艙室內(nèi)HIRF場強(qiáng)快速仿真與校驗(yàn)測量研究

高偉， 梁子長， 高鵬程

（電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

艙室內(nèi)HIRF場強(qiáng)快速仿真與校驗(yàn)測量研究

高偉， 梁子長， 高鵬程

（電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

研究實(shí)現(xiàn)了基于子域連接的迭代加速方法，用于艙室內(nèi)場強(qiáng)分布仿真計(jì)算。針對某縮比艙室模型，開展了不同頻率下的場強(qiáng)校驗(yàn)測量。測量結(jié)果與本文方法仿真結(jié)果間差異小于3.1 dB，驗(yàn)證了本方法的正確性，說明這是一種預(yù)估電大尺寸艙室高強(qiáng)度輻射場（HIRF）場強(qiáng)的有效途徑。

HIRF；仿真；測量

0 引言

現(xiàn)代電磁環(huán)境十分復(fù)雜，既有自然電磁干擾源，如雷電、靜電等，又有強(qiáng)烈的人為干擾源，如雷達(dá)、無線電通信、導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)以及與之對抗的電子戰(zhàn)設(shè)備、新概念電磁武器等，其中高強(qiáng)度輻射場（HIRF）效應(yīng)是其中主要的人為干擾之一。而航空航天器的電子設(shè)備具有高度集成性、精確性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，且難以避免在上述復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作。HIRF效應(yīng)研究對民航客機(jī)、火箭及衛(wèi)星等航空航天器的研制具有十分重要的意義。

但航空航天器的HIRF效應(yīng)建模仿真問題十分復(fù)雜，既要考慮航空航天器殼體外部的電磁波反射、繞射等作用，還需考慮其艙室內(nèi)部的電磁波傳播、多次反射等過程。同時(shí)，由于要求的HIRF效應(yīng)分析頻率高達(dá)40 GHz，其仿真計(jì)算規(guī)模通常較大，如對民航客機(jī)機(jī)艙的高頻段HIRF效應(yīng)分析問題，其電尺寸可達(dá)幾千波長，電大尺寸艙室內(nèi)HIRF效應(yīng)場強(qiáng)分布問題是目前的研究熱點(diǎn)。

捷克Brno工程大學(xué)采用時(shí)域有限差分法（FDTD）、時(shí)域有限積分（FIT）法等時(shí)域算法開展了1 GHz頻率下復(fù)雜材料飛機(jī)目標(biāo)的HIRF場分布仿真[1]。意大利研究人員也利用改進(jìn)的矩量法（MoM）開展了飛機(jī)艙室的10 k Hz～1 GHz低頻段范圍內(nèi)HIRF仿真分析[2]。

美國亞利桑那州立大學(xué)開展了低頻段下縮比機(jī)身模型內(nèi)攪拌器的性能仿真分析[3]。意大利羅馬電子與電力工程大學(xué)等，也開展了混響室內(nèi)攪拌器的性能測量與仿真對比分析[4]。

歐洲各國聯(lián)合開展的航空航天器HIRF-SE項(xiàng)目中，采用MoM，多層區(qū)域差分（Multilevel Domain Differentiated，MDD）等全波算法開展了低頻段的HIRF仿真分析研究[5]。而對高于3 GHz的高頻段HIRF效應(yīng)問題，則將其分解為艙室外部問題及艙室內(nèi)部問題，并分別采用漸近方法及能量平衡（Power Balance，PWB）等方法進(jìn)行求解[6]。

本文以電磁流迭代方法為基礎(chǔ)，研究了基于子域連接的迭代加速方法，實(shí)現(xiàn)了電大尺寸艙室的HIRF效應(yīng)場分布的快速預(yù)估。為驗(yàn)證本文方法的有效性，還制作了縮比艙室模型，開展了仿真方法的校驗(yàn)測量，對比了不同頻率下仿真與測量的場強(qiáng)均值。

1 基于子域連接的迭代方法

在電磁流迭代方法基礎(chǔ)上[7]，根據(jù)艙室形狀及窗口位置等幾何結(jié)構(gòu)特征，將艙室劃分為若干子區(qū)域，并在相鄰子區(qū)域間設(shè)置虛擬連接口面，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)迭代加速，艙室子域劃分需考慮虛擬連接口面面積與艙室壁面積比值，一般要求該比值小于0.5。

圖1 艙室子域劃分示意圖

當(dāng)艙室分為多個(gè)連續(xù)子區(qū)域艙段時(shí)，整個(gè)艙室的單次迭代計(jì)算包含正反向兩個(gè)迭代過程。正向迭代過程為根據(jù)式（1）～（3），按各子區(qū)域連接順序依次計(jì)算各子區(qū)域內(nèi)電磁波的傳播與反射。反向迭代過程為按反順序依次，計(jì)算各子區(qū)域內(nèi)電磁波的傳播與反射。

