HIRF條件下機載電子設備屏蔽性能研究

韓 征， 馬振洋， 史春蕾， 程 爭

(中國民航大學，a.工程技術訓練中心； b.民航航空器適航審定技術重點實驗室； c.安全科學與工程學院，天津 300000)

0 引言

機載電子設備在飛機飛行過程中處于復雜的電磁環境，除了受到閃電等自然干擾源的影響，還會受到來自飛機外部大功率無線電發射機(如無線通訊、導航、雷達設備)產生的高強度輻射場(HIRF)的干擾，對航空安全構成威脅。HIRF頻帶范圍覆蓋10 kHz～40 GHz，電場強度可達每米數千伏，對航空機載電子設備的影響很大[1-2]。而金屬屏蔽體可以有效地切斷耦合途徑、抑制電磁干擾，提高電子設備的防護性能，但是實際中的設備由于通風散熱、線纜接口等需求的存在，不可避免出現一些孔縫，降低了金屬屏蔽殼體的屏蔽性能。

面對日益復雜的電磁環境，目前國內外對于航空器的電磁環境已有一些機構和學者進行了研究。文獻[2-3]通過對機載設備屏蔽殼體模型上的孔縫進行多種變換分析其對屏蔽效能的影響；文獻[4]分析了不同測試條件下復合材料燃油箱模型屏蔽效能的差別；文獻[5-7]研究了飛機在閃電間接效應下機艙內外的感應電場、表面電流等電磁環境參數；文獻[8]仿真分析了直升機底部不同開孔模型對飛機內部輻射能量的影響；文獻[9]分別采用HIRF激勵和直接電流注入(DCI)激勵兩種方法仿真分析了飛機表面電流；文獻[10-11]分別采用仿真分析和實測兩種方法對比分析了HIRF環境下耦合進入飛機內部的感應電場等結果的差別；文獻[12]研究了飛機內部耦合場的HIRF傳遞函數，并用數值仿真方法進行了驗證；文獻[13]研究了閃電環境下飛機碳纖維復合材料對電磁屏蔽效能的影響；文獻[14]將航空器機身簡化為金屬腔體，分別對單縫隙、多縫隙情況下的屏蔽效能進行了細致研究。以上研究是在不同的電磁環境下開展的，采用多種方法針對簡化的機載設備屏蔽體模型或整機進行測試，并沒有與相對復雜的具體機載電子設備相結合，缺乏實際的指導意義。

由于當前針對HIRF環境下具體機載電子設備電磁屏蔽性能的研究相對較少，因此，本文以某航空機載電子設備為研究對象，采用CST電磁軟件對其進行測試分析，分別從時域和頻域的角度分析了內部中心線探針上的電場情況，計算得到了從不同面板垂直入射情況下中心線探針上的屏蔽效能，并仿真分析了多個頻率下設備殼體表面的電場分布，為機載電子設備的電磁防護設計提供參考。

1 電磁屏蔽相關知識

屏蔽是指將電子設備輻射的電磁能量控制在特定區域內，以免干擾其他設備，或者通過各種屏蔽材料吸收和反射，防止外部電磁能量的入侵[14-15]。本文研究的內容是外部HIRF環境下電磁能量對設備屏蔽性能的影響。設備殼體屏蔽性能的好壞通常用屏蔽效能(SE)描述，屏蔽效能表示為屏蔽前某點電場強度與屏蔽后該點電場強度之比，常以dB為單位，其算式為[16]

(1)

式中：E0為屏蔽前的電場強度；E1為屏蔽后的電場強度。

電磁場的數值計算方法有多種，可分為頻域法和時域法，這些方法本質上都是用來求解麥克斯韋方程組的。頻域法有矩量法(Method of Moments，MoM)、有限元法(Finite Element Method，FEM)等，時域法有時域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)、傳輸線矩陣法(Transmission-Line Matrix，TLM)[17-18]等。目前常用的電磁仿真軟件大多是基于以上計算方法求解的，如CST,EMA3D主要是基于時域有限差分法，HFSS是基于有限元法，Agilent ADS是基于矩量法，Flo/EMC是基于傳輸線矩陣法[15,19-20]。這些軟件各有各的特點和適用范圍，在仿真時根據實際需要進行選擇。CST是三維全波高頻電磁仿真軟件，具有計算速度快、建模方便、后處理功能強大和計算精度高等優點，滿足本文試驗要求。

