非封閉艙室內(nèi)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻測(cè)試方法

裴朝， 蘇東林， 石國(guó)昌， 廖意,*

(1. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100083； 2. 上海無(wú)線電設(shè)備研究所, 上海 200090)

近年來(lái)，飛機(jī)上越來(lái)越多的傳統(tǒng)機(jī)械或機(jī)電控制系統(tǒng)被弱電設(shè)備取代，低屏蔽性能復(fù)合材料應(yīng)用比重急劇增加，使得高強(qiáng)電磁信號(hào)更容易耦合進(jìn)入機(jī)內(nèi)造成干擾、損傷甚至損壞。高強(qiáng)輻射場(chǎng)(High Intensity Radiated Field,HIRF)已成為影響飛機(jī)飛行安全的重要因素[1]。歐美、中國(guó)等國(guó)家的航空機(jī)構(gòu)在近期頒布了相應(yīng)條款和專用條件強(qiáng)制規(guī)定了民用航空器必須通過(guò)HIRF適航符合性試驗(yàn)驗(yàn)證。

作為飛機(jī)級(jí)HIRF試驗(yàn)的重要內(nèi)容，低電平掃描場(chǎng)(Low Level Swept Field,LLSF)具有測(cè)試便捷、降低待測(cè)飛機(jī)潛在風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。LLSF測(cè)試是采用外部電磁波照射飛機(jī)艙室，接收天線或場(chǎng)強(qiáng)探頭置于艙室內(nèi)測(cè)試內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)與校準(zhǔn)值對(duì)比獲得飛機(jī)艙室的衰減特性。測(cè)試過(guò)程中由于艙室存在駐波，艙室內(nèi)不同位置場(chǎng)強(qiáng)變化較大，通常需要在艙室內(nèi)安裝足夠多的接收天線/探頭，或者采用有限個(gè)接收天線在不同位置開展多次測(cè)試,尋找艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)最大值[3-4]，這種方法耗時(shí)耗力。參考混響室設(shè)計(jì)方法，通過(guò)內(nèi)置攪拌器，改變邊界條件，使得在攪拌器的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)接收天線/探頭位置出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)最大值，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻，達(dá)到最大值快速獲取的目的[5-7]。不同于混響室，飛機(jī)艙室通常是非封閉結(jié)構(gòu)，存在的門窗、導(dǎo)流孔等開口將影響到艙室內(nèi)的局部能量密度和總場(chǎng)均勻性[8-9]，而且，目前的文獻(xiàn)僅對(duì)發(fā)射天線置于混響室內(nèi)部的情況進(jìn)行分析，還沒(méi)有開展外部電磁波照射下非封閉艙室內(nèi)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻分析。

本文重點(diǎn)對(duì)LLSF測(cè)試中非封閉飛機(jī)艙室內(nèi)的場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻測(cè)試方法展開研究，通過(guò)建立方形艙室內(nèi)置攪拌器的仿真及試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了非封閉艙室內(nèi)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)均勻電場(chǎng)的可行性；結(jié)合艙室和攪拌器的仿真模型，提出了基于遍歷和遞歸算法的場(chǎng)均勻區(qū)域檢驗(yàn)方法。獲取的方形艙室和圓柱艙室內(nèi)有限場(chǎng)均勻區(qū)域的規(guī)律，可為實(shí)際飛機(jī)級(jí)LLSF試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集提供重要指導(dǎo)。

1 場(chǎng)均勻性判定方法

艙室內(nèi)通過(guò)放置旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片，在較大空間內(nèi)獲得具有統(tǒng)計(jì)特性的均勻場(chǎng)。在這個(gè)均勻場(chǎng)區(qū)，攪拌器完成一個(gè)周期的所有步進(jìn)過(guò)程后，區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)處的電磁場(chǎng)強(qiáng)都可以達(dá)到相同的最大場(chǎng)強(qiáng)值。LLSF測(cè)試過(guò)程中，由于艙室非封閉開口的存在，攪拌器的均勻區(qū)域不同于混響室的均勻場(chǎng)區(qū)域，與攪拌器大小、艙室開口大小、頻率等有關(guān)。按照IEC 61000-4-21標(biāo)準(zhǔn)[10]，均勻性采用如下的判定方法。

