机载短波电磁环境仿真分析

2019-09-11葛文慧

直升机技术 2019年3期

葛文慧，范翠

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

短波通信作为空-空、空-地通信的主要手段之一，具有通信距离远、运行成本低且不受网络中继制约的特点。目前国内直升机上基本都加装了短波电台，但短波电台的发射功率比较大，短波发射天线所产生的近场场强可达到几百伏/米，短波电台安装到直升机后，出现了不同程度的电磁干扰问题。

本文针对某型直升机的电磁干扰问题，即发动机参数显示器上发动机T4温度、TRQ扭矩、FR燃油压力数据跳变，故障灯盒上旋翼转速灯亮及耳机内误告警，油量表示数跳变等，采用电磁仿真软件对机载短波天线在设备舱和线缆通道的近场电磁环境进行了计算仿真，结合仿真结果，分析了干扰原因并提出了解决措施，通过试验，验证了该措施的有效性。

1 基于矩量法的短波天线近场求解

矩量法是电磁数值计算中常用的方法之一[2-4]，为了使所研究的问题更具有普遍性，我们考虑下列算子方程：

L(f)=g

(1-1)

式中，L是线性算子，g是已知的源函数，f是未知函数。f和g是定义在不同的函数空间F和G上的，算子L将F空间内的函数映射到G空间上。为获得式(1-1)的数值解，将f在L的定义域内展开成f1、f2，…，fn的线性组合，即：

(1-2)

式(1-2)中，an是待求解的标量系数，fn为展开函数或基函数。如果N→∞且{fn}是完备集，则式(1-2)是精确的。由于计算机容量的有限性，N必须是有限的。此时，式(1-2)的右边项是待求函数的近似解，N越大越近似。将式(1-2)代入式(1-1)，可以得到：

(1-3)

上述方程定义在空间G内。为了求解式(1-3)以确定未知系数an，将式(1-3)在N个矢量w1,w2,w3,…,wn上进行投影，则式(1-3)将转化为矩阵方程。如果N→∞且{wn}是完备集，则此矩阵与式(1-3)完全等价；如果N为有限，则此矩阵是式(1-3)在G的子空间上的投影。

上述步骤即为矩量法的基本出发点。

在矩量法中，矢量f在w上的投影定义为f与w的内积：

(1-4)

则式(1-3)的近似形式可以写成：

(1-5)

式(1-5)可以简洁地写为矩阵方程：

ZI=V

(1-6)

再对Z求逆运算，可得:

I=(Z-1)V

式中：Z为阻抗矩阵，V为电压矩阵，I为所求的电流，从而得到电流分布，进而求出场强值。

对线天线电流分布问题建立几分方程，进行求解。在外场Ei的照射下，导体S上感应出的电荷密度为σ，电流密度Js,而感生电荷和电流又会产生散射场，如下所示：

(1-7)

(1-8)

(1-9)

2 短波天线自由空间的近场分布

2.1 短波天线建模

短波天线形式为线天线[5-6]，长度5740mm，工作频段为2～30MHz。根据近场划分条件公式r=2L2/λ[1],L为短波天线长度，可得天线分布半径r=0.439m～6.589m。

短波天线及短波天线自由空间近场区域(2000*800*2000mm3)模型见图1。

图1 短波天线模型及自由空间近场区域

2.2 短波天线自由空间近场电磁环境

短波天线自由空间，在水平面(xoy面)不同频率的电磁环境分布情况如图2所示。

2.3 结果分析

由计算结果可看出，短波线天线馈源端附近近场电场值较大，达到几百伏/米的数量级，且随频率升高逐渐减小。在机载短波电台天调处，若天线馈线未做好屏蔽措施，机体内部的天线馈线会以短波天线形式辐射能量，其在机体内部的辐射近场电场值将会较大，足以造成附近设备敏感。

图2 短波天线自由空间近场电磁环境

3 机载短波天线近场分布

3.1 计算模型及网格剖分

以某型直升机为仿真模型。机载短波天线电磁仿真注重外形尺寸与波长相同量级尺寸的结构区域，这些区域会对电磁波传导产生谐振效应、腔体效应和互调效应等影响。一些金属结构物会因为感应而产生二次辐射，风挡玻璃为非金属材料，考虑二次辐射，不可以作为金属部件进行仿真，模型中删除风挡玻璃。

建立好模型之后，进行网格划分，将其分割为有限个单元。网格划分得越密越好，但实际操作起来，通常将剖分密度控制在每波长8～10个网格。在2MHz～30MHz短波频段范围内用边长不超过1/10波长的近似等边三角形来模拟目标在不同频率下的真实导电表面，通过计算每个面元上的表面电流分布，求得近区电参数。电磁仿真几何模型见图3。