2 機載電子設備模型建立

為了研究機載電子設備電磁屏蔽性能，本文基于CST電磁仿真軟件按照1∶1的比例對其建立了三維仿真模型，模型結構與設備相同，如圖1所示。該模型材料設置為理想金屬(PEC)，尺寸為36.5 cm×19 cm×18.8 cm，厚度為0.2 cm，殼體具有一些通訊接口及散熱孔，這些孔洞、縫隙破壞了殼體的屏蔽完整性，電磁干擾信號可經過孔縫耦合進入內部，對設備的正常工作產生影響。

圖1 機載電子設備仿真模型

設備各個面板視圖如圖2所示，前面板有麥克風插口、喇叭開孔，后面板有同軸線接口和多陣腳測試串口，左側、頂部和底部面板分布有散熱孔。

圖2 設備各個面板視圖Fig.2 Views of different panel of the equipment

為了分析設備的電場特性和屏蔽效能，在其內部中心線上設置3個電場探針，以前面板中心為原點(0,0,0)，P1,P2和P3探針的坐標依次為(8.5,0,0),(18.2,0,0)和(28.5,0,0)，P2位于設備中心，P1和P3分別靠近前、后面板，以便觀察測試結果沿中心線的變化情況，如圖3所示。上述坐標的單位均為cm。

圖3 設備內部電場探針Fig.3 Electric field probe inside the equipment

3 基于仿真模型體的測試分析

設備殼體往往可以看作諧振腔體，腔體內部在諧振頻率附近會產生場強增強效應，諧振頻率算式為[17]

(2)

式中：μ，ε分別為腔體內填充介質的磁導率和介電常數；a，b，l分別為腔體的長、寬、高；諧振波的模m，n，p均為整數且至少兩個不同時為零。對于l>a>b的情況，TE101模是諧振腔的最低諧振頻率。當激勵信號的頻率等于諧振腔的諧振頻率時，腔體處于諧振狀態，儲能最大。腔體填充介質為空氣，結合模型尺寸參數，計算得到該腔體TE101模的諧振頻率為890 MHz。該電子設備的工作頻段為115～145 MHz，同時，為了清楚地表征諧振頻率890 MHz附近的屏蔽特性，仿真試驗中頻率掃描范圍選取為0～1 GHz。

仿真選取CST中默認的高斯信號作為平面波激勵源，場強大小為1 V/m，模擬HIRF的作用，這是因為高斯脈沖包含了豐富的頻譜，是主要的脈沖干擾信號之一[21]。在CST中設置高斯信號的頻率范圍為0～1 GHz，產生激勵信號的時域波形和頻譜如圖4所示，此時，99%的能量包含在以上頻段的信號頻譜之內。文獻[14-15]研究表明，平面波垂直入射時，屏蔽效能最差，本文在測試過程中選取最壞的情況即入射方向垂直于設備面板。

