舰载飞行设备线缆线束电磁敏感度分析∗

2018-04-27金天舒杜晓昌梁胜杰

舰船电子工程 2018年4期

金天舒杜晓昌段涛梁胜杰

（91697部队青岛 261200）

1 引言

随着现代社会信息化进程的不断加快，电气、电子及通信设备在各领域的大量应用，各类电磁波变得无处不在，无时不有，对于用电设备而言这些都是潜在的干扰源。在国外，已把电磁波的影响看作一种环境污染，成立了相关机构对通信和电子产品进行管理，制订对应的电磁辐射限值标准，加以控制［1］。海上舰艇环境更是一个电磁干扰复杂的环境，电子和通信设备较多、任务量较大，对系统设备的可靠性和使用性能产生严重影响的可能性更大［2］。而飞行器设备本身比较敏感和特殊，其特点是在狭小空间中布置的电子设备多，线缆集中安装，电磁频谱覆盖范围宽，发射功率大，接受器灵敏度高，受干扰途径多，这就使飞行器的线缆和设备更容易受电磁干扰的影响，甚至会对飞行安全产生相当危险的影响，因此我们对其线缆线束的电磁敏感度进行分析研究对保证其飞行安全及完成任务有着重要的意义。

2 计算方法

当电磁波照射到传输线上，将出现场到线的耦合问题，沿线引起的分布小电压源会在电缆内部激励电流，该电流沿电缆流入电缆端接设备从而对电子设备形成辐射干扰［3］。具体模型如图1所示，电磁场作用于两个设备之间连接的电缆，由于电磁波的照射，在电缆的沿线感应出许多小电压源dU，它的大小取决于线上微分段的场强，即dU=Eidl。

图1 电磁波激励的分布电压源

图1中，对于任意一个微分段dz来说，既有两线间的耦合参数，又有感应电压源，称为具有分布电压源的电缆分段。由含有分布源的传输线方程式（1）～（2）可以求得一个微分段电压源dU作用下得到的沿电缆分布的电流I'(z)，如果沿电缆全长0～1间有连续感应的无数个dU作用，则需将作用电流进行沿线积分，才能获得实际电流的分布函数

式中

Z1，Z2为电缆两端连接设备的阻抗。

结合国军标GJB151B-2013中的RS103对实验机型缆线束电磁敏感度进行具体分析［4］。RS103适用于设备和分系统壳体及所有互连电缆，同时规定了辐射电场的限值。

RS103要求EUT（受试设备）在规定限值的辐射场测试下，不应出现任何故障、性能降低或偏离规定的指标值，或超出单个设备和分系统规范中给出的指标容差。在30MHz以下，对垂直极化场应满足要求，在30MHz以上，对垂直极化场和水平极化场均应满足要求。

3 模型分析及计算模型

3.1 模型分析

实验机型机体结构主要是金属与介质的复合材料，机身和发动机蒙皮均是铝合金材料，而飞行器机翼处部分为铝合金，部分为碳纤维，转接处采用钛合金焊接；对于尾翼处，采用碳纤维材料，与机身的转接处采用钛合金焊接；飞行器头部有部分为有机玻璃，采用喷金导电薄膜以增强电磁防护。

当电磁场在通过金属或者对电磁场有衰减作用的阻挡层时，会受到一定程度的衰减，即产生屏蔽作用［5］。屏蔽性能以屏蔽效能来度量。屏蔽效能的定义是：对给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽体安放前后的电场强度或磁场强度之比值，即

或者

SE为屏蔽效能（倍数）；E0为无屏蔽体时某一点的电场强度；H0为无屏蔽体时某一点的磁场强度；E1为安放屏蔽体后同一点的电场强度；Ht为安放屏蔽体后同一点的磁场强度。

由于屏蔽效能的数值范围很宽，用倍数表达不方便，用它来进行屏蔽效能计算更为麻烦，因此在工程上，屏蔽效能一般均用分贝（dB）表示，其演算关系如下：

或者

屏蔽效能的大小与电磁场的性质及金属自身的特性有关。当平面电磁波入射到一块厚度为t的实心金属板时，若金属板两侧的传播媒质均为空气，在金属板的第一界面上，由于阻抗的突变，电磁波的一部分就被反射，剩余部分透过界面进入到金属内。电磁波在金属板内传播时，金属板会消耗投射电磁波的能量使其衰减；投射波到达第二分界面时，又要产生反射，只剩小部分透过第二界面进入被屏蔽空间。

在上述过程中，电磁波入射到金属板时，一部分能量被两个分界面反射，起到屏蔽作用，称为反射损耗。而投射波在金属板内传播过程中被衰减的那部分能量称之为吸收损耗［6］。

在第二分界面上被反射的电磁波回到第一分界面时将再次产生反射，到达第二分界面时，又发生反射和投射，如此循环往复，直至能量全部被衰减和投射。电磁波在两个分界面之间多次反射的现象就是屏蔽理论中应该考虑的多次反射修正因子。

综上所述，金属板的电磁屏蔽作用可由下式表示：

式中：A为吸收损耗（倍数）；R为反射损耗（倍数）；B为多次反射修正项（倍数）。

若用dB表示，则为

根据分析可以求得屏蔽效能的计算式为

式中：Γ为电磁波在金属中的传播常数；t为金属板厚度；K为空气波阻抗与金属波阻抗比值。

Zω为电磁波在空气中的传播常数；Zs为电磁波在金属中的传播常数。

1）吸收损耗部分A

由于实验机型机身外面是铝蒙皮，根据公式把1mm的铝板在不同频率下的吸收损耗列如表1所示：（铝蒙皮的厚度按1mm计算）

表1 铝板在不同频率下的吸收损耗

2）反射损耗部分R

在一般情况下，空气的波阻抗Zω远大于金属材料的波阻抗Zs，则上式可以简化成

空气的波阻抗取决于屏蔽体的位置在场源的近区还是远区，以及干扰源的性质。根据不同的场区和场源特性可列出相应的反射损耗表达式，并求得反射损耗。根据实验机型的具体情况，估计反射损耗在79dB～92dB。

3）多次反射修正项

由式（3）～（15）可见，多次反射修正项与吸收损耗有关，当吸收损耗大于10dB时（即A＞10dB），多次反射修正项可以忽略。

综合上面三项分析，可以得出：为分析飞行器主体的屏蔽效能，将有机玻璃忽略，视机头全部为金属材质，则屏蔽效能为

根据上面的分析，机身屏蔽效能最低为90dB以上，在1MHz将达到182dB以上，1GHz将达到3329dB以上。

3.2 计算模型

仿真模型采用CST（Computer Simulation Tech⁃nology）三维全波电磁场仿真软件环境下的软件模型，如图2所示。

图2 飞行器机体仿真模型

图3为平面波激励信号，水平极化，可以看到其幅值为200V/m。用该平面波照射飞行器机身，计算在选定线缆线束上产生的感应电压。

4 计算结果和结论

计算中对水平极化场进行了计算，水平极化时，极化方式同线缆线束平行，此时的感应电压较大。由于计算线缆数量较大，这里只给出部分线缆在水平极化场情况下在设备端口上产生的感应电压的计算曲线，最后对各个端口的感应电压进行简单分析，如图4～图9，图中标头为结果大小（Result Magnitude），横坐标为激励波频率（Frequency），纵坐标为感应电压（Voltage）。