艦載飛行設備線纜線束電磁敏感度分析?

2018-04-27 03:34金天舒杜曉昌梁勝杰

艦船電子工程 2018年4期

金天舒杜曉昌段濤梁勝杰

（91697部隊青島 261200）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會信息化進程的不斷加快，電氣、電子及通信設備在各領域的大量應用，各類電磁波變得無處不在，無時不有，對于用電設備而言這些都是潛在的干擾源。在國外，已把電磁波的影響看作一種環(huán)境污染，成立了相關機構對通信和電子產品進行管理，制訂對應的電磁輻射限值標準，加以控制［1］。海上艦艇環(huán)境更是一個電磁干擾復雜的環(huán)境，電子和通信設備較多、任務量較大，對系統(tǒng)設備的可靠性和使用性能產生嚴重影響的可能性更大［2］。而飛行器設備本身比較敏感和特殊，其特點是在狹小空間中布置的電子設備多，線纜集中安裝，電磁頻譜覆蓋范圍寬，發(fā)射功率大，接受器靈敏度高，受干擾途徑多，這就使飛行器的線纜和設備更容易受電磁干擾的影響，甚至會對飛行安全產生相當危險的影響，因此我們對其線纜線束的電磁敏感度進行分析研究對保證其飛行安全及完成任務有著重要的意義。

2 計算方法

當電磁波照射到傳輸線上，將出現(xiàn)場到線的耦合問題，沿線引起的分布小電壓源會在電纜內部激勵電流，該電流沿電纜流入電纜端接設備從而對電子設備形成輻射干擾［3］。具體模型如圖1所示，電磁場作用于兩個設備之間連接的電纜，由于電磁波的照射，在電纜的沿線感應出許多小電壓源dU，它的大小取決于線上微分段的場強，即dU=Eidl。

圖1 電磁波激勵的分布電壓源

圖1中，對于任意一個微分段dz來說，既有兩線間的耦合參數(shù)，又有感應電壓源，稱為具有分布電壓源的電纜分段。由含有分布源的傳輸線方程式（1）～（2）可以求得一個微分段電壓源dU作用下得到的沿電纜分布的電流I'(z)，如果沿電纜全長0～1間有連續(xù)感應的無數(shù)個dU作用，則需將作用電流進行沿線積分，才能獲得實際電流的分布函數(shù)

式中

Z1，Z2為電纜兩端連接設備的阻抗。

結合國軍標GJB151B-2013中的RS103對實驗機型纜線束電磁敏感度進行具體分析［4］。RS103適用于設備和分系統(tǒng)殼體及所有互連電纜，同時規(guī)定了輻射電場的限值。

RS103要求EUT（受試設備）在規(guī)定限值的輻射場測試下，不應出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標值，或超出單個設備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標容差。在30MHz以下，對垂直極化場應滿足要求，在30MHz以上，對垂直極化場和水平極化場均應滿足要求。

3 模型分析及計算模型

3.1 模型分析

實驗機型機體結構主要是金屬與介質的復合材料，機身和發(fā)動機蒙皮均是鋁合金材料，而飛行器機翼處部分為鋁合金，部分為碳纖維，轉接處采用鈦合金焊接；對于尾翼處，采用碳纖維材料，與機身的轉接處采用鈦合金焊接；飛行器頭部有部分為有機玻璃，采用噴金導電薄膜以增強電磁防護。

當電磁場在通過金屬或者對電磁場有衰減作用的阻擋層時，會受到一定程度的衰減，即產生屏蔽作用［5］。屏蔽性能以屏蔽效能來度量。屏蔽效能的定義是：對給定外來源進行屏蔽時，在某一點上屏蔽體安放前后的電場強度或磁場強度之比值，即

或者

SE為屏蔽效能（倍數(shù)）；E0為無屏蔽體時某一點的電場強度；H0為無屏蔽體時某一點的磁場強度；E1為安放屏蔽體后同一點的電場強度；Ht為安放屏蔽體后同一點的磁場強度。

