機載短波電磁環(huán)境仿真分析

葛文慧，范 翠

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

短波通信作為空-空、空-地通信的主要手段之一，具有通信距離遠、運行成本低且不受網(wǎng)絡中繼制約的特點。目前國內(nèi)直升機上基本都加裝了短波電臺，但短波電臺的發(fā)射功率比較大，短波發(fā)射天線所產(chǎn)生的近場場強可達到幾百伏/米，短波電臺安裝到直升機后，出現(xiàn)了不同程度的電磁干擾問題。

本文針對某型直升機的電磁干擾問題，即發(fā)動機參數(shù)顯示器上發(fā)動機T4溫度、TRQ扭矩、FR燃油壓力數(shù)據(jù)跳變，故障燈盒上旋翼轉速燈亮及耳機內(nèi)誤告警，油量表示數(shù)跳變等，采用電磁仿真軟件對機載短波天線在設備艙和線纜通道的近場電磁環(huán)境進行了計算仿真，結合仿真結果，分析了干擾原因并提出了解決措施，通過試驗，驗證了該措施的有效性。

1 基于矩量法的短波天線近場求解

矩量法是電磁數(shù)值計算中常用的方法之一[2-4]，為了使所研究的問題更具有普遍性，我們考慮下列算子方程：

L(f)=g

(1-1)

式中，L是線性算子，g是已知的源函數(shù)，f是未知函數(shù)。f和g是定義在不同的函數(shù)空間F和G上的，算子L將F空間內(nèi)的函數(shù)映射到G空間上。為獲得式(1-1)的數(shù)值解，將f在L的定義域內(nèi)展開成f1、f2，…，fn的線性組合，即：

(1-2)

式(1-2)中，an是待求解的標量系數(shù)，fn為展開函數(shù)或基函數(shù)。如果N→∞且{fn}是完備集，則式(1-2)是精確的。由于計算機容量的有限性，N必須是有限的。此時，式(1-2)的右邊項是待求函數(shù)的近似解，N越大越近似。將式(1-2)代入式(1-1)，可以得到：

(1-3)

上述方程定義在空間G內(nèi)。為了求解式(1-3)以確定未知系數(shù)an，將式(1-3)在N個矢量w1,w2,w3,…,wn上進行投影，則式(1-3)將轉化為矩陣方程。如果N→∞且{wn}是完備集，則此矩陣與式(1-3)完全等價；如果N為有限，則此矩陣是式(1-3)在G的子空間上的投影。

上述步驟即為矩量法的基本出發(fā)點。

在矩量法中，矢量f在w上的投影定義為f與w的內(nèi)積：

(1-4)

則式(1-3)的近似形式可以寫成：

(1-5)

式(1-5)可以簡潔地寫為矩陣方程：

ZI=V

(1-6)

再對Z求逆運算，可得:

I=(Z-1)V

式中：Z為阻抗矩陣，V為電壓矩陣，I為所求的電流，從而得到電流分布，進而求出場強值。

對線天線電流分布問題建立幾分方程，進行求解。在外場Ei的照射下，導體S上感應出的電荷密度為σ，電流密度Js,而感生電荷和電流又會產(chǎn)生散射場，如下所示：

(1-7)

(1-8)

(1-9)

2 短波天線自由空間的近場分布

2.1 短波天線建模

短波天線形式為線天線[5-6]，長度5740mm，工作頻段為2～30MHz。根據(jù)近場劃分條件公式r=2L2/λ[1],L為短波天線長度，可得天線分布半徑r=0.439m～6.589m。

短波天線及短波天線自由空間近場區(qū)域(2000*800*2000mm3)模型見圖1。

圖1 短波天線模型及自由空間近場區(qū)域

2.2 短波天線自由空間近場電磁環(huán)境

短波天線自由空間，在水平面(xoy面)不同頻率的電磁環(huán)境分布情況如圖2所示。

2.3 結果分析

由計算結果可看出，短波線天線饋源端附近近場電場值較大，達到幾百伏/米的數(shù)量級，且隨頻率升高逐漸減小。在機載短波電臺天調(diào)處，若天線饋線未做好屏蔽措施，機體內(nèi)部的天線饋線會以短波天線形式輻射能量，其在機體內(nèi)部的輻射近場電場值將會較大，足以造成附近設備敏感。

