電子機柜電磁輻射源的簡化建模

陳德喜，王 立，王海嬰，張 凱

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

電子機柜電磁輻射源的簡化建模

陳德喜，王 立，王海嬰，張 凱

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

根據電基本振子輻射原理，結合電磁兼容標準檢測數據，運用FEKO軟件建立了三維對稱振子模型代替電子機柜的電磁輻射源，通過計算并與理論情況比較驗證了該模型的合理性。可以利用該模型預測艙室內部場強分布，能為各種重要艙室內設備的EMC優化布置設計提供指導。

三維對稱振子;電磁輻射源;艙室;FEKO

0 引言

目前，各種系統平臺上的電子機柜被大量配置在狹小的艙室內部，電磁環境非常復雜。在有限空間內，設備越多，電磁環境越復雜。為使各電子設備均能兼容工作，必須確保各設備具有良好的電磁兼容性，同時還要為各設備提供良好的電磁環境。

影響電子機柜電磁輻射的因素很多。工程上，預測其電磁輻射大小的方法通常有2種：一種是基于電磁場理論的數學建模與數值計算;另一種是基于解析法與實驗模型相結合的近似求解［1］。但由于電子機柜電磁輻射的復雜性，建立能很好反映電子機柜電磁輻射特性的等效模型較為困難，通常采用對稱振子或電流環來簡化等效。

本文根據電基本振子輻射原理，采用三維對稱振子模型(一維模型：1個對稱振子;二維模型：2個互相垂直的對稱振子;三維模型：3個兩兩互相垂直的對稱振子)代替電子機柜的電磁輻射體，并以各向同性原理作為振子長度和模型維數的判別依據，再結合電磁兼容檢測數據反推模型的激勵幅值，最終建立了電子機柜電磁輻射特性模型，模型適用頻率范圍為2～30 MHz，誤差在10 dB以內。

1 FEKO軟件

FEKO是針對天線設計、天線布局與電磁兼容性分析而開發的專業電磁場分析軟件，主要用于復雜形狀三維物體的電磁場分析。FEKO軟件的電磁計算原理基于滿足全波分析要求的矩量法(MoM)、多層快速多極子方法(MLFMA)，并集成了實現電大尺寸仿真分析的物理光學方法(PO)和一致漸進繞射理論(UTD)，以及分層介質環境的格林函數等多種算法，形成了一套完整的電磁計算體系［2－3］。

2 電基本振子輻射特性

電基本振子又稱電流元，即指一段理想的高頻電流直導線，其長度l遠小于波長λ，其半徑a遠小于l，同時振子沿線的電流I處處等輻同相［3］。用這樣的電流元可以構成實際的更復雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復雜天線輻射特性的基礎。電基本振子運用于各類輻射場的分析中［5－6］，采用球坐標系，電基本振子Il沿z軸放置，且位于坐標原點，如圖1所示。

圖1 電基本振子所在的球坐標系Fig.1 Electrical dipole in spherical coordinate system

電基本振子在無限大自由空間中場強的表達式為：

1)近區場

kr＜＜1即(r＜＜λ/(2π))的區域稱為近區，此區域內電基本振子的電場和磁場的表達式為：

由于近區場里，能量在電場和磁場以及場與源之間交換而沒有輻射，所以近區場也稱為感應場。

2)遠區場

kr＞＞1即(r＞＞λ/(2π))的區域稱為近區，此區域內電基本振子的電場和磁場的表達式為：

可見，遠區場的場強只有2個相位相同的分量Eθ和Hφ。在遠區場有能量沿r方向向外輻射，故遠區場又稱為輻射場。

3 電子機柜電磁輻射源的簡化建模

本文以對稱振子來簡化等效電子機柜的電磁輻射源。要建立電子機柜電磁輻射源的簡化模型，需要解決振子長度、模型維數和激勵設置的問題。對于振子長度和模型維數，以前并沒有一種很好的判別方法來確定。為此，本文提出了各向同性的概念，為確定振子長度和模型維數提供了一種很好的判別思路，結合電磁兼容標準檢測數據反推模型的電壓源激勵，解決了機柜輻射模型的激勵問題。

本文將電子機柜大致分為大中小3類，分別以1.5 m×1.5 m×1.5 m的機柜代表大機柜，1 m×1 m×1 m的機柜代表中等機柜，0.5 m×0.5 m×0.5 m的機柜代表小機柜。

