HIRF条件下机载电子设备屏蔽性能研究

韩 征， 马振洋， 史春蕾， 程 争

(中国民航大学，a.工程技术训练中心； b.民航航空器适航审定技术重点实验室； c.安全科学与工程学院，天津 300000)

0 引言

机载电子设备在飞机飞行过程中处于复杂的电磁环境，除了受到闪电等自然干扰源的影响，还会受到来自飞机外部大功率无线电发射机(如无线通讯、导航、雷达设备)产生的高强度辐射场(HIRF)的干扰，对航空安全构成威胁。HIRF频带范围覆盖10 kHz～40 GHz，电场强度可达每米数千伏，对航空机载电子设备的影响很大[1-2]。而金属屏蔽体可以有效地切断耦合途径、抑制电磁干扰，提高电子设备的防护性能，但是实际中的设备由于通风散热、线缆接口等需求的存在，不可避免出现一些孔缝，降低了金属屏蔽壳体的屏蔽性能。

面对日益复杂的电磁环境，目前国内外对于航空器的电磁环境已有一些机构和学者进行了研究。文献[2-3]通过对机载设备屏蔽壳体模型上的孔缝进行多种变换分析其对屏蔽效能的影响；文献[4]分析了不同测试条件下复合材料燃油箱模型屏蔽效能的差别；文献[5-7]研究了飞机在闪电间接效应下机舱内外的感应电场、表面电流等电磁环境参数；文献[8]仿真分析了直升机底部不同开孔模型对飞机内部辐射能量的影响；文献[9]分别采用HIRF激励和直接电流注入(DCI)激励两种方法仿真分析了飞机表面电流；文献[10-11]分别采用仿真分析和实测两种方法对比分析了HIRF环境下耦合进入飞机内部的感应电场等结果的差别；文献[12]研究了飞机内部耦合场的HIRF传递函数，并用数值仿真方法进行了验证；文献[13]研究了闪电环境下飞机碳纤维复合材料对电磁屏蔽效能的影响；文献[14]将航空器机身简化为金属腔体，分别对单缝隙、多缝隙情况下的屏蔽效能进行了细致研究。以上研究是在不同的电磁环境下开展的，采用多种方法针对简化的机载设备屏蔽体模型或整机进行测试，并没有与相对复杂的具体机载电子设备相结合，缺乏实际的指导意义。

由于当前针对HIRF环境下具体机载电子设备电磁屏蔽性能的研究相对较少，因此，本文以某航空机载电子设备为研究对象，采用CST电磁软件对其进行测试分析，分别从时域和频域的角度分析了内部中心线探针上的电场情况，计算得到了从不同面板垂直入射情况下中心线探针上的屏蔽效能，并仿真分析了多个频率下设备壳体表面的电场分布，为机载电子设备的电磁防护设计提供参考。

1 电磁屏蔽相关知识

屏蔽是指将电子设备辐射的电磁能量控制在特定区域内，以免干扰其他设备，或者通过各种屏蔽材料吸收和反射，防止外部电磁能量的入侵[14-15]。本文研究的内容是外部HIRF环境下电磁能量对设备屏蔽性能的影响。设备壳体屏蔽性能的好坏通常用屏蔽效能(SE)描述，屏蔽效能表示为屏蔽前某点电场强度与屏蔽后该点电场强度之比，常以dB为单位，其算式为[16]

(1)

式中：E0为屏蔽前的电场强度；E1为屏蔽后的电场强度。

电磁场的数值计算方法有多种，可分为频域法和时域法，这些方法本质上都是用来求解麦克斯韦方程组的。频域法有矩量法(Method of Moments，MoM)、有限元法(Finite Element Method，FEM)等，时域法有时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)、传输线矩阵法(Transmission-Line Matrix，TLM)[17-18]等。目前常用的电磁仿真软件大多是基于以上计算方法求解的，如CST,EMA3D主要是基于时域有限差分法，HFSS是基于有限元法，Agilent ADS是基于矩量法，Flo/EMC是基于传输线矩阵法[15,19-20]。这些软件各有各的特点和适用范围，在仿真时根据实际需要进行选择。CST是三维全波高频电磁仿真软件，具有计算速度快、建模方便、后处理功能强大和计算精度高等优点，满足本文试验要求。

