王樹(shù)嶠，劉 升，王慶國(guó)，賈 銳

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

目前復(fù)雜電磁環(huán)境與電子系統(tǒng)的相互作用是廣泛存在的問(wèn)題，這對(duì)敏感電磁系統(tǒng)和電磁設(shè)備影響巨大。而線纜廣泛用于各種武器裝備電子系統(tǒng)之中，是影響設(shè)備正常工作的主要電磁干擾途徑。復(fù)雜電磁環(huán)境中的輻射能量通過(guò)各種線纜進(jìn)入到電子設(shè)備和系統(tǒng)中，使敏感電子設(shè)備和系統(tǒng)瞬間癱瘓或損毀。因此，研究在復(fù)雜電磁環(huán)境中電磁場(chǎng)與線纜的耦合規(guī)律對(duì)于裝備電子系統(tǒng)電磁干擾防護(hù)研究有著至關(guān)重要的作用［1］。

混響室測(cè)試方法是近年來(lái)興起的一種新的電磁兼容測(cè)試技術(shù)，也是武器系統(tǒng)電磁環(huán)境生存與效應(yīng)評(píng)估測(cè)試的有效手段，得到眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的重視?；祉懯覂?nèi)部可以產(chǎn)生各向同性、隨機(jī)極化的統(tǒng)計(jì)均勻電磁場(chǎng)，能夠比較好地模擬真實(shí)自然的電磁環(huán)境［1-3］。因此，可以用來(lái)研究通過(guò)線纜對(duì)電子裝備電磁環(huán)境效應(yīng)。本研究采用仿真軟件建立FEKO小型混響室，在小型混響室中對(duì)場(chǎng)線耦合進(jìn)行仿真，得到一定的耦合規(guī)律，同時(shí)對(duì)混響室條件下進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供了理論指導(dǎo)。

1 仿真建模

1.1 仿真軟件介紹

FEKO是一款用于電磁場(chǎng)分析的仿真工具，其仿真從嚴(yán)格的電磁場(chǎng)積分方程出發(fā)，以經(jīng)典的矩量法為基礎(chǔ)，采用多層快速多級(jí)子算法。在保持精度的前提下大大提高了計(jì)算效率，并將矩量法與經(jīng)典的高頻分析方法（物理光學(xué)、一致性繞射理論）有效結(jié)合，適合于分析天線設(shè)計(jì)、開(kāi)域輻射等電磁兼容中的各類電磁場(chǎng)分析問(wèn)題。其處理問(wèn)題的方法是：對(duì)于電小尺寸結(jié)構(gòu)的天線等電磁場(chǎng)問(wèn)題，采用完全的矩量法進(jìn)行分析，保證了結(jié)果的高精度；對(duì)于電小與電大尺寸混合結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)問(wèn)題，既可以采用高效的基于矩量法的多層快速多極子方法，又可選用合適的混合方法。

1.2 仿真模型

基于模型在FEKO軟件中仿真所需時(shí)間較長(zhǎng)，建立電尺寸較小的混響室模型進(jìn)行場(chǎng)線耦合分析［4-5］。腔體的模型如圖1所示。

圖1 FEKO中建立的小混響室模型Fig.1 Chamber model constructed in FEKO

混響室尺寸為2.0m×2.3m×1.3m，以腔體的一個(gè)角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，腔體的長(zhǎng)邊沿Y方向，為2.3m；寬邊沿X方向，為2.0m；高沿Z方向，為1.3m。根據(jù)諧振腔理論，屏蔽腔體的諧振頻率：

式中：c0為光速；m，n和p為非負(fù)整數(shù)，且最多有一個(gè)為0；L，W和H分別為屏蔽腔體的長(zhǎng)、寬和高。當(dāng)m=1，n=1，p=0時(shí)，得該屏蔽體的最低諧振頻率為

根據(jù)混響室最低可用頻率一般不低于最低諧振頻率3倍的原則，該混響室模型的最低可用頻率為298.16MHz，這里選取的最低可用頻率為300MHz。

腔體內(nèi)裝有小型的攪拌器，攪拌器的尺寸長(zhǎng)1.2m，回旋半徑為0.4m，放置時(shí)轉(zhuǎn)軸沿寬邊方向，旋轉(zhuǎn)區(qū)域離腔體墻壁的距離大于λ／4。用偶極子天線做輻射源。線纜選擇FEKO自帶模型RG58C／U；芯線：銅，半徑為0.322mm；屏蔽層：銅，截面半徑為1.975mm，厚度為0.12mm。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 傳輸線長(zhǎng)度變化的影響

如圖2和圖3所示，通過(guò)仿真得到在相同頻率下線纜長(zhǎng)度改變時(shí)線纜終端測(cè)試端口的感應(yīng)電流。設(shè)置輻射源頻率為600MHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ為0.5m。圖2中，線纜感應(yīng)電流的大小隨著線纜長(zhǎng)度增加而增大，并在λ／2即0.25m時(shí)感應(yīng)電流達(dá)到最大值。隨著線纜長(zhǎng)度的增加，感應(yīng)電流逐漸減小，在（3／4）λ處達(dá)到最小值，之后隨著長(zhǎng)度的增加，感應(yīng)電流的幅值在波長(zhǎng)λ處再次達(dá)到最大值，可見(jiàn)，在混響室條件下，也存在一段關(guān)鍵線路的長(zhǎng)度，使得感應(yīng)電流達(dá)到最大值，并隨著線纜長(zhǎng)度的增加或者減小，感應(yīng)電流不會(huì)再超過(guò)這第一個(gè)最大值［6-11］。當(dāng)設(shè)置輻射源頻率為1.0GHz時(shí)，如圖3所示，線纜仍然在相對(duì)長(zhǎng)度λ／2整數(shù)倍時(shí)有耦合響應(yīng)，同時(shí)可以看到當(dāng)頻率增大時(shí)線纜終端的感應(yīng)電流也隨之增大。

