某型直升機射頻機架維護面板改進設計

王明，劉志平

某型直升機射頻機架維護面板改進設計

王明，劉志平

（天津直升機研發(fā)中心，天津 300000）

射頻機架集通信和導航等功能于一體，是直升機航空電子系統(tǒng)的重要設備，在工程應用中，往往需要在產(chǎn)品的電磁兼容性與維護性間進行權(quán)衡。對某型直升機射頻機架維護面板維護不便的問題進行了分析，通過一維仿真計算，說明電磁輻射原理，通過二維對比圖及諧振腔理論說明輻射源與孔縫位置對輻射強度的影響，最后在滿足現(xiàn)行射頻機架電磁兼容標準要求下，改進了維護面板，提高了射頻機架維護面板的維護性。

射頻機架；維護面板；電磁兼容；仿真計算

綜合射頻機架作為一個箱體，為內(nèi)部元器件、功能模塊等提供安裝平臺，具有屏蔽體的作用，減少內(nèi)部電磁場向外輻射，同時減少外部大量電磁能量進入箱體內(nèi)部。電磁屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。

1 綜合射頻機架維護面板設計改進的必要性

綜合射頻機架內(nèi)部元器件、功能模塊經(jīng)常需要維護、檢修，以保證綜合射頻系統(tǒng)正常工作，以及在飛機試飛排故的過程中，需要快速更換以排除故障，射頻機架維護面板的快速拆卸、安裝在時間和空間上對于直升機具有重要意義。

常規(guī)射頻機架設計如圖1所示，射頻機架維護面板安裝設計如圖2所示。射頻機架維護面板在安裝過程中采用螺釘安裝，考慮了電磁兼容性以及內(nèi)部模塊間的通風散熱，但對拆卸、安裝、維護等方面考慮不足，因此，在兼顧射頻機架功能的前提下，對射頻機架維護面板進行優(yōu)化改進設計是必要的。

圖1 射頻機架示意圖

圖2 射頻機架維護面板安裝位置圖

此外，綜合射頻機架安裝在直升機的過渡段中的狹小空間，上下兩塊維護面板需要多個螺釘安裝，拆卸、安裝、維護過程中費力、費時。因此在不影響其功能用途的情況下，對其維護面板進行改進設計具有重要意義，而不影響其功能用途主要是指對其內(nèi)部元器件的電磁兼容性問題進行考慮，使其滿足原設計情況下的電磁兼容條件。

2 基于時域有限差分法計算電磁兼容性

2.1 時域有限差分法推導電磁波傳播過程

時域有限差分法是對麥克斯韋方程組中（安培定理和法拉第電磁感應定理）的空間和時間導數(shù)進行有限差分近似，利用中心差分法有下式成立：

直角坐標系中的標量方程為：

用（，，）表示網(wǎng)格單元沿三個方向的步長，以右上標的變化為時間推進，則：

2.2 解的穩(wěn)定性條件

由Maxwell旋度方程所導出的FDTD差分方程，它是基于有限差分法所進行的推導，因此，為保證時間推進和空間推進能夠很好地進行而使計算結(jié)果不發(fā)散，時間步長和空間步長要滿足一定的關系。人們通過研究發(fā)現(xiàn)，對于三維問題，當時間步長和空間步長滿足下式，計算結(jié)果穩(wěn)定不會發(fā)散：

2.3 電磁波傳播邊界條件

計算機所計算的為有限個網(wǎng)格區(qū)域，而網(wǎng)格終端的節(jié)點會反射入射到該節(jié)點的任何電磁波，通常情況下在邊界節(jié)點設置多層的吸收邊界條件，能使反射回計算區(qū)域的能量最小，近似是電磁波在無限大空間上的傳播，利用吸收邊界條件能夠很好地模擬電磁波在無限空間中的散射情況。

3 對比驗證孔縫位置對電磁兼容性的影響

3.1 FDTD法的一維仿真計算分析

將電磁波的傳播區(qū)域劃分為200個節(jié)點，運用Fortran進行編程，所劃分的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 電磁場區(qū)域網(wǎng)格的劃分形式

通過程序繪制第50節(jié)點和第60節(jié)點的電場強度變化的對比圖，如圖4所示。

圖4 第50節(jié)點和第60節(jié)點電場強度對比圖

從圖4中可以看出，在無屏蔽層時，電磁波傳播過程中電場強度未曾衰減，電磁波傳播距離輻射源位置的遠近不同，電場強度變化的時間不同。相關程序見文后程序附錄1。

通過程序繪制考慮吸收邊界條件的截斷網(wǎng)格和未考慮吸收邊界條件情況的對比圖，如圖5所示。

圖5 吸收邊界條件和未考慮吸收邊界條件的對比圖

通過圖5中數(shù)據(jù)的對比可以看出，未考慮吸收邊界條件的網(wǎng)格在邊界處存在電磁波的反射，不能模擬電磁波在無限空間中的散射，而考慮吸收邊界條件的網(wǎng)格能夠很好地模擬電磁波在無限空間中的傳播。相關程序見文后程序附錄2。