1)確定一維對稱振子長度

這里以中等機柜為例，其他尺寸的機柜研究方法類似。

為滿足各向同性的要求，首先應先取各向同性最差的球面作為觀察點，當此球面上各向同性差值滿足精度要求，其余球面上各向同性差值也就滿足要求。

研究發現，振子長度l=1 m時，頻率f=30 MHz，恰好包圍機柜的球面上各向同性最差，如圖2所示，因此取f=30 MHz，恰好包圍機柜的球面為觀察點。

圖2 不同工作頻率時各向同性的變化情況(l=1 m)Fig.2 The electric field in different frequence(l=1 m)

在不超出機柜尺寸范圍里，由短到長取不同振子長度進行仿真計算，觀察不同長度對稱振子在時恰好包圍機柜的球面上各向同性的變化情況，選取各向同性特性最好時的振子長度為合適的長度。

研究發現，當振子長度l=0．2 m時，恰好包圍機柜的球面上各向同性特性較好，即電場場強最大值與最小值差值較小，不超過8 dB。當進一步縮短振子長度時，各向同性偏差值的變化不大，基本在1 dB以內。因此對稱振子長度可取l=0.2 m。

2)確定模型的維數

一般認為，三維模型各向同性好于二維模型，二維模型好于一維模型。

為確定模型維數，確定了振子長度l=0.2 m后，以此長度分別建立二維模型和三維模型，仿真計算短波頻段范圍里，恰好包圍機柜的球面上各向同性的變化情況。將3個模型的各向同性偏差值進行比較，可以發現三維模型各向同性特性更好，偏差值小于一維和二維模型。振子長度l=0.2 m，頻率f=30 MHz時，一維模型各向同性變化約為9 dB;二維模型各向同性偏差值最大約為8 dB，最小約為6 dB;三維模型各向同性偏差值最大約為5 dB，最小約為3 dB。如圖3所示。

因此本論文選擇三維對稱振子模型作為電子機柜短波電磁輻射的等效模型。

3)激勵設置

圖3 一維、二維和三維模型各向同性變化最小時的比較圖(f=30 MHz，l=0.2 m)Fig.3 The lowest difference value of electric field of 1D，2D and 3D model(f=30 MHz，l=0.2 m)

為使電子機柜短波電磁輻射模型能較好地仿真模擬電子機柜周圍短波頻段的電磁場，應對模型設置電壓源激勵，保證基于模型計算出的電場場強值與電磁兼容標準檢測數據相對應。

基于本模型，計算點處得到的電場場強值和電壓激勵幅值成比例。故對稱振子上的電壓激勵幅值為

其中：E'(f)為MIL-STD－461E標準中的RE102測試項目(10 kHz～18 GHz電場輻射發射)中離機柜表面1 m處的電場檢測值;E(f)為對稱振子上的電壓激勵幅值為1 V時，離機柜表面1 m處仿真得到的電場強度。

4 電子機柜電磁輻射模型的仿真計算

本文建立長度l=0.2 m的三維對稱振子為電子機柜電磁輻射模型。在FEKO軟件中建立8 m×7 m×4 m的金屬中空矩形腔模型代替艙室，機柜一角位于原點，長軸沿x軸，電子機柜電磁輻射模型以(1，1，0.5)為中心。

根據矩形諧振腔有關知識可知，本文采用的矩形腔的諧振頻率為

該矩形艙室較低的理論諧振頻率為fTE101=28.47 MHz。在頻點附近掃頻計算，選取部分頻點，將計算得到的電場場強進行比較，觀察是否發生諧振現象，計算結果見圖4。

圖4 3個頻點處電場場強比較Fig.4 The compare of electric field

由圖4可以看出，在28.47 MHz頻點處確實發生了諧振現象，與理論情況下諧振腔中電場分布較符合，驗證了此模型的合理性。

5 結語

本文建立了電子機柜短波電磁輻射模型，采用本模型模擬電子機柜短波電磁輻射，簡單又不失準確性。可以利用該模型仿真預測艙室內部電磁場，為各種重要艙室內設備的EMC優化布置設計提供指導，具有較好的應用前景。

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Simplified modeling of radiation source of electronic cabinet

CHEN De-xi，WANG Li，WANG Hai-ying，ZHANG Kai
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Based on the radiation theory of electric dipole and the test data of EMC standards，the equivalent model of the radiation source of electronic cabinet is carried out using FEKO．And the model is testified by calculating the fields in the compartment．This model can be used for predicting the fields in the compartment，which can provide guidelines for the optimization arrangement of equipments in various important compartments．

three-dimensional electric dipole;radiation source;compartment;FEKO

TN03

A

1672－7649(2012)05－0104－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.025

2011－05－18;;

2011－06－24

陳德喜(1979－)，男，工程師，研究方向為艦船總體設計。