摘 要:武器系統(tǒng)的電磁泄漏已成為泄露軍事戰(zhàn)略意圖，暴露重要軍事目標(biāo)的一個(gè)主要途徑。金屬腔體可作為飛機(jī)或?qū)椉軜?gòu)輻射泄漏的屏蔽體，研究其屏蔽效能可為預(yù)估飛彈或飛機(jī)在此屏蔽架構(gòu)下的泄漏參考。在此利用FEKO電磁仿真軟件建立了金屬空腔的模型，并在其內(nèi)部設(shè)置低頻Dipole天線作為輻射泄漏信號(hào)，仿真和分析了不同形狀的金屬空腔在頻率10~70 MHz情況下對(duì)于泄漏信號(hào)的屏蔽效能。分析的結(jié)果表明:鋁制金屬腔體對(duì)于電磁泄漏信號(hào)在10~40 MHz時(shí)具有好的屏蔽效果。

關(guān)鍵詞:電磁泄漏;屏蔽效能;FEKO;天線

中圖分類號(hào):TM153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-137-03

Study of Shielding Effectiveness of Metal Cavum Based on FEKO

YU Jian，YU Zhiyong

(The Second Artillery Engineering College，Xi′an，710025，China)

Abstract:EM leakage of weapon system has been a primary way，of which military strategetic purpose is divulged and important military establishment is exposed.Study of shielding effectiveness of metal cavum，which can be the shielding encloser for airplane and missile，it is the reference for estimating the EM leakage of airplane or missile in the metal cavum.Therefore，in order to study SE of different metal cavum on EM leakage at frequency range 10~70 MHz，software FEKO is used to set up the metal cavum model，inside which a low frequency Dipole is placed as EM leakage.The analytical results show that SE of aluminum cavum on EM leakage at frequency range 10~40 MHz is perfect.

Keywords:EM leakage;shielding effectiveness;FEKO;antenna

0 引 言

武器裝備是軍事力量的基石和支柱，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)有著至關(guān)重要的影響。隨著微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等電子信息技術(shù)在武器裝備中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代武器裝備日益信息化和電磁敏感化。現(xiàn)代武器系統(tǒng)具有大量的電磁發(fā)射源和較大的電磁輻射[1]，因而武器系統(tǒng)在工作過程中存在較強(qiáng)的電磁泄漏信號(hào)[2]。這些泄漏信號(hào)的存在會(huì)威脅武器系統(tǒng)的生存，造成信息的泄漏。由此可見，對(duì)武器系統(tǒng)的電磁泄漏防護(hù)進(jìn)行研究是十分有必要的。

本文在充分理解電磁屏蔽效能[3]的基礎(chǔ)上，利用FEKO軟件分析了鋁材料[4]的矩形、拱形以及梯形三種不同形狀的金屬空腔的電磁屏蔽效能(SE)隨頻率的變化。若SE<0，則表明屏蔽空腔中的能量會(huì)增長(zhǎng)，電磁泄漏可能會(huì)威脅武器系統(tǒng)的生存能力;若SE>0，則表明屏蔽空腔的能量得到衰減，屏蔽效能較好，能防止電磁泄漏對(duì)武器系統(tǒng)構(gòu)成威脅。采用仿真的方法研究不同形狀的金屬空腔的屏蔽效果，能有效地節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作為武器系統(tǒng)電磁泄漏防護(hù)的重要依據(jù) 。

1 電磁屏蔽效能[3，4]

如圖1所示，屏蔽效應(yīng)定義[3]為在電磁場(chǎng)中同一地點(diǎn)沒有屏蔽存在時(shí)的功率密度強(qiáng)度與屏蔽存在時(shí)的功率密度強(qiáng)度的比值，可用下式表示:

SEdB=10log(E1/E2)(1)