由于屏蔽效能的數(shù)值范圍很寬，用倍數(shù)表達不方便，用它來進行屏蔽效能計算更為麻煩，因此在工程上，屏蔽效能一般均用分貝（dB）表示，其演算關系如下：

或者

屏蔽效能的大小與電磁場的性質及金屬自身的特性有關。當平面電磁波入射到一塊厚度為t的實心金屬板時，若金屬板兩側的傳播媒質均為空氣，在金屬板的第一界面上，由于阻抗的突變，電磁波的一部分就被反射，剩余部分透過界面進入到金屬內。電磁波在金屬板內傳播時，金屬板會消耗投射電磁波的能量使其衰減；投射波到達第二分界面時，又要產生反射，只剩小部分透過第二界面進入被屏蔽空間。

在上述過程中，電磁波入射到金屬板時，一部分能量被兩個分界面反射，起到屏蔽作用，稱為反射損耗。而投射波在金屬板內傳播過程中被衰減的那部分能量稱之為吸收損耗［6］。

在第二分界面上被反射的電磁波回到第一分界面時將再次產生反射，到達第二分界面時，又發(fā)生反射和投射，如此循環(huán)往復，直至能量全部被衰減和投射。電磁波在兩個分界面之間多次反射的現(xiàn)象就是屏蔽理論中應該考慮的多次反射修正因子。

綜上所述，金屬板的電磁屏蔽作用可由下式表示：

式中：A為吸收損耗（倍數(shù)）；R為反射損耗（倍數(shù)）；B為多次反射修正項（倍數(shù)）。

若用dB表示，則為

根據(jù)分析可以求得屏蔽效能的計算式為

式中：Γ為電磁波在金屬中的傳播常數(shù)；t為金屬板厚度；K為空氣波阻抗與金屬波阻抗比值。

Zω為電磁波在空氣中的傳播常數(shù)；Zs為電磁波在金屬中的傳播常數(shù)。

1）吸收損耗部分A

由于實驗機型機身外面是鋁蒙皮，根據(jù)公式把1mm的鋁板在不同頻率下的吸收損耗列如表1所示：（鋁蒙皮的厚度按1mm計算）

表1 鋁板在不同頻率下的吸收損耗

2）反射損耗部分R

在一般情況下，空氣的波阻抗Zω遠大于金屬材料的波阻抗Zs，則上式可以簡化成

空氣的波阻抗取決于屏蔽體的位置在場源的近區(qū)還是遠區(qū)，以及干擾源的性質。根據(jù)不同的場區(qū)和場源特性可列出相應的反射損耗表達式，并求得反射損耗。根據(jù)實驗機型的具體情況，估計反射損耗在79dB～92dB。

3）多次反射修正項

由式（3）～（15）可見，多次反射修正項與吸收損耗有關，當吸收損耗大于10dB時（即A＞10dB），多次反射修正項可以忽略。

綜合上面三項分析，可以得出：為分析飛行器主體的屏蔽效能，將有機玻璃忽略，視機頭全部為金屬材質，則屏蔽效能為

根據(jù)上面的分析，機身屏蔽效能最低為90dB以上，在1MHz將達到182dB以上，1GHz將達到3329dB以上。

3.2 計算模型

仿真模型采用CST（Computer Simulation Tech?nology）三維全波電磁場仿真軟件環(huán)境下的軟件模型，如圖2所示。

圖2 飛行器機體仿真模型

圖3為平面波激勵信號，水平極化，可以看到其幅值為200V/m。用該平面波照射飛行器機身，計算在選定線纜線束上產生的感應電壓。

4 計算結果和結論

計算中對水平極化場進行了計算，水平極化時，極化方式同線纜線束平行，此時的感應電壓較大。由于計算線纜數(shù)量較大，這里只給出部分線纜在水平極化場情況下在設備端口上產生的感應電壓的計算曲線，最后對各個端口的感應電壓進行簡單分析，如圖4～圖9，圖中標頭為結果大小（Result Magnitude），橫坐標為激勵波頻率（Frequency），縱坐標為感應電壓（Voltage）。