圖2 短波天線自由空間近場電磁環(huán)境

3 機載短波天線近場分布

3.1 計算模型及網(wǎng)格剖分

以某型直升機為仿真模型。機載短波天線電磁仿真注重外形尺寸與波長相同量級尺寸的結構區(qū)域，這些區(qū)域會對電磁波傳導產(chǎn)生諧振效應、腔體效應和互調(diào)效應等影響。一些金屬結構物會因為感應而產(chǎn)生二次輻射，風擋玻璃為非金屬材料，考慮二次輻射，不可以作為金屬部件進行仿真，模型中刪除風擋玻璃。

建立好模型之后，進行網(wǎng)格劃分，將其分割為有限個單元。網(wǎng)格劃分得越密越好，但實際操作起來，通常將剖分密度控制在每波長8～10個網(wǎng)格。在2MHz～30MHz短波頻段范圍內(nèi)用邊長不超過1/10波長的近似等邊三角形來模擬目標在不同頻率下的真實導電表面，通過計算每個面元上的表面電流分布，求得近區(qū)電參數(shù)。電磁仿真幾何模型見圖3。

圖3 電磁仿真幾何模型

3.2 計算區(qū)域劃分

參考機上設備的安裝位置及線纜走向，計算直升機4個不同區(qū)域的近場電磁環(huán)境，其中區(qū)域1、2為設備艙區(qū)域，區(qū)域3、4為線纜通道區(qū)域；近場計算區(qū)域如圖4所示。

3.3 機載短波天線近場電磁環(huán)境

發(fā)射功率為100W，計算頻率為10MHz、20MHz、30MHz時，4個不同區(qū)域的近場電磁環(huán)境，仿真結果見圖5-圖7。

3.4 結果分析

短波天線裝機后由于機體結構遮擋等因素造成設備安裝及線纜通道區(qū)域各處近場電場值隨頻率不同而分布不同。在進行設備布局及線纜布線時可根據(jù)仿真結果結合其他安裝要求選擇電場值相對較小的位置進行布置，盡量減少潛在的電磁干擾問題。

圖4 近場計算區(qū)域示意圖

圖5 頻率為10MHz時，4個區(qū)域的近場分布圖

圖6 頻率為20MHz時，4個區(qū)域的近場分布圖

圖7 頻率為30MHz時，4個區(qū)域的近場分布圖

4 原因分析及解決措施

從第3.3節(jié)的仿真結果看出，區(qū)域1的近場電磁環(huán)境最惡劣，而發(fā)動機參數(shù)采集器的安裝位置在區(qū)域1，且短波電臺天線的饋線是普通屏蔽線，存在以短波天線形式輻射能量的可能，加劇了電磁環(huán)境的惡劣程度。

由于該型號已進入試飛階段，重新進行設備安裝布置不易實現(xiàn)，只能通過電磁屏蔽加固的方式來增強設備的抗干擾能力。采用在線纜外套防波套和設備端增加濾波插頭的方式進行電磁屏蔽加固后，經(jīng)地面電磁兼容試驗驗證，電磁干擾的程度顯著降低。

5 結束語

目前直升機上基本都配備短波電臺，由于短波電臺功率大，短波天線輻射范圍廣，短波電臺對其他電子設備均存在不同程度的電磁干擾。文章通過選取直升機不同的區(qū)域，通過仿真，計算出天線在不同區(qū)域的近場電磁環(huán)境，分析了干擾原因。

根據(jù)本文的分析結果，建議在后續(xù)型號研制過程中，將機載短波天線近場電磁環(huán)境仿真結果作為設備安裝布局的參考依據(jù)，以減少直至消除短波電臺對其他電子設備潛在的干擾，提高整機的電磁兼容性，避免后期出現(xiàn)顛覆性設計問題，縮短型號研制周期。