圖4 激勵信號時域波形和頻譜Fig.4 Time domain waveform and spectrum of excitation signal

3.1 設備內部探針電場強度測試

實際情況下，HIRF的入射方向不是固定的，在進行設備模型內部探針的電場強度測試時，假設平面波從前面板垂直入射，結果如圖5所示。

圖5 電場探針上的時域波形和頻譜Fig.5 Time domain waveform and spectrum on electric field probe

時域波形顯示，3個探針整體的電場強度峰值小于激勵源，設備殼體起到了一定的屏蔽作用，激勵信號的能量得到了衰減。具體來看，在初始階段3個探針到達第一個頂點的時間分別為2.00 ns，2.25 ns和2.50 ns。已知電磁波在空氣中的傳播速度為3×108m/s,相鄰探針之間的間距分別為9.7 cm和10.3 cm，理論計算得到電磁波到達相鄰探針的時間差分別為0.32 ns和0.34 ns，與前面測試得到的時間差比較接近。隨著時間增加，P1探針處的場強在2.75 ns時達到峰值，P2和P3探針上的場強滯后于P1探針，于4.50 ns時達到峰值，這是由于腔體內部的感應電場不斷反射疊加，已經不能滿足電磁波在均勻介質中傳播的規律。當激勵信號幅度降低以后，各個探針上的場強隨之振蕩下降，場強波形持續時間變長。

由于屏蔽腔體諧振效應的存在，在諧振頻率附近內部的電場強度會大于外部電場強度。由電場的頻譜圖5(b)可以看到3個探針分別在876 MHz，893 MHz和885 MHz處達到場強最大值，與前面理論計算結果相符。在600 MHz以下的低頻段，3個探針上的場強在0.5 V/m以下，在600～1000 MHz頻段內由于諧振模式被激勵，場強迅速增大，最大值出現在中心探針P2上，可達到3 V/m。總體來看，3個探針上的場強變化趨勢基本一致。

3.2 屏蔽效能測試

通過分析設備殼體的屏蔽效能，能為機載電子設備電磁防護提供參考。由于設備的各個面板具有不同形狀的開孔與縫隙，仿真試驗時選取不同的輻照方向垂直入射，以觀察電磁干擾從殼體不同面板入射時3個探針上的屏蔽效能特性，測試結果如圖6所示。

圖6(a)和圖6(b)分別為從前、后面板垂直入射時屏蔽效能的計算結果。由圖2可知前、后面板的孔縫不一樣，兩種測試條件下的屏蔽效能存在一致性也有區別。在600 MHz以下的低頻段屏蔽效果較好，這是因為在低頻段時，電磁波波長較長，難以耦合進入孔縫。在600 MHz以上的頻帶多個頻率點處發生諧振，一方面是由腔體自身的諧振引起的，另一方面由于孔縫的存在，還會產生一些孔縫諧振點[15]。從前面板垂直入射時，3個探針處的屏蔽效能趨勢基本一致，靠近孔縫位置屏蔽效能相比更差，在760 MHz附近P2和P3探針的屏蔽效能比P1低15 dB；從后面板垂直入射時，諧振頻率點和3個探針的位置相關，靠近后面板的P3探針處的諧振頻率降低，并在掃描頻率范圍內有多個諧振點，在諧振點處電磁波較強地耦合進入腔體，結果導致屏蔽效能下降。

左側面板和右側面板形狀一樣，右側面板無通風孔陣，從這兩個面垂直入射的屏蔽效能計算結果分別如圖6(c)和圖6(d)所示。從兩幅圖中看出，P1探針處的屏蔽效能對比差別不大，從右側面板入射時，P2和P3探針處的屏蔽效能更低。雖然右側面板沒有孔縫，但由于是模擬遠場輻照殼體內部電磁波經過多次反射，因此屏蔽效能曲線依然存在諧振點，分布在800 MHz以上的頻帶。

頂部通風孔陣為長條形，底部通風孔陣為近似方形區域，二者結構不一樣，從這兩個面垂直入射時，圖6(e)和圖6(f)的屏蔽效能曲線看來相差不大。整體上P1探針上的屏蔽效能最優，均在15 dB以上。在600 MHz以上還是靠近后面板的P3探針效能相對較差，P2次之。

