复杂机体结构电磁屏蔽效能仿真研究

李强兵，刘宇涵，贾云峰

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000；2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191)

0 引言

直升机蒙皮作为保护机内设备和电缆免受外部干扰的第一道屏障，所选蒙皮材料的屏蔽性能是直升机整体屏蔽性能的基本保证。据统计，世界先进直升机的蒙皮中复合材料的使用已经达到全身结构的60%～80%，并且有些飞机已经采用了完整的复合材料结构，即复合材料的使用率已经达到90%以上[1]。与纯金属材料相比，复合材料具有耐疲劳性能好、质量轻、耐蚀性等优点。但是与直升机之前所采用的金属与合金结构相比，复合材料的电磁屏蔽性能较差且制作厂家大多无法提供其准确的电磁参数，这就对直升机蒙皮结构的电磁屏蔽性能设计提出了挑战。

目前，高性能飞机蒙皮使用的材料主要是碳纤维复合材料(CFC)或碳纤维增强塑料(CFRP)，这种结构可以有效地降低机体重量和研制成本。然而，复合材料的电磁特性和电磁屏蔽特性尚不清楚。陆军工程大学将无人机机体简化成一个厚度为8mm，相对介电常数为4，电导率为2S/m，相对磁导率为1的简单结构[2]。在飞机为电大尺寸模型，且复合材料分层建模数据不足的情况下，Miguel R. Cabello，Sergio Fernandez等人采用黑匣子建模方法来进行使用复合材料的飞机的电磁仿真，通过比较材料数据表和现场测量数据，他们假设材料的平均电导率为104S/m[3]。上述两种方法都没有建立确切的蒙皮结构，也不能保证飞机整体结构的电磁屏蔽预测的准确性。军械工程学院的曲兆明等人认为，复合材料的编织结构相当于各向异性介质的叠加，他们通过建立等效模型仿真得出屏蔽效能，验证了该方法的可行性[4]。但是，这种方法计算量较大，不适用于电大尺寸的仿真。因此，为了保证飞机整体结构电磁屏蔽效能预测的准确性，研究适用于电大尺寸飞机模型的直升机蒙皮结构的等效建模技术非常迫切。

1 直升机蒙皮材料等效模型建立理论分析

1.1 蒙皮结构合理等效

直升机蒙皮结构采用的多层铺层结构是将多层预浸料分层铺设在一起形成的，这种结构的电磁性质取决于每层预浸料的性质，且与各层预浸料的铺敷角度有关。具有编织结构的碳纤维预浸料是各向异性材料，其结构如图1所示。为了保证蒙皮的性能，在设计成型时应调整每一层的方向，使飞机蒙皮在各个方向都具有良好的机械和电磁性能。解放军理工大学的司卿、黄正宇等人也通过窗口法对不同铺设方向的碳纤维增强复合材料在800MHz～15GHz频段的屏蔽效能做了测试，结果表明，对于采用垂直和交叉铺层排布方式排列的碳纤维而言，可在微波频段近似等效为各向同性的良导体[5]。

图1 编织结构

本文采用的蒙皮结构是XX直升机的典型蒙皮结构，其铺层结构如表1所示。在该蒙皮结构中，第4层到第12层采用电磁性能呈现各向异性的环氧碳布预浸料进行铺敷。其他层的铺敷材料包括表面涂层，环氧玻璃布预浸料和铜网等，均为各向同性材料。具有各向异性的环氧碳布预浸料以45°角交叉铺敷，以满足机械和电磁性能的要求，使得蒙皮结构在各方向呈现近似相同的电磁特性。基于以上分析，可以将飞机蒙皮结构等效为各向同性的良导体结构。

表1 直升机蒙皮材料和铺设角度

1.2 蒙皮材料等效参数的反演计算

蒙皮材料的等效复介电常数ε和等效复磁导率μ可由S参数反演计算得到。设蒙皮材料被试件本身的传输系数为T，被试件在一端的反射系数为Γ，另一端的反射系数为-Γ，同轴线内的介质为空气，那么样品间的反射系数、透射系数与样品与空气间的反射系数和透射系数的关系如图2所示。

