电磁场对导弹壳体孔缝耦合特性分析*

2016-04-08赵炳秋汤仕平万海军

舰船电子工程 2016年1期

关键词：仿真

赵炳秋　汤仕平　万海军

(海军电磁兼容研究检测中心　上海　200235)

电磁场对导弹壳体孔缝耦合特性分析*

赵炳秋汤仕平万海军

(海军电磁兼容研究检测中心上海200235)

摘要针对导弹安装平台电磁环境特点,对其壳体孔缝耦合特性进行仿真分析,研究外部辐射场相极化方式、入射角度、频率、孔缝尺寸、孔缝形状及分布对模型内部耦合场分布的影响,分析得出其耦合规律。

关键词导弹壳体; 孔缝; 耦合特性; 仿真

Analysis of Electromagnetic Coupling Characteristics of Apertures on the Missiles Shells

ZHAO BingqiuTANG ShipingWAN Haijun

(EMC Research and Measurement Center of Navy, Shanghai200235)

AbstractCoupling characteristics of apertures on the missiles shells are summarized via simulation on this paper, focusing on the electromagnetic environment characteristics of the install platforms. Coupling characteristics are obtained researching on the influence of coupling electromagnetic distribution in models by changing of polarization, incidence angle, frequency, apertures size and figure.

Key Wordsmissiles shells, apertures, coupling characteristics, simulation

Class NumberO441.5

1引言

现代导弹武器系统广泛采用电子器件,从包含微处理器的控制系统到电爆装置,而现代武器平台电磁环境复杂,其能量可能以不同的方式耦合到军械内部并造成一定的影响,如射频辐射能量通过导弹壳体的孔缝耦合到壳体内部,从点火引线进入导弹内的电爆装置,产生感应电流,导致电弧、火花或热效应,电磁能量的累积效应也可能造成电爆器件的无意触发,不仅使这些军械性能恶化、失效无法使用,造成导弹可靠性下降,还可能导致导弹意外发射或起爆,即出现电磁辐射对军械危害(Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance,HERO)问题,危及军械操作人员和武器平台的安全,给导弹等军械在储藏、运输或工作期间的安全性与可靠性构成严重威胁[1～5]。

孔缝作为导弹壳体电磁能量耦合的主要路径之一,开展其电磁耦合特性研究,对有效开展导弹电磁防护具有重要指导意义。本文针对短波辐射场下,导弹壳体孔缝耦合效应进行仿真分析,研究孔缝耦合的规律。

2孔缝效应分析

导弹壳体一般主要是钢、合金等导电材料,对外界电磁波能起到较好的屏蔽效果,由于系统结构设计的原因,在导弹舱段的连接处及弹体上不可避免的留有必不可少的电缆孔缝及缝隙天线、测试孔等相关孔缝。当弹体结构上存在孔缝等不连续点时,可能会发生较大的电磁泄露,从而使得电磁能量通过这些孔缝或舱口耦合到导弹内部。

根据麦克斯韦方程,屏蔽体内部的电磁场分布由屏蔽体中的电流密度矢量决定。而电流密度的方向与屏蔽体的结构形状有着密切的关系,在实际中,电流密度的方向比较复杂。对于连续的屏蔽体,感应电流是直线流动的。当屏蔽体上存在孔缝时,造成了屏蔽体的不连续性,进而改变了屏蔽体中感应电流的方向,正是因为电流密度方向的改变导致屏蔽体发生电磁泄露。这种效应可以等效为存在着另外一种附加的电流,附加电流与原电流相加,使得原来的电场发生了改变。根据屏蔽体中的总电流满足麦克斯韦方程的电流连续性准则,即可求得附加电流,就可根据麦克斯韦电磁理论求得孔缝内部的耦合场。

3孔缝耦合模型

图1　原问题

图2　等效问题

(1)

(2)

(3)

(4)

4孔缝耦合特性的仿真分析

典型导弹壳体开孔主要包括以下两种情况:一种是导引头舱部分留下的孔缝。导弹导引头罩一般采用非导电材料,导引头内部安装有天线,在导弹的设计中,导引头和后面舱段的连接通道不可避免的留有开孔,而且作为电缆走线通道也需要留有孔缝。另一种是导弹弹体上为了电气连接而留有的开孔。

4.1仿真模型

对于导弹而言,由于导引头罩采用非导电材料,可以忽略导引头罩的影响。在不影响问题分析和计算精度的前提下,建立近似的导引头舱连接部位模型,上底面(与导引头连接部位)上开有孔缝,假设模型材料为理想电导体材料,对模型以一定特性的辐射源进行照射,研究模型内部电磁场的耦合特性。

为便于进行研究,对于导引头与后面舱段连接处隔板上的孔缝,其形状可以简化处理成图3所示的几种情况,对这几种开孔情况保持孔缝的总面积不变[8～9]。

图3　孔缝的几种类型

4.2辐射源的选择

在研究孔缝耦合问题时,不仅孔缝尺寸、形状和孔的分布会对耦合产生影响,外部辐射场的入射方向、极化方式、频率、场强等也可能会对孔缝的耦合产生影响。为了准确分析辐射场入射方向、极化方式和频率等特性对导弹壳体孔缝耦合的影响,本文在研究导弹导引头连接部位和弹体的孔缝耦合特性时,均采用平面波源作为辐射源,分别改变入射波的极化方式、入射方向和频率,考察内部耦合场的变化,分析比较得到孔缝耦合特性[7～10]。

