基于場仿真的方艙電磁屏蔽設(shè)計

王屹煒 張海濤 于東旭 張洪偉

（江蘇省南京市中電萊斯信息系統(tǒng)有限公司 江蘇省南京市 210007）

隨著戰(zhàn)場上電子對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，對作戰(zhàn)設(shè)備的抗電磁干擾能力提出了越來越嚴格的要求。提高作戰(zhàn)設(shè)備的抗電磁干擾能力，就是最大程度上減少干擾源對敏感設(shè)備的電磁耦合，這里的干擾源包括方艙外部的電磁輻射以及方艙內(nèi)部電子設(shè)備的電磁能量泄露。抑制電磁干擾的主要方式是接地和電磁屏蔽[1]。其中電磁屏蔽的方法能夠有效解決大部分的空間電磁干擾問題。方艙以其良好的機動能力、快速的作戰(zhàn)反應(yīng)能力已經(jīng)成為現(xiàn)代武器裝備的重要組成部分。電磁仿真分析軟件可以計算屏蔽體內(nèi)廠的分布和屏蔽效能，為前期屏蔽方案的制定和后期電磁屏蔽檢測提供指導依據(jù)。[2]

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽技術(shù)就是利用金屬屏蔽材料將干擾源和敏感設(shè)備之間的輻射耦合途徑隔離開，當電磁場對金屬屏蔽體進行透射的時候，一部分電磁波被反射回去，一部分電磁波被吸收，剩下的才透射進屏蔽體內(nèi)部。電磁波的反射，本質(zhì)是媒質(zhì)分界面上的平面波反射現(xiàn)象，反射的大小與分界面處空氣的波阻有關(guān)[3]。輻射源的特性、輻射源的波長以及輻射源與空間某點d0的距離共同決定了該點的波阻大小。如果金屬屏蔽材料是理想導體，則入射的磁場將完全被抵消。實際情況中，導體總是有電阻，部分電能被金屬吸收轉(zhuǎn)化成了熱能，磁場因此被衰減。良導體材料可以對高頻磁場起到很好衰減作用。電磁波場強振幅衰減到表面場強1/e 的深度稱為趨膚深度，用δ 來表示。其中f 是電磁波的頻率，μ 是金屬屏蔽體的磁導率，σ是金屬屏蔽體的電導率。

設(shè)電磁波在金屬屏蔽板中的傳播距離為t，則電磁場在板中的場強分布與傳播距離的關(guān)系為。[3]在高頻磁場中，金屬屏蔽板通過吸收與反射兩種方式對場強進行衰減，可得到屏蔽效果Ar如下式所示。[4]可見理想情況下的屏蔽效果與金屬的電導率及磁導率有關(guān)，且在低頻時金屬屏蔽體的材料特性是影響方艙屏蔽效果的主要因素；而在高頻區(qū)，方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響屏蔽效果的主要因素。

2 電磁仿真分析

圖1：HFSS 仿真模型

圖2：不同開窗孔徑對屏蔽效能的影響

圖3：不同的開窗形式

圖4：不同長度的縫隙

目前方艙一般采用“內(nèi)外連續(xù)”的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，而大阪的雙層結(jié)構(gòu)在方艙艙門、采光窗、轉(zhuǎn)接壁盒等地方均需開孔處理，這些局部的電不連續(xù)面會影響方艙的電磁屏蔽效能。在方艙設(shè)計階段利用電磁場仿真軟件對結(jié)構(gòu)進行前仿真，并通過仿真結(jié)果去調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠極大的提高方艙電磁兼容設(shè)計的效率。按照國軍標要求，方艙內(nèi)外空間電磁波的信號強度應(yīng)該相差40dB 以上，為了滿足上述要求，在方艙的窗戶、活動門、活動窗、通風窗等部位的縫隙處必須增加屏蔽金屬條。但是方艙作為任務(wù)平臺，承載的載荷是多樣的，其中通訊設(shè)備系統(tǒng)不可避免具有艙內(nèi)艙外兩部分，艙外設(shè)備起到接收發(fā)射作用，艙內(nèi)設(shè)備起到信號處理作用，艙內(nèi)與艙外之間一般通過信號線進行連接。以外艙內(nèi)外之間通過在艙壁開窗的方式進行連接，這種方式好處在于簡單便于維護且不容易出錯，缺點在于開窗面積一定大于線纜總橫截面積，存在電磁泄露的風險。目前主流的是使用轉(zhuǎn)接孔口方式實現(xiàn)方艙內(nèi)外電源、信號的互聯(lián)互通。轉(zhuǎn)接孔口是在艙壁上預埋兩頭都是連接器的連接器底座，艙內(nèi)和艙外均通過專用連接器連接到底座上。通過轉(zhuǎn)接孔口的形式能夠提高方艙整體的屏蔽性能，減少艙內(nèi)電子設(shè)備對外的空間信號輻射，減弱外部空間電磁波對艙內(nèi)設(shè)備工作的影響。連接器的屏蔽效果都是經(jīng)過專業(yè)測試的，可以認為不存在電磁泄露的可能。因此轉(zhuǎn)接孔口本身的形式很大程度上決定了方艙整體的電磁屏蔽性能。同時需要注意的是，艙外的空間輻射源信號一般為高頻信號，此時艙體材料對屏蔽性能的影響較弱，孔縫本身的尺寸及形式主導了艙體的屏蔽能力。