3.2 二維情況孔縫對電磁兼容的影響

對于二維電磁波傳播的過程，可以根據(jù)電磁波傳播的特點進行分析，當假設電場只沿方向變化，而磁場分量只有在和方向上的非零分量，則根據(jù)Maxwell旋度方程可以將電磁場傳播方程寫為：

其電磁波的傳播的過程如圖6所示。

圖6 二維電磁波傳播示意圖

根據(jù)電磁波傳播的特點，當電磁波遇到屏蔽層后會被吸收和散射，屏蔽層存在孔縫的情況，如圖7和圖8所示。

圖7 屏蔽層存在孔縫情況示意圖1

圖8 屏蔽層存在孔縫情況示意圖2

根據(jù)諧振腔理論，輻射的電磁波通過孔縫耦合作用傳出屏蔽體，在屏蔽體外產(chǎn)生新的諧振頻率，當輻射波極化方向與孔縫長邊方向垂直時，電磁泄漏最為嚴重。當新的輻射頻率落在外部設備接收工作頻段時，會對接收設備產(chǎn)生嚴重干擾。在假設輻射源向周圍均勻輻射及孔位大小相同的情況下，通過對比圖7和圖8可以看出，屏蔽層孔縫距離電磁輻射源的遠近不同，根據(jù)電磁波傳播的特點，屏蔽層對電磁波會吸收和反射，圖7中近距離輻射孔縫的電磁強度要強于圖8中遠距離輻射孔縫的電磁強度，所以，在射頻機架維護面板的改進設計中要考慮射頻機架內(nèi)主要輻射源距離所開孔縫的位置。

4 優(yōu)化改進后的射頻機架維護面板設計

在綜合考慮射頻機架內(nèi)輻射源情況下，改進后的射頻機架維護面板如圖9、圖10、圖11所示。射頻機架維護面板改用鎖扣鎖緊的形式，在一側(cè)配有拉手，方便打開，便于拆卸、安裝、維護，同時維護面板與射頻機架側(cè)壁貼合面處采用導電橡膠，用于電磁密封和環(huán)境密封，這樣將不會改變原設計散熱風扇對內(nèi)部單元的散熱，改進后的設計兼顧電磁兼容指標要求和散熱要求的情況下，對結(jié)構(gòu)進行了適當?shù)母倪M，方便綜合射頻系統(tǒng)內(nèi)部模塊維護。

圖9 改進后的射頻機架維護面板1

圖10 改進后的射頻機架維護面板2

圖11 改進后的射頻機架維護面板3

此外，在結(jié)構(gòu)上考慮了過渡段空間中其他設備對維護面板的影響，將周圍其他設備的安裝位置考慮在內(nèi)，避免在開關維護面板的過程中與其他結(jié)構(gòu)設備產(chǎn)生干涉。

5 總結(jié)

改進后的維護面板充分考慮了原設計中的電磁兼容性指標要求和散熱要求，同時在結(jié)構(gòu)上進行相應優(yōu)化，考慮過渡段設備倉中射頻機架周圍設備對維護面板開關的影響，方便射頻機架內(nèi)部模塊的快速更換維修，對某型直升機射頻系統(tǒng)維護面板的優(yōu)化改進具有指導意義。

程序附錄：

附錄1.!*未設置截斷網(wǎng)格電磁波在自由空間中傳播的一維 FDTD 仿真*!

program ex101

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"輸入要輸出的節(jié)點 I= 隨時間的電場強度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=0.0

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*輸出 J 節(jié)點電場數(shù)據(jù)*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*輸出時間變化數(shù)據(jù)*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上輸出時間步和電場強度變化數(shù)據(jù)*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program

附錄2.!*設置截斷網(wǎng)格電磁波在自由空間中傳播的一維 FDTD 仿真*!

program ex102

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"輸入要輸出的節(jié)點 I= 隨時間的電場強度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=hy(199)

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*輸出 J 節(jié)點電場數(shù)據(jù)*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*輸出時間變化數(shù)據(jù)*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上輸出時間步和電場強度變化數(shù)據(jù)*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program。

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2095－6835（2020）06－0030－05

V275.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.010

〔編輯：張思楠〕