图2 同轴腔中的电磁波

由电磁场基本理论我们能容易地得到样品与空气的反射系数S11及透射系数S21与样品两个界面之间的反射系数Γ和透射系数T的关系分别为：

S11=Γ-[Γ(1-Γ2)T2+Γ3(1-Γ2)T4+…

+Γ2n-3(1-Γ2)T2(n-1)]=

(1)

S21=(1-Γ2)T+Γ2(1-Γ2)T3+…

(2)

对式(1)和(2)进行数学计算，可以得到两端口的S参数与样品的反射系数Γ及传输系数T之间的关系：

(3)

(4)

根据Nicoloson算法，引入变量V1、V2，令：

V1=S21+S11

(5)

V2=S21-S11

(6)

引入变量X，则有：

(7)

(8)

(9)

则：

(10)

(11)

(12)

式中，l为被试件的厚度；λc为截止波长；γ为样品区的传播常数；λ0为入射电磁波的波长。

2 直升机蒙皮材料等效电磁参数的测量

由于飞机蒙皮为不同铺层采用高温高压的方式加工而成的，被试件加工过小会对材料尤其是其边缘造成损伤，严重影响测试精度，且被试件中含有边长为2.75mm的六边形铜网结构，所以本研究中传输系数及反射系数的测量采用大同轴腔的方式。测试示意图如图3所示。传输系数及反射系数测量所用到的硬件设备有安捷伦E5080A矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)、自制同轴夹具、同轴电缆等。

测得直升机蒙皮结构的反射系数S11、S22以及透射系数S12、S21的幅值和相位测试结果如图4、图5所示。

基于上述测试结果和电磁参数的反演计算，可以得到被试材料的等效介电常数和等效磁导率，其中等效介电常数ε=ε′-jε″，如图6所示，等效磁导率μ=μ′-jμ″，如图7所示。

图3 同轴传输/反射法

图4 直升机蒙皮结构S参数的幅值

图5 直升机蒙皮结构S参数的相位

图6 等效介电常数

3 直升机蒙皮材料等效模型的仿真验证

3.1 蒙皮材料等效模型的仿真

根据反演计算结果，可以建立直升机蒙皮的等效模型，即将直升机蒙皮等效为电磁参数随频率变化的单层屏蔽结构。本研究使用电磁仿真软件HFSS建立等效模型，采取主从边界的建模方式，模拟TEM波入射无限大蒙皮材料的屏蔽效能。仿真模型如图8所示。

图7 等效磁导率

图8 HFSS屏蔽效能仿真界面

在仿真模型建立完成后，设置扫频信息，以300MHz为起始频点，1500MHz为终止频点，1MHz为扫频间隔。之后可对模型进行网格剖分并进行仿真，得到模型屏蔽效能的仿真结果。

3.2 蒙皮材料屏蔽效能仿真与实测结果对比

直升机蒙皮材料屏蔽效能测试平台如图9所示。法兰同轴装置具有圆锥形内腔，作为同轴装置，其内部可模拟空气中远场的平面波来对材料的屏蔽效能进行测试。将待测材料装入同轴腔体内部后，同轴腔内的电磁波由于被试件产生多次热损耗、反射衰减而引起阻抗失配，矢量网络分析仪根据入射电磁波以及经由被试件后的电磁波信息来测得材料的屏蔽效能。由上图中直升机蒙皮材料模型屏蔽效能的仿真结果与实测结果对比可得，在300MHz～1500MHz的频段内，屏蔽效能仿真与实测结果误差在1dB以内，可验证所建模型的正确性。

将实测结果与上一节得到的仿真结果对比，如图10所示。

图9 自制的法兰同轴装置

图10 屏蔽效能仿真结果与实测结果对比

4 结论

本文的研究结果表明，在300MHz～1500MHz频率范围内，飞机的复杂蒙皮结构可以等效为电磁参数随频率而变化的单层蒙皮结构。通过等效建模仿真得到的屏蔽效能和实际测量结果误差在1dB以内。小尺寸规则蒙皮材料的测量与建模可用于电大尺寸飞机的仿真，实现整个直升机屏蔽效能的仿真，解决电大尺寸模型蒙皮建模困难的问题。