2 机载电子设备模型建立

为了研究机载电子设备电磁屏蔽性能，本文基于CST电磁仿真软件按照1∶1的比例对其建立了三维仿真模型，模型结构与设备相同，如图1所示。该模型材料设置为理想金属(PEC)，尺寸为36.5 cm×19 cm×18.8 cm，厚度为0.2 cm，壳体具有一些通讯接口及散热孔，这些孔洞、缝隙破坏了壳体的屏蔽完整性，电磁干扰信号可经过孔缝耦合进入内部，对设备的正常工作产生影响。

图1 机载电子设备仿真模型

设备各个面板视图如图2所示，前面板有麦克风插口、喇叭开孔，后面板有同轴线接口和多阵脚测试串口，左侧、顶部和底部面板分布有散热孔。

图2 设备各个面板视图Fig.2 Views of different panel of the equipment

为了分析设备的电场特性和屏蔽效能，在其内部中心线上设置3个电场探针，以前面板中心为原点(0,0,0)，P1,P2和P3探针的坐标依次为(8.5,0,0),(18.2,0,0)和(28.5,0,0)，P2位于设备中心，P1和P3分别靠近前、后面板，以便观察测试结果沿中心线的变化情况，如图3所示。上述坐标的单位均为cm。

图3 设备内部电场探针Fig.3 Electric field probe inside the equipment

3 基于仿真模型体的测试分析

设备壳体往往可以看作谐振腔体，腔体内部在谐振频率附近会产生场强增强效应，谐振频率算式为[17]

(2)

式中：μ，ε分别为腔体内填充介质的磁导率和介电常数；a，b，l分别为腔体的长、宽、高；谐振波的模m，n，p均为整数且至少两个不同时为零。对于l>a>b的情况，TE101模是谐振腔的最低谐振频率。当激励信号的频率等于谐振腔的谐振频率时，腔体处于谐振状态，储能最大。腔体填充介质为空气，结合模型尺寸参数，计算得到该腔体TE101模的谐振频率为890 MHz。该电子设备的工作频段为115～145 MHz，同时，为了清楚地表征谐振频率890 MHz附近的屏蔽特性，仿真试验中频率扫描范围选取为0～1 GHz。

仿真选取CST中默认的高斯信号作为平面波激励源，场强大小为1 V/m，模拟HIRF的作用，这是因为高斯脉冲包含了丰富的频谱，是主要的脉冲干扰信号之一[21]。在CST中设置高斯信号的频率范围为0～1 GHz，产生激励信号的时域波形和频谱如图4所示，此时，99%的能量包含在以上频段的信号频谱之内。文献[14-15]研究表明，平面波垂直入射时，屏蔽效能最差，本文在测试过程中选取最坏的情况即入射方向垂直于设备面板。

