某型直升机射频机架维护面板改进设计

王明，刘志平

某型直升机射频机架维护面板改进设计

王明，刘志平

（天津直升机研发中心，天津 300000）

射频机架集通信和导航等功能于一体，是直升机航空电子系统的重要设备，在工程应用中，往往需要在产品的电磁兼容性与维护性间进行权衡。对某型直升机射频机架维护面板维护不便的问题进行了分析，通过一维仿真计算，说明电磁辐射原理，通过二维对比图及谐振腔理论说明辐射源与孔缝位置对辐射强度的影响，最后在满足现行射频机架电磁兼容标准要求下，改进了维护面板，提高了射频机架维护面板的维护性。

射频机架；维护面板；电磁兼容；仿真计算

综合射频机架作为一个箱体，为内部元器件、功能模块等提供安装平台，具有屏蔽体的作用，减少内部电磁场向外辐射，同时减少外部大量电磁能量进入箱体内部。电磁屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能量传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。

1 综合射频机架维护面板设计改进的必要性

综合射频机架内部元器件、功能模块经常需要维护、检修，以保证综合射频系统正常工作，以及在飞机试飞排故的过程中，需要快速更换以排除故障，射频机架维护面板的快速拆卸、安装在时间和空间上对于直升机具有重要意义。

常规射频机架设计如图1所示，射频机架维护面板安装设计如图2所示。射频机架维护面板在安装过程中采用螺钉安装，考虑了电磁兼容性以及内部模块间的通风散热，但对拆卸、安装、维护等方面考虑不足，因此，在兼顾射频机架功能的前提下，对射频机架维护面板进行优化改进设计是必要的。

图1 射频机架示意图

图2 射频机架维护面板安装位置图

此外，综合射频机架安装在直升机的过渡段中的狭小空间，上下两块维护面板需要多个螺钉安装，拆卸、安装、维护过程中费力、费时。因此在不影响其功能用途的情况下，对其维护面板进行改进设计具有重要意义，而不影响其功能用途主要是指对其内部元器件的电磁兼容性问题进行考虑，使其满足原设计情况下的电磁兼容条件。

2 基于时域有限差分法计算电磁兼容性

2.1 时域有限差分法推导电磁波传播过程

时域有限差分法是对麦克斯韦方程组中（安培定理和法拉第电磁感应定理）的空间和时间导数进行有限差分近似，利用中心差分法有下式成立：

直角坐标系中的标量方程为：

用（，，）表示网格单元沿三个方向的步长，以右上标的变化为时间推进，则：

2.2 解的稳定性条件

由Maxwell旋度方程所导出的FDTD差分方程，它是基于有限差分法所进行的推导，因此，为保证时间推进和空间推进能够很好地进行而使计算结果不发散，时间步长和空间步长要满足一定的关系。人们通过研究发现，对于三维问题，当时间步长和空间步长满足下式，计算结果稳定不会发散：

2.3 电磁波传播边界条件

计算机所计算的为有限个网格区域，而网格终端的节点会反射入射到该节点的任何电磁波，通常情况下在边界节点设置多层的吸收边界条件，能使反射回计算区域的能量最小，近似是电磁波在无限大空间上的传播，利用吸收边界条件能够很好地模拟电磁波在无限空间中的散射情况。

3 对比验证孔缝位置对电磁兼容性的影响

3.1 FDTD法的一维仿真计算分析

将电磁波的传播区域划分为200个节点，运用Fortran进行编程，所划分的网格如图3所示。

图3 电磁场区域网格的划分形式

通过程序绘制第50节点和第60节点的电场强度变化的对比图，如图4所示。

图4 第50节点和第60节点电场强度对比图

从图4中可以看出，在无屏蔽层时，电磁波传播过程中电场强度未曾衰减，电磁波传播距离辐射源位置的远近不同，电场强度变化的时间不同。相关程序见文后程序附录1。

通过程序绘制考虑吸收边界条件的截断网格和未考虑吸收边界条件情况的对比图，如图5所示。

图5 吸收边界条件和未考虑吸收边界条件的对比图

通过图5中数据的对比可以看出，未考虑吸收边界条件的网格在边界处存在电磁波的反射，不能模拟电磁波在无限空间中的散射，而考虑吸收边界条件的网格能够很好地模拟电磁波在无限空间中的传播。相关程序见文后程序附录2。

3.2 二维情况孔缝对电磁兼容的影响

对于二维电磁波传播的过程，可以根据电磁波传播的特点进行分析，当假设电场只沿方向变化，而磁场分量只有在和方向上的非零分量，则根据Maxwell旋度方程可以将电磁场传播方程写为：

其电磁波的传播的过程如图6所示。

图6 二维电磁波传播示意图

根据电磁波传播的特点，当电磁波遇到屏蔽层后会被吸收和散射，屏蔽层存在孔缝的情况，如图7和图8所示。

图7 屏蔽层存在孔缝情况示意图1

图8 屏蔽层存在孔缝情况示意图2

根据谐振腔理论，辐射的电磁波通过孔缝耦合作用传出屏蔽体，在屏蔽体外产生新的谐振频率，当辐射波极化方向与孔缝长边方向垂直时，电磁泄漏最为严重。当新的辐射频率落在外部设备接收工作频段时，会对接收设备产生严重干扰。在假设辐射源向周围均匀辐射及孔位大小相同的情况下，通过对比图7和图8可以看出，屏蔽层孔缝距离电磁辐射源的远近不同，根据电磁波传播的特点，屏蔽层对电磁波会吸收和反射，图7中近距离辐射孔缝的电磁强度要强于图8中远距离辐射孔缝的电磁强度，所以，在射频机架维护面板的改进设计中要考虑射频机架内主要辐射源距离所开孔缝的位置。

4 优化改进后的射频机架维护面板设计

在综合考虑射频机架内辐射源情况下，改进后的射频机架维护面板如图9、图10、图11所示。射频机架维护面板改用锁扣锁紧的形式，在一侧配有拉手，方便打开，便于拆卸、安装、维护，同时维护面板与射频机架侧壁贴合面处采用导电橡胶，用于电磁密封和环境密封，这样将不会改变原设计散热风扇对内部单元的散热，改进后的设计兼顾电磁兼容指标要求和散热要求的情况下，对结构进行了适当的改进，方便综合射频系统内部模块维护。

图9 改进后的射频机架维护面板1

图10 改进后的射频机架维护面板2

图11 改进后的射频机架维护面板3

此外，在结构上考虑了过渡段空间中其他设备对维护面板的影响，将周围其他设备的安装位置考虑在内，避免在开关维护面板的过程中与其他结构设备产生干涉。

5 总结

改进后的维护面板充分考虑了原设计中的电磁兼容性指标要求和散热要求，同时在结构上进行相应优化，考虑过渡段设备仓中射频机架周围设备对维护面板开关的影响，方便射频机架内部模块的快速更换维修，对某型直升机射频系统维护面板的优化改进具有指导意义。

程序附录：

附录1.!*未设置截断网格电磁波在自由空间中传播的一维 FDTD 仿真*!

program ex101

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"输入要输出的节点 I= 随时间的电场强度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=0.0

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*输出 J 节点电场数据*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*输出时间变化数据*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上输出时间步和电场强度变化数据*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program

附录2.!*设置截断网格电磁波在自由空间中传播的一维 FDTD 仿真*!

program ex102

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"输入要输出的节点 I= 随时间的电场强度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=hy(199)

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*输出 J 节点电场数据*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*输出时间变化数据*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上输出时间步和电场强度变化数据*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program。

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2095－6835（2020）06－0030－05

V275.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.010

〔编辑：张思楠〕