电子机柜电磁辐射源的简化建模

陈德喜，王 立，王海婴，张 凯

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

电子机柜电磁辐射源的简化建模

陈德喜，王 立，王海婴，张 凯

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

根据电基本振子辐射原理，结合电磁兼容标准检测数据，运用FEKO软件建立了三维对称振子模型代替电子机柜的电磁辐射源，通过计算并与理论情况比较验证了该模型的合理性。可以利用该模型预测舱室内部场强分布，能为各种重要舱室内设备的EMC优化布置设计提供指导。

三维对称振子;电磁辐射源;舱室;FEKO

0 引言

目前，各种系统平台上的电子机柜被大量配置在狭小的舱室内部，电磁环境非常复杂。在有限空间内，设备越多，电磁环境越复杂。为使各电子设备均能兼容工作，必须确保各设备具有良好的电磁兼容性，同时还要为各设备提供良好的电磁环境。

影响电子机柜电磁辐射的因素很多。工程上，预测其电磁辐射大小的方法通常有2种：一种是基于电磁场理论的数学建模与数值计算;另一种是基于解析法与实验模型相结合的近似求解［1］。但由于电子机柜电磁辐射的复杂性，建立能很好反映电子机柜电磁辐射特性的等效模型较为困难，通常采用对称振子或电流环来简化等效。

本文根据电基本振子辐射原理，采用三维对称振子模型(一维模型：1个对称振子;二维模型：2个互相垂直的对称振子;三维模型：3个两两互相垂直的对称振子)代替电子机柜的电磁辐射体，并以各向同性原理作为振子长度和模型维数的判别依据，再结合电磁兼容检测数据反推模型的激励幅值，最终建立了电子机柜电磁辐射特性模型，模型适用频率范围为2～30 MHz，误差在10 dB以内。

1 FEKO软件

FEKO是针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析而开发的专业电磁场分析软件，主要用于复杂形状三维物体的电磁场分析。FEKO软件的电磁计算原理基于满足全波分析要求的矩量法(MoM)、多层快速多极子方法(MLFMA)，并集成了实现电大尺寸仿真分析的物理光学方法(PO)和一致渐进绕射理论(UTD)，以及分层介质环境的格林函数等多种算法，形成了一套完整的电磁计算体系［2－3］。

2 电基本振子辐射特性

电基本振子又称电流元，即指一段理想的高频电流直导线，其长度l远小于波长λ，其半径a远小于l，同时振子沿线的电流I处处等辐同相［3］。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。电基本振子运用于各类辐射场的分析中［5－6］，采用球坐标系，电基本振子Il沿z轴放置，且位于坐标原点，如图1所示。

图1 电基本振子所在的球坐标系Fig.1 Electrical dipole in spherical coordinate system

电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：

1)近区场

kr＜＜1即(r＜＜λ/(2π))的区域称为近区，此区域内电基本振子的电场和磁场的表达式为：

由于近区场里，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，所以近区场也称为感应场。

2)远区场

kr＞＞1即(r＞＞λ/(2π))的区域称为近区，此区域内电基本振子的电场和磁场的表达式为：

可见，远区场的场强只有2个相位相同的分量Eθ和Hφ。在远区场有能量沿r方向向外辐射，故远区场又称为辐射场。

3 电子机柜电磁辐射源的简化建模

本文以对称振子来简化等效电子机柜的电磁辐射源。要建立电子机柜电磁辐射源的简化模型，需要解决振子长度、模型维数和激励设置的问题。对于振子长度和模型维数，以前并没有一种很好的判别方法来确定。为此，本文提出了各向同性的概念，为确定振子长度和模型维数提供了一种很好的判别思路，结合电磁兼容标准检测数据反推模型的电压源激励，解决了机柜辐射模型的激励问题。

本文将电子机柜大致分为大中小3类，分别以1.5 m×1.5 m×1.5 m的机柜代表大机柜，1 m×1 m×1 m的机柜代表中等机柜，0.5 m×0.5 m×0.5 m的机柜代表小机柜。

1)确定一维对称振子长度

这里以中等机柜为例，其他尺寸的机柜研究方法类似。

为满足各向同性的要求，首先应先取各向同性最差的球面作为观察点，当此球面上各向同性差值满足精度要求，其余球面上各向同性差值也就满足要求。

研究发现，振子长度l=1 m时，频率f=30 MHz，恰好包围机柜的球面上各向同性最差，如图2所示，因此取f=30 MHz，恰好包围机柜的球面为观察点。

图2 不同工作频率时各向同性的变化情况(l=1 m)Fig.2 The electric field in different frequence(l=1 m)

在不超出机柜尺寸范围里，由短到长取不同振子长度进行仿真计算，观察不同长度对称振子在时恰好包围机柜的球面上各向同性的变化情况，选取各向同性特性最好时的振子长度为合适的长度。