图4 激励信号时域波形和频谱Fig.4 Time domain waveform and spectrum of excitation signal

3.1 设备内部探针电场强度测试

实际情况下，HIRF的入射方向不是固定的，在进行设备模型内部探针的电场强度测试时，假设平面波从前面板垂直入射，结果如图5所示。

图5 电场探针上的时域波形和频谱Fig.5 Time domain waveform and spectrum on electric field probe

时域波形显示，3个探针整体的电场强度峰值小于激励源，设备壳体起到了一定的屏蔽作用，激励信号的能量得到了衰减。具体来看，在初始阶段3个探针到达第一个顶点的时间分别为2.00 ns，2.25 ns和2.50 ns。已知电磁波在空气中的传播速度为3×108m/s,相邻探针之间的间距分别为9.7 cm和10.3 cm，理论计算得到电磁波到达相邻探针的时间差分别为0.32 ns和0.34 ns，与前面测试得到的时间差比较接近。随着时间增加，P1探针处的场强在2.75 ns时达到峰值，P2和P3探针上的场强滞后于P1探针，于4.50 ns时达到峰值，这是由于腔体内部的感应电场不断反射叠加，已经不能满足电磁波在均匀介质中传播的规律。当激励信号幅度降低以后，各个探针上的场强随之振荡下降，场强波形持续时间变长。

由于屏蔽腔体谐振效应的存在，在谐振频率附近内部的电场强度会大于外部电场强度。由电场的频谱图5(b)可以看到3个探针分别在876 MHz，893 MHz和885 MHz处达到场强最大值，与前面理论计算结果相符。在600 MHz以下的低频段，3个探针上的场强在0.5 V/m以下，在600～1000 MHz频段内由于谐振模式被激励，场强迅速增大，最大值出现在中心探针P2上，可达到3 V/m。总体来看，3个探针上的场强变化趋势基本一致。

3.2 屏蔽效能测试

通过分析设备壳体的屏蔽效能，能为机载电子设备电磁防护提供参考。由于设备的各个面板具有不同形状的开孔与缝隙，仿真试验时选取不同的辐照方向垂直入射，以观察电磁干扰从壳体不同面板入射时3个探针上的屏蔽效能特性，测试结果如图6所示。

图6(a)和图6(b)分别为从前、后面板垂直入射时屏蔽效能的计算结果。由图2可知前、后面板的孔缝不一样，两种测试条件下的屏蔽效能存在一致性也有区别。在600 MHz以下的低频段屏蔽效果较好，这是因为在低频段时，电磁波波长较长，难以耦合进入孔缝。在600 MHz以上的频带多个频率点处发生谐振，一方面是由腔体自身的谐振引起的，另一方面由于孔缝的存在，还会产生一些孔缝谐振点[15]。从前面板垂直入射时，3个探针处的屏蔽效能趋势基本一致，靠近孔缝位置屏蔽效能相比更差，在760 MHz附近P2和P3探针的屏蔽效能比P1低15 dB；从后面板垂直入射时，谐振频率点和3个探针的位置相关，靠近后面板的P3探针处的谐振频率降低，并在扫描频率范围内有多个谐振点，在谐振点处电磁波较强地耦合进入腔体，结果导致屏蔽效能下降。

左侧面板和右侧面板形状一样，右侧面板无通风孔阵，从这两个面垂直入射的屏蔽效能计算结果分别如图6(c)和图6(d)所示。从两幅图中看出，P1探针处的屏蔽效能对比差别不大，从右侧面板入射时，P2和P3探针处的屏蔽效能更低。虽然右侧面板没有孔缝，但由于是模拟远场辐照壳体内部电磁波经过多次反射，因此屏蔽效能曲线依然存在谐振点，分布在800 MHz以上的频带。

顶部通风孔阵为长条形，底部通风孔阵为近似方形区域，二者结构不一样，从这两个面垂直入射时，图6(e)和图6(f)的屏蔽效能曲线看来相差不大。整体上P1探针上的屏蔽效能最优，均在15 dB以上。在600 MHz以上还是靠近后面板的P3探针效能相对较差，P2次之。