為了定量的描述電磁屏蔽的效果，引入電場屏蔽效能SEe 和磁場屏蔽效能SEm，其定義如式所示[5]。其中的Eo 和Es 分別代表空間某點屏蔽前后的電場強度；Ho 和Hs 分別代表空間某點屏蔽前后的磁場強度。[6]

轉(zhuǎn)接孔口接合處的縫隙直徑Dr以及間距Dn均會影響波阻，工程中常利用式進行螺釘間距的估計。[7]對寬帶內(nèi)信號的屏蔽效果的分析，需要利用電磁仿真軟件進行場仿真，從而在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，發(fā)現(xiàn)并解決電磁兼容問題[8]。

本文建立的模型如圖1所示，為了簡化計算復雜度同時控制變量，模型為長寬高均為200mm 的機箱，壁厚10mm，在機箱頂部設(shè)置了一個直徑Dr的縫隙，厚度同樣為10mm。機箱的材質(zhì)選為鋼。仿真頻段選用GJB6785-2009 中包含的0.1GHz 至1.2GHz 之間。將Dr分別設(shè)為20mm、40mm、60mm，邊界條件設(shè)為輻射條件，輻射邊界尺寸為四分之一波長。激勵選用平面電磁波，幅值為1V/m，入射方向沿Z 的負半軸方向，電場極化方向與Y 軸垂直。

仿真所得到的屏蔽效能如圖2所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，開孔的直徑對方艙屏蔽性能有直接影響，隨著開孔直徑的增大，箱體的電場屏蔽效能SE 逐漸下降，而箱體本身的諧振點不受孔徑的變化影響。

轉(zhuǎn)接孔口接合縫隙可以有圓形、矩形、方形多種形式，如圖3所示，在HFSS 軟件中將開孔面積均設(shè)為706mm2。

平面波垂直極化情況下，在縫隙面積相同時，矩形孔的屏蔽效果優(yōu)于方形孔大于圓形孔。在0.6GHz 頻點處矩形孔的屏蔽性能比圓形孔高13dB 左右；平面波水平極化時，相同縫隙尺寸條件下，方形的屏蔽效果最好，矩形的效果最差，在0.6GHz 頻點處方形孔的屏蔽性能比矩形孔高10dB 左右；由此可以看出，在輻射源極化方向確定的情況下，縫隙的平面最大線性尺寸不能與極化方向垂直。實際情況下空間中的電磁波極化方向不會唯一，因此理想情況下應(yīng)保證轉(zhuǎn)接壁盒的平面線性尺寸在各方向均較小，從而提高整體的屏蔽效能。

方艙在轉(zhuǎn)接壁盒處不可避免會用到矩形的形式，以往矩形的長度受線徑尺寸及接插件布局的影響，往往忽略了屏蔽性能的分析?，F(xiàn)在HFSS 軟件中建立模型如圖4所示。通過改變縫隙的長度來研究縫隙長度對屏蔽效能的影響。設(shè)置的縫隙長度從20mm 至80mm，間隔10mm。通過前仿真可以發(fā)現(xiàn)，縫隙越長屏蔽性能越差。當電磁波在空間傳播中遇到帶有縫隙的金屬屏蔽體時，將在金屬體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。

在感應(yīng)電流周圍又會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，該電磁場的方向與空間電磁波的方向相反，理想情況下，在單位面積內(nèi)的磁通量由于感應(yīng)電磁場的存在反而減少了。但是縫隙的存在破壞了這種理想情況，金屬的導電結(jié)構(gòu)與完整的金屬體不同，導致起到反向抑制作用的感應(yīng)電磁場作用減弱，透射過縫隙的電磁波在金屬層的另一面形成電壓差，電壓差的存在導致磁場能量的泄露。

3 結(jié)論

電磁場仿真能夠在設(shè)計階段提高方艙的電磁屏蔽效能。本文從電磁屏蔽的理論出發(fā)，利用HFSS 軟件通過有限元法對轉(zhuǎn)接壁盒處不同縫隙形狀、大小、縫隙長度等參數(shù)進行場仿真，通過屏蔽效能定量分析其屏蔽效果。通過對開窗尺寸的仿真可以發(fā)現(xiàn)，船艙壁盒上的開窗尺寸越大，電磁泄漏就愈大，因此因盡量用多個小面積開窗形式代替單個大面積開窗結(jié)構(gòu)；通過對開窗形狀的仿真可以發(fā)現(xiàn)，為了保證開窗在垂直于電場極化方向上有較小線性尺寸，應(yīng)當盡量開圓孔及方孔，少開矩形孔；通過對縫隙長度的仿真可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當用多個連續(xù)短縫隙替代整段長縫隙。為了提高方艙整體的屏蔽效能，必須在方艙設(shè)計之初結(jié)合有效的電磁場仿真手段，才能適應(yīng)日益復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，保證艙內(nèi)電子設(shè)備的高效運行。