2 艙室內(nèi)場強(qiáng)仿真

采用上述仿真方法，對如圖2所示的艙室模型進(jìn)行HIRF效應(yīng)場強(qiáng)仿真，該艙室模型尺寸為2 m×1 m×1 m，觀測天線處于正側(cè)面，距離艙室6.33 m。為提高仿真精度，可通過電磁仿真計(jì)算獲取觀測天線的方向圖和增益。

圖3給出了3 GHz與9 GHz下仿真計(jì)算的艙室內(nèi)某觀測面（取距離艙室底面高度為0.7 m的平面）的場強(qiáng)分布結(jié)果。由圖3可知，隨著頻率的增加，艙室內(nèi)不同反射波間干涉波紋尺度變小，且最大場強(qiáng)值增加。

圖2 艙室模型HIRF效應(yīng)場強(qiáng)仿真場景

圖3 艙室內(nèi)場強(qiáng)仿真結(jié)果

3 測量校驗(yàn)研究

為驗(yàn)證上述仿真方法，本文制作了縮比艙室模型，其尺寸及窗口位置等與圖1仿真模型一致，如圖4所示。艙室內(nèi)場強(qiáng)校驗(yàn)測量系統(tǒng)主要由高強(qiáng)輻射場模擬信號源、高頻場強(qiáng)輻射發(fā)射天線、探頭、輻射場強(qiáng)校準(zhǔn)設(shè)備和場強(qiáng)測量設(shè)備等組成。

根據(jù)測試系統(tǒng)組件的參數(shù)與性能，接收天線功率與該點(diǎn)處的場強(qiáng)值之間的關(guān)系為

圖4 校驗(yàn)用艙室模型

式中：E表示接收場強(qiáng)，單位為dB·V/m；V表示接收電壓，單位為dB；AF表示接收天線因子；D表示電纜衰減，單位為dB。

根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射功率、天線增益等參數(shù)，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了絕對定標(biāo)，表1給出了不同頻率下艙室內(nèi)HIRF場強(qiáng)仿真與測量結(jié)果比較，兩者間最大差異約為3 d B。

表1 不同頻率下艙室內(nèi)場強(qiáng)均值的測試與仿真結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文基于電磁流迭代方法，提出了基于子域連接的加速方法，實(shí)現(xiàn)了電大尺寸艙室的HIRF效應(yīng)場分布的快速預(yù)估。制作了縮比艙室模型，開展了仿真方法的校驗(yàn)測量，對比了3 GHz～9 GHz范圍內(nèi)仿真與測量場強(qiáng)結(jié)果，兩者間差異小于3.1 dB。本文方法可為電大尺寸艙室HIRF效應(yīng)場強(qiáng)的快速預(yù)估提供有效途徑。

[1] Zdenek Reznicek，Zbynek Raida，Jana Jilkova. Analyzing Small Aircraft Model with Homogeneous Composite Material Substitutes on HIRF[C].2009 International Symposium on Electromagnetic Compatibility-EMC Europe，2009.

[2] M.Bandinelli，R.Guidi，M.Bercigli，etc.Advanced MoM Techniques Integrated into a Single Code to Manage Complex HIRF Environments[C].International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：1117-1120.

[3] T.Panaretos，C.A.Balanis，C.R.Birtcher. HIRF Penetration into Simplified Fuselage Using a Reverberation Chamber Approach[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2005，47（3）.

[4] D.A.Lampasi，M.S.Sarto.Shielding Effectiveness of a Thick Multilayered Panel in a Reverberating Environment[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2011，53（3）.

[5] M.A.Francavilla，F(xiàn).Vipiana，S.Arianos，etc. Multilevel Domain Differentiated Analysis of Large Multi-Scale Structures inside the HIRF-SE Framework[C].International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：944-946.

[6] I.Junqua，J-P.Parmantier，M.Ridel.Modeling of High Frequency Coupling inside Oversized Structures by Asymptotic and PWB Methods[C]. International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2011：68-71.

[7] 梁子長，王曉冰，岳慧.超低空目標(biāo)與粗糙面復(fù)合散射的迭代計(jì)算[J].制導(dǎo)與引信，2009，30（2）：30-33.

Fast Simulation of HIRF Effects in Aircraft Cabin and Measurement Research

GAO Wei， LIANG Zi-chang， GAO Peng-cheng
（Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory，Shanghai 200438，China）

The objective is to develop iterative algorithm based on subdomains connect to rapidly obtain the distribution of field intensity in aircraft cabin.The developed approach is validated by comparison with measurements performed at various frequencies on a given cabin model.The difference between the measurement and simulation result is smaller than 3.1 dB.It is demonstrated that the proposed method can be utilized to accurately predict the high intensity radiated fields（HIRF）effects in electrically large aircraft cabin.

high radiation field（HIRF）；simulation；measurement

TN958

A

1671-0576（2014）03-0038-04

2014-06-16

高 偉（1986-），男，碩士，工程師，主要從事電磁環(huán)境效應(yīng)以及目標(biāo)與環(huán)境電磁散射特性研究。