图6 不同入射面的屏蔽效能

由总体结果来看，从不同面板垂直入射时，3个探针上的屏蔽效能曲线趋势基本一致，在600 MHz以下的低频段屏蔽效能基本都在20 dB以上，中心探针P2屏蔽效能最好。600 MHz以上屏蔽效能虽然由于谐振效应的缘故而变差，最低在P3探针处甚至降为-50 dB，但已经避开了该电子设备的工作频段，不会对设备工作产生明显的负面影响。从相对两个面板垂直入射时屏蔽效能的结果比较相近，这是由于远场辐照减小了入射面不同对中心线探针上屏蔽效能的影响，而各个面板的开孔情况不一样引起在幅度大小上有差异。由于后面板有同轴线接口和多阵脚测试串口，此时电磁波耦合路径除了孔缝还有线缆[18-19]，电磁场环境复杂，因此从后面板入射时探针处的谐振频率变化较大，并且靠近该面板处的P3探针上屏蔽效果总体较差。

由以上研究可知，改善机载设备屏蔽效能的主要途径有：1) 在设计屏蔽体时，其谐振频率与设备的工作频段应有适当的间隔并留有余量；2) 在600 MHz以下的低频段，靠近中心位置屏蔽效能相对较好，在600 MHz以上的高频段，敏感性部件除了要远离孔缝、线缆接口的位置，还要注意避免放置在设备中心。

3.3 设备表面电场分布测试

电磁波入射到导体表面上，理想情况下会被完全反射回去，而实际情况下介质为非理想导体，一部分电磁波会进行反射，一部分会通过设备壳体的接口、通风孔等途径耦合进入设备内部，还有一部分会入射到导体表面。上节分析了设备内部的电场情况，本节分析HIRF环境对设备壳体的耦合影响。

由趋肤效应的原理可知，电磁波对设备壳体进行透射，穿透深度[17]算式为

(3)

式中：f为入射电磁波的频率；μ和σ分别为设备壳体材料的磁导率和电导率。以铜为例，电导率σ=5.8×107S/m，磁导率取真空磁导率μ=4π×10-7H/m。当电磁波频率为100 MHz和1 GHz时，趋肤深度分别为6.6 μm和2.1 μm，远远小于壳体的厚度，因此电磁波会在设备壳体的薄层进行传播。

设备表面电场的试验条件：假设平面波入射方向垂直于前面板，其他条件和前面的试验一致。图7显示了设备表面在不同频率点处的电场强度分布结果。其规律是，相邻面板连接处和孔缝附近电场强度明显高于其他区域。在100 MHz和300 MHz时后面板边缘明显高于其他区域，这与后面板的线缆接口有关。在500 MHz及以上的频率点，设备表面电场强度以设备相邻面板接缝处和孔缝边缘为中心向周围扩展增高。接缝处场强高是由于尖端放电原理，导体表面曲率大的地方，聚集的感应电荷比较多，因此电场增强。孔缝为HIRF进入该设备内部的主要耦合途径，在高频段时耦合场增强，孔缝附近电场强度相对较高。

图7 设备表面不同频率下电场强度分布Fig.7 Electric field intensity distribution on equipment surface under different frequencies

通过对设备表面电场分布的观察与分析，一方面需要注意在孔缝处要防止更多的干扰信号进入设备内部，另一方面需要注意后面板处电磁能量聚集较多，特别在低频段与设备工作频率重合的范围内要采取电磁防护措施以减少对设备正常工作的影响。

4 结束语

本文以某机载电子设备为例建立了仿真测试模型，借助CST软件完成了HIRF条件下设备屏蔽性能的一系列试验。根据测试结果可以得出如下结论：1) 机载电子设备的屏蔽性能与屏蔽体的尺寸、孔缝结构，HIRF干扰信号的入射方向及频率高低等因素相关；2) 在进行HIRF防护设计时，主要需要考虑屏蔽体自身的结构设计以及设备内敏感元器件的摆放位置，屏蔽体的谐振频率应与设备的工作频段错开；3) 敏感性部件应尽量安装在远离设备壳体孔缝、设置有线缆接口以及中心这些屏蔽效能低的区域。由于本文试验是利用仿真软件进行的，所建立的设备模型、试验环境与实际情况存在偏差，因此后续准备结合实验室试验，开展HIRF环境下机载电子设备的屏蔽性能研究。