圖2 頻率為600MHz時(shí)感應(yīng)電流隨線纜長(zhǎng)度的變化Fig.2 Change curve of the induced current with electric cable of different lengths at a frequency of 600MHz

圖3 頻率為1GHz時(shí)感應(yīng)電流隨線纜長(zhǎng)度的變化Fig.3 Change curve of the induced current with electric cable of different lengths at a frequency of 1GHz

2.2 感應(yīng)電流隨頻率的變化

如圖4所示，線纜長(zhǎng)度分別為0.4m與0.6m，頻率設(shè)定范圍為300MHz～1.0GHz。在連續(xù)掃頻模式下，線纜終端測(cè)試端口感應(yīng)電流的大小隨頻率變化而變化。對(duì)于不同線纜長(zhǎng)度的耦合頻率是不同的，但都基本符合在λ／2整數(shù)倍時(shí)線纜出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。當(dāng)線纜長(zhǎng)度為0.4m時(shí)，其相對(duì)長(zhǎng)度為λ／2時(shí)對(duì)應(yīng)諧振頻率為360MHz，在相對(duì)長(zhǎng)度為λ時(shí)耦合響應(yīng)頻率為720MHz。如圖4所示，仿真結(jié)果基本滿足這一理論值。當(dāng)線纜長(zhǎng)度為0.6m時(shí)同樣滿足上述結(jié)論。說(shuō)明在混響室同時(shí)也是其所代表散射場(chǎng)中，場(chǎng)對(duì)同軸線纜的耦合規(guī)律同單一平面波對(duì)線纜的輻照規(guī)律有較好的一致性。

圖4 不同線纜長(zhǎng)度時(shí)感應(yīng)電流大小隨頻率的變化Fig.4 Change of the current with the frequency at different lengths of electric cable

2.3 線纜終端負(fù)載的影響

圖5a）和圖5b）分別為線纜長(zhǎng)度為0.4m時(shí)測(cè)試端口終端短路和終端負(fù)載為200Ω時(shí)線纜的感應(yīng)電流。與圖4對(duì)比，發(fā)現(xiàn)終端負(fù)載的變化對(duì)于線纜的耦合頻點(diǎn)沒(méi)有影響。但是線纜上的感應(yīng)電流會(huì)隨著終端負(fù)載的變化而變化。在響應(yīng)頻點(diǎn)f=375MHz，線纜測(cè)試終端短路時(shí)感應(yīng)電流為-38dB，而在終端帶有負(fù)載為50Ω和200Ω時(shí)，感應(yīng)電流大小分別為-43dB和-51dB。隨著終端負(fù)載的增加，感應(yīng)電流的大小會(huì)隨之減小，但沒(méi)有規(guī)律性變化［12-13］。

2.4 使用多列波疊加輻照的比較

從理論角度出發(fā)，用有限球?qū)ΨQ分布平面波疊加的方法可以近似替代混響室中的復(fù)合場(chǎng)。在它的離散形式下，通過(guò)不同相位和不同入射角的隨機(jī)平面波的疊加來(lái)表示。這就允許人們計(jì)算腔體中場(chǎng)和測(cè)試設(shè)備之間的耦合規(guī)律，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為單一平面波對(duì)測(cè)試設(shè)備的耦合。疊加的影響效果可以認(rèn)為是總場(chǎng)的影響［14-15］。

圖5 線纜終端負(fù)載變化對(duì)感應(yīng)電流的影響Fig.5 Influence of load variation of cable terminal on the induced current

為了綜合考慮平面波入射方向與極化方向?qū)νS線纜耦合的影響，激勵(lì)源選擇72列平面波運(yùn)用三維正交式線性疊加，用以模擬混響室條件下基于統(tǒng)計(jì)均勻的電磁環(huán)境水平。選同軸線纜長(zhǎng)度為0.4m，掃頻范圍仍設(shè)置為0.3～1.0GHz，得到感應(yīng)電流的變化如圖6所示。通過(guò)與圖4a）的響應(yīng)規(guī)律比較，發(fā)現(xiàn)使用多列波輻照方法時(shí)在原有諧振頻點(diǎn)750 MHz響應(yīng)不明顯。說(shuō)明該方法仍然存在一些問(wèn)題。因此對(duì)于這種方法在研究混響室場(chǎng)線耦合的問(wèn)題中，其使用的準(zhǔn)確性和廣泛性還需要進(jìn)一步探索。

圖6 36列平面波疊加輻照0.4m線纜時(shí)響應(yīng)電流Fig.6 Induced current of 0.4m-long cable irradiated by 36listed plane wave

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真軟件FEKO建立混響室模型，并分析在混響室條件下散射場(chǎng)對(duì)同軸線纜的耦合規(guī)律。仿真結(jié)果表明，混響室條件下同軸線纜感應(yīng)的頻點(diǎn)為激勵(lì)源半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，等長(zhǎng)度線纜的感應(yīng)電流的大小會(huì)隨著頻率升高發(fā)生不規(guī)則的增大。說(shuō)明在散射場(chǎng)情況下，線纜的耦合規(guī)律同其基本原理是較為相近的。同時(shí)隨著線纜測(cè)試端口終端負(fù)載的變化，并不會(huì)影響線纜的耦合頻點(diǎn)，但測(cè)試端口終端感應(yīng)電流會(huì)隨之發(fā)生改變。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)雖然使用多列波疊加輻照的方法在某些情況下可近似替代混響室的仿真，但其在混響室中場(chǎng)線耦合規(guī)律的研究方法還需要進(jìn)一步探索。

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