金天舒 杜曉昌 段 濤 梁勝杰

（91697部隊(duì) 青島 261200）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會信息化進(jìn)程的不斷加快，電氣、電子及通信設(shè)備在各領(lǐng)域的大量應(yīng)用，各類電磁波變得無處不在，無時(shí)不有，對于用電設(shè)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(guān)機(jī)構(gòu)對通信和電子產(chǎn)品進(jìn)行管理，制訂對應(yīng)的電磁輻射限值標(biāo)準(zhǔn)，加以控制［1］。海上艦艇環(huán)境更是一個(gè)電磁干擾復(fù)雜的環(huán)境，電子和通信設(shè)備較多、任務(wù)量較大，對系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和使用性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的可能性更大［2］。而飛行器設(shè)備本身比較敏感和特殊，其特點(diǎn)是在狹小空間中布置的電子設(shè)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(shè)備更容易受電磁干擾的影響，甚至?xí)︼w行安全產(chǎn)生相當(dāng)危險(xiǎn)的影響，因此我們對其線纜線束的電磁敏感度進(jìn)行分析研究對保證其飛行安全及完成任務(wù)有著重要的意義。

2 計(jì)算方法

當(dāng)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(nèi)部激勵(lì)電流，該電流沿電纜流入電纜端接設(shè)備從而對電子設(shè)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(gè)設(shè)備之間連接的電纜，由于電磁波的照射，在電纜的沿線感應(yīng)出許多小電壓源dU，它的大小取決于線上微分段的場強(qiáng)，即dU=Eidl。

圖1 電磁波激勵(lì)的分布電壓源

圖1中，對于任意一個(gè)微分段dz來說，既有兩線間的耦合參數(shù)，又有感應(yīng)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(gè)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(yīng)的無數(shù)個(gè)dU作用，則需將作用電流進(jìn)行沿線積分，才能獲得實(shí)際電流的分布函數(shù)

式中

Z1，Z2為電纜兩端連接設(shè)備的阻抗。

結(jié)合國軍標(biāo)GJB151B-2013中的RS103對實(shí)驗(yàn)機(jī)型纜線束電磁敏感度進(jìn)行具體分析［4］。RS103適用于設(shè)備和分系統(tǒng)殼體及所有互連電纜，同時(shí)規(guī)定了輻射電場的限值。

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

3 模型分析及計(jì)算模型

3.1 模型分析

實(shí)驗(yàn)機(jī)型機(jī)體結(jié)構(gòu)主要是金屬與介質(zhì)的復(fù)合材料，機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)蒙皮均是鋁合金材料，而飛行器機(jī)翼處部分為鋁合金，部分為碳纖維，轉(zhuǎn)接處采用鈦合金焊接；對于尾翼處，采用碳纖維材料，與機(jī)身的轉(zhuǎn)接處采用鈦合金焊接；飛行器頭部有部分為有機(jī)玻璃，采用噴金導(dǎo)電薄膜以增強(qiáng)電磁防護(hù)。

當(dāng)電磁場在通過金屬或者對電磁場有衰減作用的阻擋層時(shí)，會受到一定程度的衰減，即產(chǎn)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(jìn)行屏蔽時(shí)，在某一點(diǎn)上屏蔽體安放前后的電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度之比值，即

或者

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

由于屏蔽效能的數(shù)值范圍很寬，用倍數(shù)表達(dá)不方便，用它來進(jìn)行屏蔽效能計(jì)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(guān)系如下：

或者

屏蔽效能的大小與電磁場的性質(zhì)及金屬自身的特性有關(guān)。當(dāng)平面電磁波入射到一塊厚度為t的實(shí)心金屬板時(shí)，若金屬板兩側(cè)的傳播媒質(zhì)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(jìn)入到金屬內(nèi)。電磁波在金屬板內(nèi)傳播時(shí)，金屬板會消耗投射電磁波的能量使其衰減；投射波到達(dá)第二分界面時(shí)，又要產(chǎn)生反射，只剩小部分透過第二界面進(jìn)入被屏蔽空間。

在上述過程中，電磁波入射到金屬板時(shí)，一部分能量被兩個(gè)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(nèi)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(shí)將再次產(chǎn)生反射，到達(dá)第二分界面時(shí)，又發(fā)生反射和投射，如此循環(huán)往復(fù)，直至能量全部被衰減和投射。電磁波在兩個(gè)分界面之間多次反射的現(xiàn)象就是屏蔽理論中應(yīng)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(xiàng)（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(jì)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(shí)驗(yàn)機(jī)型機(jī)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(jì)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(yuǎn)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(yuǎn)區(qū)，以及干擾源的性質(zhì)。根據(jù)不同的場區(qū)和場源特性可列出相應(yīng)的反射損耗表達(dá)式，并求得反射損耗。根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)型的具體情況，估計(jì)反射損耗在79dB～92dB。

3）多次反射修正項(xiàng)

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

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

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

3.2 計(jì)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(jī)體仿真模型

圖3為平面波激勵(lì)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(jī)身，計(jì)算在選定線纜線束上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。

4 計(jì)算結(jié)果和結(jié)論

計(jì)算中對水平極化場進(jìn)行了計(jì)算，水平極化時(shí)，極化方式同線纜線束平行，此時(shí)的感應(yīng)電壓較大。由于計(jì)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(shè)備端口上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的計(jì)算曲線，最后對各個(gè)端口的感應(yīng)電壓進(jìn)行簡單分析，如圖4～圖9，圖中標(biāo)頭為結(jié)果大?。≧esult Magnitude），橫坐標(biāo)為激勵(lì)波頻率（Frequency），縱坐標(biāo)為感應(yīng)電壓（Voltage）。

圖3 平面波激勵(lì)

圖4 172R客艙揚(yáng)聲器音頻端口感應(yīng)電壓

圖5 防滑控制盒Y7III-7202-720控制端口感應(yīng)電壓

圖6 前登機(jī)門出口指示燈二次電源端口感應(yīng)電壓

5 結(jié)語

GJB151B-2013中RS103只給出了測試的限值，沒有給出具體的判斷指標(biāo)，感應(yīng)電壓是否會對設(shè)備造成干擾要結(jié)合設(shè)備具體的敏感門限來判斷。因此，這里我們不做具體的判斷。

圖7 交流接觸器一次電源端口1感應(yīng)電壓

圖8 ECS配電盤Y7III-7202-3000一次電源端口1感應(yīng)電壓

圖9 13框應(yīng)急電源一次電源端口感應(yīng)電壓

帶屏蔽層的控制線和信號線上感應(yīng)瞬態(tài)沖擊電壓為防滑控制盒Y7III-7202-720控制端口的感應(yīng)電壓0.053695302V；音頻線上的瞬態(tài)沖擊電壓為0.0003924V?？梢钥闯銎帘尉€上的瞬態(tài)沖擊電壓都很小，一般不會對設(shè)備的正常工作造成干擾。

前登機(jī)門出口指示燈二次電源線感應(yīng)電壓0.098912711V，小于0.1V；一次電源中13框應(yīng)急電源感應(yīng)電壓最大，為0.4732V；交流接觸器一次電源端口1感應(yīng)電壓為0.195V；ECS配電盤Y7III-7202-3000一次電源端口1感應(yīng)電壓為0.19420225V。

從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電壓較大的線纜為非屏蔽線，因此屏蔽層對電源線產(chǎn)生較大感應(yīng)電壓會起到比較大的影響。此外線纜長度、空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電場極化方式、接地方式均會對線纜線束敏感度產(chǎn)生一定的影響。

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