通過(guò)選取區(qū)域所在的8個(gè)頂點(diǎn)作為接收探頭位置，將8個(gè)位置的最大場(chǎng)強(qiáng)值歸一化到平均輸入功率的平方根：

(1)

針對(duì)每個(gè)頻率，計(jì)算接收探頭每個(gè)軸向的測(cè)量值的最大歸一化平均值：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：〈〉表示算術(shù)平均值。

攪拌器旋轉(zhuǎn)一周，以8個(gè)位置中每個(gè)位置得到的最大平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)確定場(chǎng)均勻性，用接收探頭每個(gè)軸向的單獨(dú)數(shù)據(jù)和總數(shù)據(jù)集來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算式為

(6)

用與平均值有關(guān)的分貝(dB)數(shù)表示標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(7)

如果所有場(chǎng)向量的標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，則認(rèn)為滿足了場(chǎng)均勻性要求。

2 非封閉艙室內(nèi)場(chǎng)均勻性

為了獲取飛機(jī)非封閉艙室內(nèi)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)均勻特性，針對(duì)飛機(jī)不同類型艙室的幾何形狀，分別選取方形艙室和圓柱艙室作為研究對(duì)象開展仿真與試驗(yàn)分析。其中方形艙室用于起落架艙等的特性研究，圓柱艙室可用于研究飛機(jī)客艙、駕駛艙等內(nèi)部的場(chǎng)均勻性。

2.1 方形艙室試驗(yàn)

制作了金屬方形艙室和內(nèi)置攪拌器，用于電場(chǎng)均勻性試驗(yàn)。方形艙室的長(zhǎng)寬高分別為：l=2 m，w=1 m，h=1 m，艙室左右兩側(cè)分別有5個(gè)0.15 m×0.1 m的窗口，艙室前側(cè)有一個(gè)0.3 m×0.4 m的開口，孔隙率(窗口面積與艙室面積的比值)為2.7%。攪拌葉片由2個(gè)0.3 m×0.3 m正方形鋁板折疊后拼接，葉片下方為驅(qū)動(dòng)盒和轉(zhuǎn)軸，攪拌葉片拼接后的對(duì)角尺寸約為0.8 m，大于艙室寬度的3/4。方形艙室和攪拌器的坐標(biāo)關(guān)系如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)軸頂部中心。

方形艙室的諧振頻率和模式數(shù)目分別通過(guò)式(8)和式(9)進(jìn)行計(jì)算[11-12]：

(8)

(9)

式中：c為光速；l、w、h分別為艙室的長(zhǎng)、寬、高，m；m、n、p為0或整數(shù)；f為頻率，Hz。

一般條件下，混響室最低可用頻率(Lowest Usable Frequency,LUF)必須大于艙室的最低諧振頻率f011的3倍，同時(shí)MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)[13]要求，在LUF下至少存在100個(gè)模。根據(jù)式(8)和式(9)的計(jì)算，此艙室LUF約為510 MHz。

圖1 直角坐標(biāo)系中方形艙室與攪拌器位置Fig.1 Location of cuboid-shaped cabin and stirrer under rectangular coordinate system

試驗(yàn)頻率范圍為400 MHz～1 GHz，攪拌葉片的最大旋轉(zhuǎn)區(qū)域與艙室內(nèi)壁的間距至少為λ/4，根據(jù)最低仿真頻率400 MHz，此間距設(shè)置為0.2 m，同時(shí)，單片攪拌葉片尺寸大于λ/4,λ為波長(zhǎng)。數(shù)據(jù)采集區(qū)域A為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.25，0.25) m，z∈(-0.25，0.25) m。