式中:E1為當(dāng)屏蔽物不存在時(shí)，所測(cè)量到的功率密度強(qiáng)度;E2為當(dāng)屏蔽物已經(jīng)存在時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)所測(cè)量到的功率密度。

圖1 屏蔽效能定義示意圖

若用以電磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，則定義為:

SEdB=20log(Eb/Ea)

或:

SEdB=20log(Hb/Ha)(2)

式中:Ea為屏蔽后的場(chǎng)強(qiáng);Eb為屏蔽前的場(chǎng)強(qiáng)。屏蔽效能表征了屏蔽體對(duì)電磁波衰減程度，其關(guān)系如表1所示。

表1 屏蔽效能與場(chǎng)強(qiáng)衰減的關(guān)系

屏蔽前場(chǎng)強(qiáng)屏蔽后場(chǎng)強(qiáng)衰減量屏蔽效能/dB

10.10.920

10.010.9940

10.0010.99960

10.000 10.999 980

10.000 010.999 99100

10.000 0010.999 999120

2 仿真模型的建立[5-7]

采用FEKO仿真，是以求解嚴(yán)格的積分方程[8]的矩量法(MOM)為基礎(chǔ)的電磁仿真軟件。該方法的思想主要是將幾何目標(biāo)剖分離散，在其上定義合適的基函數(shù)，然后建立積分方程，用權(quán)函數(shù)檢驗(yàn)從而產(chǎn)生一個(gè)矩陣方程，求解該矩陣方程，即可得到幾何目標(biāo)上的電流分布，從而其它近遠(yuǎn)場(chǎng)信息可從該電流分布求得。本文通過采用FEKO建立矩形、拱形以及梯形三種形狀的空腔架構(gòu)，考慮用偶極子(Dipole)模擬輻射源[9]，觀察距輻射源的電場(chǎng)分布情況，并利用式(2)去計(jì)算空腔架構(gòu)對(duì)于電場(chǎng)的屏蔽效能，分析對(duì)比三種形狀的金屬空腔的屏蔽效果。

如圖2所示，建立三種形狀的空腔架構(gòu)[8]。矩形空腔其尺寸為20 m×4 m×6 m;拱形空腔其尺寸為:長(zhǎng)20 m，寬4 m，頂部半圓半徑為2 m，高為6 m;梯形空腔的尺寸為:長(zhǎng)20 m，頂部寬3 m，底部寬4 m，高6 m。此三種空腔的材料選為鋁質(zhì)材料[6](σ=3.54×107 S/m，μr=1)，厚度為5 mm。在屏蔽腔體內(nèi)部，沿z軸方向設(shè)置一個(gè)尺寸為長(zhǎng)1 m，半徑0.001 m的Dipole天線作為電磁脈沖的激勵(lì)源，并將坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)于屏蔽腔體的中心。

圖2 三種常用形狀的金屬空腔

3 屏蔽效能分析

首先，在各個(gè)腔體開口方向距中心1 m處觀察電場(chǎng)的變化情況，并與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果進(jìn)行比較。由圖3可以看出，在參數(shù)設(shè)置基本一致的條件下，對(duì)于拱形、矩形以及梯形三種常見的金屬空腔，梯形的屏蔽效能相對(duì)于其他兩種金屬空腔較好;當(dāng)泄漏信號(hào)的頻率在10~70 MHz時(shí)，三種金屬空腔屏蔽效果較好的頻段為30~40 MHz之間;電場(chǎng)的屏蔽效益大約都在40~70 MHz會(huì)呈現(xiàn)一段屏蔽效益小于0的頻段，此說明電場(chǎng)在40~70 MHz會(huì)有增強(qiáng)的效果。文獻(xiàn)[7]就電磁脈沖防護(hù)的問題研究了矩形以及半圓形金屬空腔的屏蔽效能，本文的模型與其基本一致，與它所得的屏蔽效能圖比較，可以知道采用FEKO仿真的方法也可以樣得到很好的結(jié)果。

