复杂机体结构电磁屏蔽效能仿真分析

杜娟　李敏敏

[摘    要]飞机是一种十分常见的空中交通工具，为保证飞机使用安全必须对其结构以及生产材料进行严格挑选。除了基本的强度刚度控制，电磁辐射场超过安全限值，也会对人员、设备、燃油安全造成危害。结构电磁屏蔽是利用导电体对电磁波的吸收、反射原理隔离电磁波由机体外部向内部的辐射传播。基于此，本文着眼于飞机蒙皮材料的屏蔽性能，对机体结构的电磁屏蔽效能仿真问题进行了研究，文中不仅对常见的飞机蒙皮材料进行了概述，更对等效模型建立的理论进行了分析，还论述了此类型材料的等效电磁参数测量与模型仿真，希望能为相关工作人员带来参考。

[关键词]飞机制造;复杂机体机构;电磁屏蔽;仿真模型

[中图分类号]V214.8 [文獻标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03

Simulation Analysis of Electromagnetic Shielding Effectiveness of

Complex Airframe Structure

Du Juan， Li Min-min

[Abstract]Aircraft is a very common means of air transportation.In order to ensure the safety of the aircraft， its structure and production materials must be strictly selected.In addition to the basic strength and rigidity control， electromagnetic radiation field exceeding the safety limit will also cause harm to personnel， equipment， and fuel safety.Structural electromagnetic shielding is to use the principle of electromagnetic wave absorption and reflection by the conductor to isolate the electromagnetic wave from the outside to the inside of the body.Based on this， this article focuses on the shielding performance of aircraft skin materials， and studies the electromagnetic shielding effectiveness simulation of the airframe structure.The article not only provides an overview of common aircraft skin materials， but also the theory of equivalent model establishment.The analysis also discusses the equivalent electromagnetic parameter measurement and model simulation of this type of material， hoping to provide reference for relevant staff.

[Keywords]aircraft manufacturing;complex body mechanism;electromagnetic shielding;simulation model

蒙皮材料是飞机的第一重屏障，其自身的屏蔽性能将会直接影响飞机机舱的整体屏蔽性能，可以为飞机内的各项设备与电缆的免干扰运行提供保障。为了进一步提高蒙皮材料与蒙皮结构的实用性，相关工作人员应该以提高复杂机体结构电磁屏蔽性能为目标，开展仿真研究和优化设计。

1  飞机蒙皮材料概述

通常来说，为保证飞机内设备和电缆不受外力干扰，需要利用蒙皮材料来建立保护层。在这一环节，屏蔽性能将成为蒙皮材料选择的首要因素。现阶段，世界先进的飞机蒙皮之中，复合材料用量极高，已经占据了全身结构的60%～80%，甚至部分飞机蒙皮结构中的复合材料使用率超过了90%。相比于传统的纯金属材料，复合材料的耐疲劳性、耐腐蚀性更强，而且质量也更轻，但这种材料也存在电磁屏蔽性能弱和电磁参数判断不准确的问题。

当前，碳纤维复合材料（CFC）和碳纤维增强塑料（CFRP）是最为常见的高性能飞机蒙皮材料，在使用环节具有质量轻而成本低的特点。不过，此类型结构的电磁特性和电磁屏蔽特性不明，所以为了进一步加深对此类型材料的研究，也为了深化材料应用，技术人员大多选择使用建模仿真的方式对材料的电磁屏蔽性能进行模拟。其中，最受人关注的方式就是等效建模技术。

2  等效模型建立的理论分析

为保证等效模型建立的合理性和电磁屏蔽效能仿真结果的可靠性，相关工作人员应该先对等效模型建立的理论依据加以分析。

2.1  合理等效

大多数飞机的蒙皮机构都是多层铺层结构，这种结构是基于多层预浸料分层铺设而成，其电磁性质与各层预浸料的性质息息相关，而且还与不同层次的预浸料铺敷角度有关。通常，具有编织结构的碳纤维预浸料属于各向异性材料，编织结构较为规整，呈现明显的横竖编织特性[1]。在设计环节，要确保飞机蒙皮性能，就必须对各层预浸料的方向加以调整，从而保障飞机蒙皮各方向都具备良好的机械性能和电磁性能。若基于800～15 MHz频段对碳纤维增强复合材料进行屏蔽性能测试，则可得出的结论为：当碳纤维以垂直或交叉铺层排布时，可在微波段近似等效为各向同性的良好导体。

在本次研究中，以某飞机典型蒙皮结构为例。在结构中，各层的铺敷材料以及角度如下：（1）第1层为表面涂层，属于各向同性材料。（2）第2层为环氧玻璃布预浸料，属于各向同性材料。（3）第3层为铜网，属于各向同性材料。（4）第4～12层为环氧碳布预浸料，他们属于有各向异性的材料，所以以45°交叉铺敷的形式制造出各方向电磁特性近似相同的局面。（5）第13层为环氧玻璃布预浸料，属于各向同性材料。（6）第14层为表面涂层，属于各向同性材料。基于此，我们可看出在案例所用的飞机蒙皮结构中，通过优选材料和有效铺敷打造了材料整体性能呈现各向同性的局面，所以该结构也能被等效为各项相同的良导体结构。