場(chǎng)均勻性試驗(yàn)布置如圖2所示，發(fā)射天線于艙室外10 m處，發(fā)射垂直極化的電磁信號(hào)作用于方形艙室，艙室待測(cè)區(qū)域內(nèi)采用光纖連接的場(chǎng)強(qiáng)探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試過(guò)程為軟件自動(dòng)化控制，攪拌器葉片以15°步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，每一個(gè)步進(jìn)下獲取待測(cè)頻段內(nèi)x、y和z軸場(chǎng)強(qiáng)的最大值。

根據(jù)IEC 61000-4-21標(biāo)準(zhǔn)[10]中混響室設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)試區(qū)域的場(chǎng)均勻性判定方法，艙室內(nèi)部待測(cè)區(qū)域的場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差需達(dá)到的指標(biāo)要求如表1所示。

采用均勻性判定方法，區(qū)域A的場(chǎng)均勻性結(jié)果如圖3所示，圖中σx、σy和σz分別為x、y、z軸分量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。可以看出，在550 MHz～1 GHz范圍內(nèi)，總場(chǎng)強(qiáng)值以及x、y、z軸分量的均勻性均滿足3 dB指標(biāo)要求。試驗(yàn)驗(yàn)證了非封閉艙室在外部電磁波照射下仍具有較好的均勻場(chǎng)特性，并且隨著頻率的升高，均勻性越好。

采用開口切割和鋁箔敷貼的方式，將艙室前側(cè)開口和兩側(cè)窗口的形狀由矩形更改為圓形，孔隙率不變的情況下，采用同樣的試驗(yàn)方法獲取待測(cè)區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)均勻性，結(jié)果如圖4所示。可以看出，在開口橫向或縱向等任一維度不發(fā)生較大變更的情況下，開口的形狀對(duì)待測(cè)區(qū)域的場(chǎng)均勻性影響不大。

圖2 場(chǎng)均勻性試驗(yàn)布置Fig.2 Field uniformity test layout

頻率/MHz場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差100～400由100MHz頻率的4dB 線性遞減至400MHz的3dB400以上3dB

分別將艙室前側(cè)及左右兩側(cè)窗口的現(xiàn)有開口擴(kuò)至0.6 m×0.8 m和0.3 m×0.2 m的矩形，孔隙率由2.7%增加為10.8%。采用上述方法，在方形艙待測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并得到待測(cè)區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)均勻性測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。可以看出，在一定程度上增大非封閉艙室的孔隙率，艙室內(nèi)待測(cè)區(qū)域的場(chǎng)均勻性有變差的趨勢(shì)。

圖3 方形艙室待測(cè)區(qū)域場(chǎng)均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.3 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin

圖4 方形艙室圓形開口下待測(cè)區(qū)域場(chǎng)均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin with circular apertures

圖5 方形艙室空隙率變大后待測(cè)區(qū)域場(chǎng)均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.5 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin for increased aperture ratio

2.2 方形艙室建模與仿真

為了進(jìn)一步分析非封閉艙體在LLSF下的電場(chǎng)均勻性及其特點(diǎn)，建立了與測(cè)試配置一致的方形艙室仿真模型，如圖6所示。考慮到選取的數(shù)值軟件能夠?qū)崿F(xiàn)艙室內(nèi)多次反射、損耗的精確計(jì)算，同時(shí)可方便控制攪拌器葉片旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，本文選用全波數(shù)值仿真軟件FEKO進(jìn)行求解。外部電磁波以垂直極化方式分別從x軸方向(φ=0°)以及y軸方向(φ=90°)進(jìn)行照射。攪拌葉片的最大旋轉(zhuǎn)區(qū)域距離艙室內(nèi)壁有λ/4的長(zhǎng)度，根據(jù)最低仿真頻率400 MHz，距離設(shè)置為0.2 m。待分析的均勻區(qū)域A與測(cè)試選取的區(qū)域一致。

