為高斯脈沖包含了豐富的頻譜，是主要的脈沖干擾信號之一[21]。在CST中設(shè)置高斯信號的頻率范圍為0～1 GHz，產(chǎn)生激勵信號的時域波形和頻譜如圖4所示，此時，99%的能量包含在以上頻段的信號頻譜之內(nèi)。文獻(xiàn)[14-15]研究表明，平面波垂直入射時，屏蔽效能最差，本文在測試過程中選取最壞的情況即入射方向垂直于設(shè)備面板。

圖4 激勵信號時域波形和頻譜Fig.4 Time domain waveform and spectrum of excitation signal

3.1 設(shè)備內(nèi)部探針電場強(qiáng)度測試

實際情況下，HIRF的入射方向不是固定的，在進(jìn)行設(shè)備模型內(nèi)部探針的電場強(qiáng)度測試時，假設(shè)平面波從前面板垂直入射，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電場探針上的時域波形和頻譜Fig.5 Time domain waveform and spectrum on electric field probe

時域波形顯示，3個探針整體的電場強(qiáng)度峰值小于激勵源，設(shè)備殼體起到了一定的屏蔽作用，激勵信號的能量得到了衰減。具體來看，在初始階段3個探針到達(dá)第一個頂點(diǎn)的時間分別為2.00 ns，2.25 ns和2.50 ns。已知電磁波在空氣中的傳播速度為3×108m/s,相鄰探針之間的間距分別為9.7 cm和10.3 cm，理論計算得到電磁波到達(dá)相鄰探針的時間差分別為0.32 ns和0.34 ns，與前面測試得到的時間差比較接近。隨著時間增加，P1探針處的場強(qiáng)在2.75 ns時達(dá)到峰值，P2和P3探針上的場強(qiáng)滯后于P1探針，于4.50 ns時達(dá)到峰值，這是由于腔體內(nèi)部的感應(yīng)電場不斷反射疊加，已經(jīng)不能滿足電磁波在均勻介質(zhì)中傳播的規(guī)律。當(dāng)激勵信號幅度降低以后，各個探針上的場強(qiáng)隨之振蕩下降，場強(qiáng)波形持續(xù)時間變長。

由于屏蔽腔體諧振效應(yīng)的存在，在諧振頻率附近內(nèi)部的電場強(qiáng)度會大于外部電場強(qiáng)度。由電場的頻譜圖5(b)可以看到3個探針分別在876 MHz，893 MHz和885 MHz處達(dá)到場強(qiáng)最大值，與前面理論計算結(jié)果相符。在600 MHz以下的低頻段，3個探針上的場強(qiáng)在0.5 V/m以下，在600～1000 MHz頻段內(nèi)由于諧振模式被激勵，場強(qiáng)迅速增大，最大值出現(xiàn)在中心探針P2上，可達(dá)到3 V/m?？傮w來看，3個探針上的場強(qiáng)變化趨勢基本一致。

3.2 屏蔽效能測試

通過分析設(shè)備殼體的屏蔽效能，能為機(jī)載電子設(shè)備電磁防護(hù)提供參考。由于設(shè)備的各個面板具有不同形狀的開孔與縫隙，仿真試驗時選取不同的輻照方向垂直入射，以觀察電磁干擾從殼體不同面板入射時3個探針上的屏蔽效能特性，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)和圖6(b)分別為從前、后面板垂直入射時屏蔽效能的計算結(jié)果。由圖2可知前、后面板的孔縫不一樣，兩種測試條件下的屏蔽效能存在一致性也有區(qū)別。在600 MHz以下的低頻段屏蔽效果較好，這是因為在低頻段時，電磁波波長較長，難以耦合進(jìn)入孔縫。在600 MHz以上的頻帶多個頻率點(diǎn)處發(fā)生諧振，一方面是由腔體自身的諧振引起的，另一方面由于孔縫的存在，還會產(chǎn)生一些孔縫諧振點(diǎn)[15]。從前面板垂直入射時，3個探針處的屏蔽效能趨勢基本一致，靠近孔縫位置屏蔽效能相比更差，在760 MHz附近P2和P3探針的屏蔽效能比P1低15 dB；從后面板垂直入射時，諧振頻率點(diǎn)和3個探針的位置相關(guān)，靠近后面板的P3探針處的諧振頻率降低，并在掃描頻率范圍內(nèi)有多個諧振點(diǎn)，在諧振點(diǎn)處電磁波較強(qiáng)地耦合進(jìn)入腔體，結(jié)果導(dǎo)致屏蔽效能下降。

左側(cè)面板和右側(cè)面板形狀一樣，右側(cè)面板無通風(fēng)孔陣，從這兩個面垂直入射的屏蔽效能計算結(jié)果分別如圖6(c)和圖6(d)所示。從兩幅圖中看出，P1探針處的屏蔽效能對比差別不大，從右側(cè)面板入射時，P2和P3探針處的屏蔽效能更低。雖然右側(cè)面板沒有孔縫，但由于是模擬遠(yuǎn)場輻照殼體內(nèi)部電磁波經(jīng)過多次反射，因此屏蔽效能曲線依然存在諧振點(diǎn)，分布在800 MHz以上的頻帶。

頂部通風(fēng)孔陣為長條形，底部通風(fēng)孔陣為近似方形區(qū)域，二者結(jié)構(gòu)不一樣，從這兩個面垂直入射時，圖6(e)和圖6(f)的屏蔽效能曲線看來相差不大。整體上P1探針上的屏蔽效能最優(yōu)，均在15 dB以上。在600 MHz以上還是靠近后面板的P3探針效能相對較差，P2次之。