圖3 1 m處三種金屬空腔屏蔽效能圖

接下來，將觀察點(diǎn)設(shè)在腔體開口方向距中心12 m處。如圖4所示，觀察此Dipole天線所產(chǎn)生的電場(chǎng)在距三種金屬空腔中心12 m處(即在金屬空腔開口處)的分布情況?？梢钥闯觯蠹s在40~70 MHz時(shí)三種金屬空腔的屏蔽效能小于0 dB，說明電場(chǎng)在40~70 MHz會(huì)有增強(qiáng)的效果。若在此三種金屬空腔內(nèi)部放置一個(gè)電子設(shè)備時(shí)，產(chǎn)生低頻的電磁泄漏信號(hào)，如果泄漏信號(hào)在40~70 MHz時(shí)，則此信號(hào)很容易被探測(cè)?？偟恼f來，此時(shí)梯形的屏蔽效果較矩形和拱形都好。

圖4 在金屬空腔開口處的屏蔽效能圖

根據(jù)上述的分析可知，在空腔內(nèi)部開口方向設(shè)置觀察點(diǎn)，鋁制的金屬空腔在低頻段10~40 MHz屏蔽效果較好。梯形金屬空腔的屏蔽效果總的來說要比其他兩種金屬空腔的好。為了更好地描述屏蔽效能，在距離金屬空腔的側(cè)壁2 m處設(shè)置觀察點(diǎn)，觀察在側(cè)壁處的屏蔽效能。由圖5可以觀察出，此三種金屬空腔的側(cè)壁2 m處的電場(chǎng)屏蔽效益在頻率10~28 MHz基本在80 dB附近，而在頻率28 ~40 MHz，隨著頻率的增加，電磁屏蔽效能降低;電場(chǎng)在40~70 MHz，梯形和拱形的屏蔽效能基本保持在10 dB附近，矩形的屏蔽效能保持在30 dB附近。

圖5 在離金屬空腔側(cè)壁2 m處的屏蔽效能圖

最后，討論在頻率為30 MHz時(shí)，空腔開口方向的屏蔽效能隨距離變化的情況。如圖6所示，在1~3 m范圍內(nèi)，拱形金屬空腔和矩形金屬空腔的屏蔽效果的差異性不大，而梯形的屏蔽效果在距離小于2 m時(shí)略不如其他兩種空腔，當(dāng)距離大于2 m時(shí)屏蔽效能較其他兩種空腔較好;當(dāng)距離大于3 m時(shí)，隨著距離的增加，三種空腔的屏蔽效能逐漸變大，最后趨于平緩，且此時(shí)由仿真的結(jié)果可觀察出三種空腔中屏蔽效能最好的為梯形，其次為拱形，最后是矩形。

圖6 頻率為30 MHz時(shí)屏蔽效能隨距離的變化圖

4 結(jié) 語

由于武器系統(tǒng)在工作的過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生“有意”和“無意”的電磁輻射，從而對(duì)武器系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。比如，引起系統(tǒng)間電磁干擾(EMI)而破壞周圍電磁環(huán)境的電磁兼容性(EMC)，包含的信息被截獲而造成武器系統(tǒng)失、泄密的問題等。本文用FEKO仿真的方法分析了三種金屬空腔對(duì)電磁泄漏信號(hào)的屏蔽效能并與文獻(xiàn)[7]中MOM方法的結(jié)果進(jìn)行了比較，分析的結(jié)果一致表明:在金屬腔體開口方向，電磁泄漏信號(hào)在10~40 MHz時(shí)具有好的屏蔽效果，且梯形的屏蔽效果優(yōu)于其他兩種金屬空腔。因而此結(jié)果可作為武器系統(tǒng)電磁泄漏防護(hù)的參考。

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作者簡(jiǎn)介 喻 建 男，1983年出生，江蘇南通人，碩士研究生。研究方向?yàn)殡姶偶嫒菖c頻譜管理。