圖7為仿真和測(cè)試手段分別計(jì)算得到的總數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比結(jié)果。可以看出，仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)較為一致，驗(yàn)證了仿真方法可用于分析均勻場(chǎng)區(qū)域的有效性。在LUF以上的550 MHz～1 GHz頻段范圍內(nèi)，場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果均在3 dB以內(nèi)。

圖6 方形艙室內(nèi)部場(chǎng)均勻性仿真模型Fig.6 Simulation model for field uniformity in cuboid-shaped cabin

圖7 仿真與測(cè)試總數(shù)據(jù)集場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比Fig.7 Comparison of simulated and test standard deviations of field uniformity for all vectors

2.3 圓柱艙室建模與仿真

飛機(jī)艙室以圓柱形結(jié)構(gòu)居多，建立了非封閉圓柱艙室的仿真模型，如圖8所示。圓柱艙室的截面半徑為0.5 m，長(zhǎng)度為2 m，在艙室左右兩側(cè)分別有3個(gè)約0.08 m×0.2 m的窗口，艙室前側(cè)有一個(gè)0.72 m×0.32 m的開口，孔隙率約為4.2%。攪拌器模型與方形艙室中所用模型一致，待分析的均勻區(qū)域B與方形艙室一致。

圓柱艙室的諧振頻率和模式數(shù)目可分別通過(guò)式(10)和式(11)進(jìn)行計(jì)算[14]：

(10)

(11)

在400 MHz～1 GHz頻率范圍，外部電磁波以垂直極化方式從φ=0°和φ=90°方向進(jìn)行照射，仿真得到區(qū)域B的8個(gè)頂點(diǎn)在攪拌器旋轉(zhuǎn)過(guò)程x、y和z軸的電場(chǎng)強(qiáng)度值。根據(jù)判定方法，計(jì)算得到圓柱艙室在該區(qū)域的場(chǎng)均勻性，如圖9所示。

由圖9可以看出，550 MHz～1 GHz頻段范圍，區(qū)域B的場(chǎng)均勻性滿足要求。通過(guò)調(diào)整圓柱艙室兩側(cè)6個(gè)窗口的大小，分析了不同孔隙率下在x分量電場(chǎng)均勻性的標(biāo)準(zhǔn)偏差(y和z分量的結(jié)果類似)，如圖10所示。結(jié)果表明，在孔隙率小于8%的情況下，孔隙開口并不影響艙室內(nèi)區(qū)域B的場(chǎng)均勻性。

圖8 圓柱艙室內(nèi)部場(chǎng)均勻性仿真模型Fig.8 Simulation model for field uniformity in cylindrical cabin

圖9 圓柱艙室照射下的場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.9 Standard deviations of field uniformity in cylindrical cabin illumination

圖10 不同孔隙率下x分量電場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.10 Standard deviations for x vector electric field with different aperture ratios

3 場(chǎng)均勻區(qū)域檢驗(yàn)方法

實(shí)際飛機(jī)級(jí)LLSF測(cè)試過(guò)程中，飛機(jī)的各個(gè)艙室變化差異大且空間狹小不規(guī)則，無(wú)法制作傳統(tǒng)混響室內(nèi)要求的攪拌器，只能通過(guò)制作足夠大尺寸的攪拌葉片。單一攪拌葉片尺寸至少大于最小分析頻率下的λ/4，拼接后的攪拌器最大長(zhǎng)度要求滿足艙室任一維邊長(zhǎng)的3/4。