圖6 不同入射面的屏蔽效能

由總體結果來看，從不同面板垂直入射時，3個探針上的屏蔽效能曲線趨勢基本一致，在600 MHz以下的低頻段屏蔽效能基本都在20 dB以上，中心探針P2屏蔽效能最好。600 MHz以上屏蔽效能雖然由于諧振效應的緣故而變差，最低在P3探針處甚至降為-50 dB，但已經避開了該電子設備的工作頻段，不會對設備工作產生明顯的負面影響。從相對兩個面板垂直入射時屏蔽效能的結果比較相近，這是由于遠場輻照減小了入射面不同對中心線探針上屏蔽效能的影響，而各個面板的開孔情況不一樣引起在幅度大小上有差異。由于后面板有同軸線接口和多陣腳測試串口，此時電磁波耦合路徑除了孔縫還有線纜[18-19]，電磁場環境復雜，因此從后面板入射時探針處的諧振頻率變化較大，并且靠近該面板處的P3探針上屏蔽效果總體較差。

由以上研究可知，改善機載設備屏蔽效能的主要途徑有：1) 在設計屏蔽體時，其諧振頻率與設備的工作頻段應有適當的間隔并留有余量；2) 在600 MHz以下的低頻段，靠近中心位置屏蔽效能相對較好，在600 MHz以上的高頻段，敏感性部件除了要遠離孔縫、線纜接口的位置，還要注意避免放置在設備中心。

3.3 設備表面電場分布測試

電磁波入射到導體表面上，理想情況下會被完全反射回去，而實際情況下介質為非理想導體，一部分電磁波會進行反射，一部分會通過設備殼體的接口、通風孔等途徑耦合進入設備內部，還有一部分會入射到導體表面。上節分析了設備內部的電場情況，本節分析HIRF環境對設備殼體的耦合影響。

由趨膚效應的原理可知，電磁波對設備殼體進行透射，穿透深度[17]算式為

(3)

式中：f為入射電磁波的頻率；μ和σ分別為設備殼體材料的磁導率和電導率。以銅為例，電導率σ=5.8×107S/m，磁導率取真空磁導率μ=4π×10-7H/m。當電磁波頻率為100 MHz和1 GHz時，趨膚深度分別為6.6 μm和2.1 μm，遠遠小于殼體的厚度，因此電磁波會在設備殼體的薄層進行傳播。

設備表面電場的試驗條件：假設平面波入射方向垂直于前面板，其他條件和前面的試驗一致。圖7顯示了設備表面在不同頻率點處的電場強度分布結果。其規律是，相鄰面板連接處和孔縫附近電場強度明顯高于其他區域。在100 MHz和300 MHz時后面板邊緣明顯高于其他區域，這與后面板的線纜接口有關。在500 MHz及以上的頻率點，設備表面電場強度以設備相鄰面板接縫處和孔縫邊緣為中心向周圍擴展增高。接縫處場強高是由于尖端放電原理，導體表面曲率大的地方，聚集的感應電荷比較多，因此電場增強。孔縫為HIRF進入該設備內部的主要耦合途徑，在高頻段時耦合場增強，孔縫附近電場強度相對較高。

圖7 設備表面不同頻率下電場強度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on equipment surface under different frequencies

通過對設備表面電場分布的觀察與分析，一方面需要注意在孔縫處要防止更多的干擾信號進入設備內部，另一方面需要注意后面板處電磁能量聚集較多，特別在低頻段與設備工作頻率重合的范圍內要采取電磁防護措施以減少對設備正常工作的影響。

4 結束語

本文以某機載電子設備為例建立了仿真測試模型，借助CST軟件完成了HIRF條件下設備屏蔽性能的一系列試驗。根據測試結果可以得出如下結論：1) 機載電子設備的屏蔽性能與屏蔽體的尺寸、孔縫結構，HIRF干擾信號的入射方向及頻率高低等因素相關；2) 在進行HIRF防護設計時，主要需要考慮屏蔽體自身的結構設計以及設備內敏感元器件的擺放位置，屏蔽體的諧振頻率應與設備的工作頻段錯開；3) 敏感性部件應盡量安裝在遠離設備殼體孔縫、設置有線纜接口以及中心這些屏蔽效能低的區域。由于本文試驗是利用仿真軟件進行的，所建立的設備模型、試驗環境與實際情況存在偏差，因此后續準備結合實驗室試驗，開展HIRF環境下機載電子設備的屏蔽性能研究。