4.3仿真及结果分析

4.3.1极化方式对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有图3(a)所示圆孔的情况,辐射源为平面波源,入射方向沿x轴方向。分别对水平极化(电场方向沿y轴)和垂直极化(电场方向沿z轴)的情况进行了仿真计算,得到模型中心轴线即z轴电场和磁场的分布如图4和图5所示。

图4　入射波不同极化方式下的耦合电场

图5　入射波不同极化方式下的耦合磁场

由图4和图5可以看出,电磁场在耦合到模型内部后,随着距孔缝距离的增大而迅速减小,并趋于零,这说明模型中通过孔缝耦合进入内部的电磁能量基本分布在孔缝附近一定区域内;垂直极化波的耦合电场远远大于水平极化波的耦合电场,但两者的耦合磁场相差不大。

4.3.2入射方向对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有图3(a)所示圆孔的情况,辐射源为平面波源,入射方向沿x轴方向。保持入射波水平极化(电场方向沿y轴)的情况下,不同入射方向(水平入射、斜入射与垂直入射)时,中心轴线上电场和磁场分布曲线如图6和图7所示。

图6　不同入射方向下的耦合电场

图7　不同入射方向下的耦合磁场

由图6和图7的曲线比较可知,在极化方式相同的情况下,耦合电场受入射角度影响不大,其耦合强度随入射角度增大而增强的趋势不明显;耦合磁场受入射角度影响较大,其耦合强度随入射角度增大,有较明显的增强。

4.3.3频率对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有图3(a)所示圆孔的情况,辐射源为平面波源,入射方向沿x轴方向。入射波频率不同时,中心轴线上电场和磁场分布曲线分别如图8和图9所示。

图8　不同频率入射波下的耦合电场

图9　不同频率入射波下的耦合磁场

比较图8、图9可知,入射方向和极化方式相同的情况下,随着频率的增高,孔耦合的电场随之增强,但耦合的磁场减小。

4.3.4辐射场强对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有图3(a)所示圆孔的情况,辐射源为平面波源,入射方向沿x轴方向。场强幅值从10V/m以步进10V/m增加到100V/m时,壳体内外两个位置的电场变化的拟合曲线如图10所示。

由图示曲线比较可知,模型内部耦合场场强与外部辐射场场强之间成线性关系,该关系所表现的直线说明在距孔一定距离位置的屏蔽效能。

图10　壳体内、外场强关系拟合曲线

4.3.5孔缝尺寸对孔缝耦合的影响

图11　不同尺寸圆孔模型内耦合电场

图12　不同尺寸圆孔模型内耦合磁场

对于模型上底面开有图3中(a)所示圆孔的情况,其半径为两种不同尺寸,辐射源为平面波源。两种不同尺寸的孔,其模型中心轴线上电场和磁场分布曲线分别如图11和图12所示。

由图11和图12中的曲线比较可知,外部辐射场相同时,尺寸较大的孔,其耦合场(包括电场和磁场)都要明显强于尺寸较小的孔的耦合场,耦合场在模型内部的分布区域也更广。

4.3.6孔缝形状对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有图33(a)、(b)、(c)所示面积相同的四种孔(其中长方形孔长短边互换作为两种情况考虑)的情况,辐射源为平面波源,入射波为沿x轴入射的垂直极化波(电场方向沿z轴)。四种不同形状孔的模型中心轴线上电场和磁场变化曲线分别如图13和图14所示。

图13　四种形状孔缝模型内的耦合电场

图14　四种形状孔缝模型内的耦合磁场

由图13和图14的仿真结果曲线可以看出,圆孔和方孔模型的耦合场(无论是电场还是磁场)强度相差不大,而两种矩形孔的耦合电场也几乎相同,但电磁场沿矩形孔长边入射时,孔耦合的磁场强于沿窄边入射时的耦合磁场。另外,圆孔和方孔的耦合电场强于两种矩形孔,而耦合磁场则介于两者之间。

4.3.7孔缝数量对孔缝耦合的影响

对于模型上底面开有面积相同的三种孔阵的情况,孔的位置和形状如图3中的(d)、(e)、(f)所示。辐射源为平面波源,入射波为沿x轴入射的垂直极化波(电场方向沿z轴)。三种不同开孔尺寸模型中心轴线上电场和磁场变化曲线分别如图15和图16所示。

图15　三种孔阵模型内的耦合电场

图16　三种孔阵模型内的耦合磁场

由图15和图16的仿真结果曲线可以看出,图3中图3(e)、3(f)两种孔的中心轴线上电场相差不大,但是明显大于开孔如图3(g)所示中心轴线的电场,即对于孔阵的情况,孔之间的距离越大,内部耦合电场越小。对于磁场的耦合,图3(f)所示孔缝中心轴线上磁场大于图3(d),但图3(d)大于图3(g)的耦合磁场。并且通过与图15和图16曲线的比较可知,相同面积时,孔阵耦合远小于单孔的耦合。

5结语

本文分析了电磁场通过孔缝的耦合机理,采用等效原理建立了孔缝耦合的理论模型,然后针对导引头舱连接部位孔缝建立仿真模型并进行了计算分析,得到导弹壳体孔缝耦合特性:外部辐射场相对孔缝为垂直极化时,其耦合电场远大于水平极化时的耦合电场,而磁场耦合受极化方式的影响较小;入射角度越大,耦合磁场越大,但对耦合电场变化不明显;相同尺寸的孔缝,频率越高,电磁场耦合越大;内部耦合场场强与外部辐射场场强成线性关系;孔缝尺寸越大,耦合越强;单孔的耦合大于总面积相同的孔阵的耦合。

参考文献

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中图分类号O441.5