尋找滿足分析頻帶內(nèi)均勻性要求的區(qū)域作為接頭天線/探頭的位置。實(shí)際上，在場(chǎng)均勻性不滿足場(chǎng)均勻性要求的較低頻段(LUF附近)，攪拌葉片附近仍存在較小的均勻場(chǎng)區(qū)域。通過(guò)方形艙室和圓柱艙室的仿真數(shù)據(jù)分析，給出了2類艙室內(nèi)的均勻區(qū)域體積隨頻率變化的關(guān)系，如圖11所示。為了有效解決飛機(jī)LLSF測(cè)試數(shù)據(jù)采集難的問(wèn)題，本文提出了基于遍歷和遞歸算法的場(chǎng)均勻區(qū)域檢驗(yàn)方法。

以方形艙室為例，基于遞歸算法，在區(qū)域A內(nèi)采用遍歷的方式進(jìn)行查找，如圖12所示。對(duì)區(qū)域A內(nèi)的每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行檢索和驗(yàn)證，得到滿足均勻要求的子區(qū)域并記錄，形成不同頻率下的子區(qū)域矩陣f1(D11，D21，D31，…)、f2(D12，D22，D32，…)等。最后，將所有頻率下獲取的子區(qū)域進(jìn)行遞歸比對(duì)篩選，得到可用于LLSF試驗(yàn)的目標(biāo)子區(qū)域[15-16]。

圖11 均勻區(qū)域體積隨頻率變化Fig.11 Variation of uniform region volume with frequency

圖13是通過(guò)對(duì)方形艙室的區(qū)域A進(jìn)行查找檢驗(yàn)后得到的均勻區(qū)域A′的標(biāo)準(zhǔn)偏差，均勻區(qū)域A′的坐標(biāo)范圍為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.15，0.15) m，z∈(-0.15，0.25) m，在400 MHz～1 GHz范圍內(nèi)符合均勻性要求。

同樣地，采用上述遞歸算法在圓柱艙室區(qū)域B內(nèi)查找。最終得到的均勻區(qū)域?yàn)锽′，坐標(biāo)范圍為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.25，0.2) m，z∈(-0.25，0.2) m，標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖14所示。選取的區(qū)域能夠用于指導(dǎo)LLSF測(cè)試時(shí)接收探頭的空間布置。

圖12 遍歷查找檢驗(yàn)方法Fig.12 Schematic diagram of traversal searching and testing method

圖13 方形艙室區(qū)域A′的場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.13 Standard deviations of field uniformity in region A′ of cuboid-shaped cabin

圖14 圓柱艙室區(qū)域B′的場(chǎng)均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.14 Standard deviations of field uniformity in region B′ of cylindrical cabin

4 結(jié) 論

本文主要解決飛機(jī)級(jí)LLSF測(cè)試過(guò)程中非封閉艙室內(nèi)場(chǎng)均勻性的可行性以及區(qū)域檢驗(yàn)問(wèn)題。

1) 通過(guò)測(cè)試和仿真驗(yàn)證了外部電磁波照射下，在非封閉艙室內(nèi)置相當(dāng)尺寸的攪拌葉片，仍可有效得到待測(cè)區(qū)域的場(chǎng)均勻特性。只需單一攪拌葉片的尺寸大于最小頻率下λ/4，拼接后的攪拌器最大長(zhǎng)度為艙室任一維邊長(zhǎng)的3/4，艙室孔隙率通艙在8%以內(nèi)。

2) 隨著頻率的升高，攪拌器的攪拌性能越好。對(duì)于不滿足均勻性要求的頻率范圍，在一定的孔隙和攪拌葉片尺寸下，提出了基于遍歷和遞歸算法的場(chǎng)均勻區(qū)域檢驗(yàn)方法，獲取了模式攪拌工作下的非封閉艙室內(nèi)的有限均勻區(qū)域。

3) 方形艙室和圓柱艙室的場(chǎng)均勻性結(jié)果對(duì)比表明，艙室內(nèi)部的場(chǎng)均勻特性存在相似性，均勻場(chǎng)區(qū)域檢驗(yàn)方法可推廣應(yīng)用于其他類型結(jié)構(gòu)艙體。