2.2  等效参数计算

在实践中，将蒙皮材料的等效复介电常数设定为，将等效复磁导率设定为，则可利用S参数反演计算上述数据。在这一环节，可用T来代表蒙皮材料试验体的自身传输系数，然后以代表试验体的一段反射系数，并以-代表另一端反射系数。若以空气为同轴线内的介质，则被试验体之间的反射、透射系数以及被试验蒙皮材料同空气间的反射、投射系数关系如图1所示。

3  材料的等效电磁参数测量与模型仿真

目前，飞机的内部结构以及性能在不断优化，机上装备也在不断丰富，大量先进的电子设备被应用在飞机之中。比如，电台、导航系统、测高仪、雷达等。在这种情况下，电磁环境稳定性成为了飞机运行安全的重要影响因素。飞机使用过程中，一旦出现电磁干扰就容易引发飞机运行失控，将会造成非常严重的不良影响。因此，在飞机生产环节首先要考虑的就是电磁干扰问题，要切实保证飞机的电磁兼容性，并且不断提高机身的电磁屏蔽能力和抗干扰能力。在实践中，相关工作人员往往选择利用飞机蒙皮来保障飞机内的电磁环境不受干扰，所以研究飞机蒙皮材料和机构的电磁屏蔽性能就成为了相关工作人员的研究重点。为此，在飞机蒙皮研究环节，必须做好飞机蒙皮材料屏蔽效能的仿真和实测。

3.1  等效电磁参数测量

基于高温高压方式加工不同铺层可制作出飛机蒙皮，但被试件的参数将会直接影响材料质量和测试精度。比如，被试件过小就容易导致材料边缘损伤，进而影响测试精度。而且，在本次研究中被试件中还包括2.75 mm边长的六边形铜网结构。因此，在本次研究中将以大同轴腔的方式来测量传输系数与反射系数。

在测量环节，将会基于Vector Network Analyzer（VNA）来进行操作。Vector Network Analyzer就是矢量网络分析仪，它是一种可用于测试电磁波能量的硬件设施。在实际应用环节，这种设备不仅能完成单端口或两端口网络陈述幅值的测量，更能对相位进行测量，还可通过史密斯圆图来显示测试数据[2]。当然，在测量传输系数和反射系数时，除了要做好VNA型号选定，还需要自制同轴夹具和电缆。经过测量，获得飞机蒙皮反射系数以及投射技术的幅值和相位以后，可基于电磁参数反演计算结果获得测试材料的等效介电常数以及等效磁导率。在这一环节，可用公式如下：（1）;（2），其中为等效介电常数、为等效磁导率。

3.2  等效模型仿真

基于反演计算结果，可构建飞机蒙皮等效模型。在这一环节，我们将飞机蒙皮等效为一种单层屏蔽结构，而这种结构的特性就是其电磁参数会跟随频率变化而变化。那么，为有效建立等效模型，相关工作人员需要合理选择仿真软件。比如，基于High Frequency Structure Simulator（HFSS）软件建立等效仿真模型。这种软件是一种可靠性高、仿真精度强、仿真速度快且界面操作便捷的三维电磁仿真软件，用它来建立飞机蒙皮的等效模型十分可行。在实际应用环节，可采用主从边界建模方式，对TEM波入射无线大蒙皮带材料的屏蔽效能进行模拟。基于已建立的等效仿真模型，相关工作人员可以对其扫频信息进行设置。比如，分别以300 MHz和1500 MHz为起始和终止频点，并将扫频间隔设定为1 MHz。在这种条件之下，HFSS软件的自适应网格剖分技术将发挥巨大的实用价值，实现对模型的有效分析和仿真，从而让相关工作人员得到模型屏蔽效能的仿真结果。

3.3  屏蔽效能的仿真与实测对比

在实际作业环节，相关工作人员需要根据实际需求和技术应用要求来搭建飞机蒙皮材料屏蔽效能测试平台。在此环节，应选用包含圆锥形内腔的法兰同轴装置，而且所用同轴装置的内部还应该具有模拟空气中远场平面波的能力，这样才可以用于开展飞机蒙皮材料屏蔽效能测试。在实践中，操作人员应该将飞机蒙皮材料放入同轴腔体的内部，然后基于不同的反应和设备完成测试。此时，被放入内腔的飞机蒙皮材料，会受到其中的电磁波干扰，而出现多次热损耗和反射衰减，这样会引起电磁波阻抗失配[3]。在出现这种情况以后，测量人员需要使用矢量网络分析仪来开展进一步测量，此时应利用该设备基于入射电磁波和被试蒙皮材料的电磁波信息，来完成疲敝效能的最终测量。如图2所示，为这一过程中的仿真结果和实测结果对比情况。当处于300～1500 MHz频段内的时候，飞机蒙皮材料的仿真模型屏蔽效能测试结果是准确的，仿真与实测结果的误差被控制在1 dB以内，说明仿真模型具有正确性。

4  结语

总而言之，对飞机的复杂蒙皮结构电磁屏蔽性能加以研究，可以为提高飞机制造水平奠定基础。在此环节，可应用小尺寸的规则蒙皮材料来充当仿真模型，为研究大尺寸飞机的蒙皮材料性能以及结构提供辅助。基于这种仿真模型，可以对飞机整体屏蔽效能进行仿真，对优化飞机生产设计，提高飞机实用性都具有极高的参考价值。

参考文献

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