圖6 不同入射面的屏蔽效能

由總體結(jié)果來看，從不同面板垂直入射時，3個探針上的屏蔽效能曲線趨勢基本一致，在600 MHz以下的低頻段屏蔽效能基本都在20 dB以上，中心探針P2屏蔽效能最好。600 MHz以上屏蔽效能雖然由于諧振效應(yīng)的緣故而變差，最低在P3探針處甚至降為-50 dB，但已經(jīng)避開了該電子設(shè)備的工作頻段，不會對設(shè)備工作產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。從相對兩個面板垂直入射時屏蔽效能的結(jié)果比較相近，這是由于遠(yuǎn)場輻照減小了入射面不同對中心線探針上屏蔽效能的影響，而各個面板的開孔情況不一樣引起在幅度大小上有差異。由于后面板有同軸線接口和多陣腳測試串口，此時電磁波耦合路徑除了孔縫還有線纜[18-19]，電磁場環(huán)境復(fù)雜，因此從后面板入射時探針處的諧振頻率變化較大，并且靠近該面板處的P3探針上屏蔽效果總體較差。

由以上研究可知，改善機(jī)載設(shè)備屏蔽效能的主要途徑有：1) 在設(shè)計屏蔽體時，其諧振頻率與設(shè)備的工作頻段應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g隔并留有余量；2) 在600 MHz以下的低頻段，靠近中心位置屏蔽效能相對較好，在600 MHz以上的高頻段，敏感性部件除了要遠(yuǎn)離孔縫、線纜接口的位置，還要注意避免放置在設(shè)備中心。

3.3 設(shè)備表面電場分布測試

電磁波入射到導(dǎo)體表面上，理想情況下會被完全反射回去，而實際情況下介質(zhì)為非理想導(dǎo)體，一部分電磁波會進(jìn)行反射，一部分會通過設(shè)備殼體的接口、通風(fēng)孔等途徑耦合進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，還有一部分會入射到導(dǎo)體表面。上節(jié)分析了設(shè)備內(nèi)部的電場情況，本節(jié)分析HIRF環(huán)境對設(shè)備殼體的耦合影響。

由趨膚效應(yīng)的原理可知，電磁波對設(shè)備殼體進(jìn)行透射，穿透深度[17]算式為

(3)

式中：f為入射電磁波的頻率；μ和σ分別為設(shè)備殼體材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。以銅為例，電導(dǎo)率σ=5.8×107S/m，磁導(dǎo)率取真空磁導(dǎo)率μ=4π×10-7H/m。當(dāng)電磁波頻率為100 MHz和1 GHz時，趨膚深度分別為6.6 μm和2.1 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殼體的厚度，因此電磁波會在設(shè)備殼體的薄層進(jìn)行傳播。

設(shè)備表面電場的試驗條件：假設(shè)平面波入射方向垂直于前面板，其他條件和前面的試驗一致。圖7顯示了設(shè)備表面在不同頻率點(diǎn)處的電場強(qiáng)度分布結(jié)果。其規(guī)律是，相鄰面板連接處和孔縫附近電場強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域。在100 MHz和300 MHz時后面板邊緣明顯高于其他區(qū)域，這與后面板的線纜接口有關(guān)。在500 MHz及以上的頻率點(diǎn)，設(shè)備表面電場強(qiáng)度以設(shè)備相鄰面板接縫處和孔縫邊緣為中心向周圍擴(kuò)展增高。接縫處場強(qiáng)高是由于尖端放電原理，導(dǎo)體表面曲率大的地方，聚集的感應(yīng)電荷比較多，因此電場增強(qiáng)。孔縫為HIRF進(jìn)入該設(shè)備內(nèi)部的主要耦合途徑，在高頻段時耦合場增強(qiáng)，孔縫附近電場強(qiáng)度相對較高。

圖7 設(shè)備表面不同頻率下電場強(qiáng)度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on equipment surface under different frequencies

通過對設(shè)備表面電場分布的觀察與分析，一方面需要注意在孔縫處要防止更多的干擾信號進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，另一方面需要注意后面板處電磁能量聚集較多，特別在低頻段與設(shè)備工作頻率重合的范圍內(nèi)要采取電磁防護(hù)措施以減少對設(shè)備正常工作的影響。

4 結(jié)束語

本文以某機(jī)載電子設(shè)備為例建立了仿真測試模型，借助CST軟件完成了HIRF條件下設(shè)備屏蔽性能的一系列試驗。根據(jù)測試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：1) 機(jī)載電子設(shè)備的屏蔽性能與屏蔽體的尺寸、孔縫結(jié)構(gòu)，HIRF干擾信號的入射方向及頻率高低等因素相關(guān)；2) 在進(jìn)行HIRF防護(hù)設(shè)計時，主要需要考慮屏蔽體自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及設(shè)備內(nèi)敏感元器件的擺放位置，屏蔽體的諧振頻率應(yīng)與設(shè)備的工作頻段錯開；3) 敏感性部件應(yīng)盡量安裝在遠(yuǎn)離設(shè)備殼體孔縫、設(shè)置有線纜接口以及中心這些屏蔽效能低的區(qū)域。由于本文試驗是利用仿真軟件進(jìn)行的，所建立的設(shè)備模型、試驗環(huán)境與實際情況存在偏差，因此后續(xù)準(zhǔn)備結(jié)合實驗室試驗，開展HIRF環(huán)境下機(jī)載電子設(shè)備的屏蔽性能研究。