研究发现，当振子长度l=0．2 m时，恰好包围机柜的球面上各向同性特性较好，即电场场强最大值与最小值差值较小，不超过8 dB。当进一步缩短振子长度时，各向同性偏差值的变化不大，基本在1 dB以内。因此对称振子长度可取l=0.2 m。

2)确定模型的维数

一般认为，三维模型各向同性好于二维模型，二维模型好于一维模型。

为确定模型维数，确定了振子长度l=0.2 m后，以此长度分别建立二维模型和三维模型，仿真计算短波频段范围里，恰好包围机柜的球面上各向同性的变化情况。将3个模型的各向同性偏差值进行比较，可以发现三维模型各向同性特性更好，偏差值小于一维和二维模型。振子长度l=0.2 m，频率f=30 MHz时，一维模型各向同性变化约为9 dB;二维模型各向同性偏差值最大约为8 dB，最小约为6 dB;三维模型各向同性偏差值最大约为5 dB，最小约为3 dB。如图3所示。

因此本论文选择三维对称振子模型作为电子机柜短波电磁辐射的等效模型。

3)激励设置

图3 一维、二维和三维模型各向同性变化最小时的比较图(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)

为使电子机柜短波电磁辐射模型能较好地仿真模拟电子机柜周围短波频段的电磁场，应对模型设置电压源激励，保证基于模型计算出的电场场强值与电磁兼容标准检测数据相对应。

基于本模型，计算点处得到的电场场强值和电压激励幅值成比例。故对称振子上的电压激励幅值为

其中：E'(f)为MIL-STD－461E标准中的RE102测试项目(10 kHz～18 GHz电场辐射发射)中离机柜表面1 m处的电场检测值;E(f)为对称振子上的电压激励幅值为1 V时，离机柜表面1 m处仿真得到的电场强度。

4 电子机柜电磁辐射模型的仿真计算

本文建立长度l=0.2 m的三维对称振子为电子机柜电磁辐射模型。在FEKO软件中建立8 m×7 m×4 m的金属中空矩形腔模型代替舱室，机柜一角位于原点，长轴沿x轴，电子机柜电磁辐射模型以(1，1，0.5)为中心。

根据矩形谐振腔有关知识可知，本文采用的矩形腔的谐振频率为

该矩形舱室较低的理论谐振频率为fTE101=28.47 MHz。在频点附近扫频计算，选取部分频点，将计算得到的电场场强进行比较，观察是否发生谐振现象，计算结果见图4。

图4 3个频点处电场场强比较Fig.4 The compare of electric field

由图4可以看出，在28.47 MHz频点处确实发生了谐振现象，与理论情况下谐振腔中电场分布较符合，验证了此模型的合理性。

5 结语

本文建立了电子机柜短波电磁辐射模型，采用本模型模拟电子机柜短波电磁辐射，简单又不失准确性。可以利用该模型仿真预测舱室内部电磁场，为各种重要舱室内设备的EMC优化布置设计提供指导，具有较好的应用前景。

［1］黄松高，宋文武，等．基于数据模型的系统电磁兼容性预测分析技术［J］．安全与电磁兼容，2002，(5)：33－36．

HUANG Song-gao，SONG Wen-wu，et al．Prediction ＆analysis technique based on data model in system level electromagnetic compatibility［J］．Safety ＆ Emc，2002，(5)：33－36．

［2］陈德喜，颜俐，王海婴．FEKO软件的RCS仿真应用［J］．舰船电子工程，2008，(9)：125 －128，203．

CHEN D-exi，YAN Li，WANG Hai-ying．Emulational application by the software FEKO in the radar cross section［J］．Electronic Engineering，2008，(9)：125 －128，203．

［3］肖运辉，李奕．FEKO在航空航天天线传真中的应用［J］．系统仿真技术，2008，4(3)：203 －207．

XIAO Yun-hu1，LI Yi．Appliance of FEKO in simulation of aeronautic ＆ astronautic antenna［J］．System Simulation Technology，2008，4(3)：203 －207．

［4］宋铮，张建华，黄冶．天线与电波传播［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2003．

［5］吴昌英，张璐，许家栋．加载单极子天线的时域辐射特性［J］．电波科学学报，2002，17(3)：295 －299．

WU Chang ying ZHANG Lu XU Jia dong．The time domain radiation characteristics of loaded monopole［J］．Chinese Journal of Radio Science，2002，17(3 295 －299．

［6］常青美，周长林．微型计算机电磁辐射的测量与分析［J］．电光与控制，1999，(1)：34－37．

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

陈德喜(1979－)，男，工程师，研究方向为舰船总体设计。