高强辐射场下不同孔阵的金属腔体屏蔽效能研究

0 引言

随着科学技术的发展、电磁环境的日益复杂以及机载电子系统的高度集成化、模块化[1-2]，机载电子设备高强辐射场(High-Intensity Radiated Field，HIRF)防护受到很大关注。HIRF是由地面、舰船、海上平台以及航空器上的雷达、无线电、卫星上传数据等高功率发射器的辐射产生的，其环境覆盖的频率范围很广，从10 kHz～40 GHz，电磁场强度最高可达到几千伏每米，航空器电子/电气系统极易受到HIRF环境的干扰，严重时甚至会造成永久性损坏，影响飞机的安全飞行[3]。采用屏蔽技术是提高机载电子设备对HIRF防护的主要手段之一。但在实际应用中，由于散热、通风等需求，在金属屏蔽腔体上不可避免地存在一些孔缝，导致金属屏蔽腔体的屏蔽效能降低[4]。因此，为了增强机载电子设备HIRF防护能力，提高金属屏蔽腔体屏蔽效能是技术途径之一。

目前国内对带孔金属屏蔽腔体屏蔽效能的研究较多。文献[5-6]主要通过改变平面波仰角、极化方向、方位角等开展单一孔缝下屏蔽腔体的屏蔽效能仿真分析；文献[7]主要针对装有PCB板的单一矩形孔缝进行屏蔽效能研究；文献[8]主要以计算机机箱为研究对象，采用传输线法研究不同辐射源和不同结构的屏蔽腔体的屏蔽效能；文献[9]采用扩展的传输线理论计算分析单一孔缝下凸面结构对电场屏蔽效能的影响。这些研究工作是基于Robinson模型对单一孔缝的金属屏蔽腔体开展的，而专门针对机载电子设备以及带孔阵非理想金属屏蔽腔体进行的研究较少。

本文基于Robinson模型提出一种修正模型，通过对比修正模型计算结果和三维电磁仿真软件得到的屏蔽效能结果，验证了本文模型的准确性。此外，本文也采用仿真分析研究了HIRF作用下不同孔阵、频率、位置对屏蔽腔体内部电场分布的影响。

1 机载通信设备

机载通信设备主要用于飞机与地面、飞机与飞机之间的相互通信，容易受到HIRF的干扰[10]，因此选用机载通信设备的屏蔽体作为研究对象，长度a=350 mm，宽度d=190 mm，高度b=180 mm，屏蔽体厚度t=5 mm。

通过分析机载通信设备可知其存有非中心的、不同形状的通风孔阵，该孔阵是HIRF耦合的主要途径[11]。但是由于Robinson模型是针对单一的中心孔缝进行计算研究，因此将Robinson进行扩展，研究复杂孔阵下屏蔽体的屏蔽效能。

2 Robinson模型与扩展

2.1 Robinson模型

根据ROBINSON等[12-13]建立的传输线理论模型(Robinson模型)，得到矩形腔体和其对应的等效电路分别如图1和图2所示。矩形腔体的尺寸为a×b×d，厚度为t，中心孔缝的尺寸为l×w。入射波为垂直入射、垂直极化的平面波，由电压源V0和阻抗Z0=377 Ω等效[14-17]，E为腔体内屏蔽效能观测点，其距离孔缝所在平面的距离为p。箭头E代表电场，箭头H代表磁场。

图1 单一孔缝的屏蔽腔体
Fig.1 The shielding cavity with a single aperture

图2 等效电路模型
Fig.2 The equivalent circuit model

图2中，Zg与Kg分别为屏蔽体的阻抗和传播系数。

根据等效电路法得到理想型的PEC金属材质孔缝的等效阻抗[18-19]

(1)

式中：共面传输线Zos=，有效宽度入射波的传播系数k0=2π/λ。

2.2 修正的Robinson模型

2.2.1 矩形孔阵的屏蔽效能

Robinson模型是针对理想型的PEC金属材质进行分析的，而对于非理想金属屏蔽体的分析需引入屏蔽体的阻抗，表达式为

(2)

式中：μ，σ分别代表磁导率和电导率；f为频率。此时Robinson模型修正后的等效电路如图3所示。

图3 修正后的等效电路模型
Fig.3 The modified equivalent circuit model

对具有非中心孔阵的屏蔽腔体求解电场屏蔽效能，需引入偏心系数Cm[20]，算式为

Cm=

(3)

式中：(X，Y)为孔缝中心点O的坐标；(x0，y0)为孔缝左下角起始坐标，如图4所示。图中，横坐标为屏蔽体的长，纵坐标为屏蔽体的高。

图4 任意位置开单孔几何模型

Fig.4 The geometric model of opening an aperture at any position

得到任意位置处孔缝的等效阻抗为

(4)

各孔缝由于位置引起的差别由偏心系数体现，因此孔缝阵列的阻抗为

Zapn=∑Zap。

(5)

由Z0，Zapn，V0形成戴维南等效电路以后的等效电压、等效阻抗为

(6)

观测点E的输入电压和阻抗分别为

(7)

(8)

式中：带有多个孔缝屏蔽体的阻抗Zmng=Z0/(1-(mλ/2a)2-(nλ/2b)2)1/2，带有多个孔缝屏蔽体的传播系数Kmng=k0(1-(mλ/2a)2-(nλ/2b)2)1/2。

观测点E处的电压为

VmnE=V2Z3/(Z2+Z3)

(9)

式中，观测点E处的阻抗

将不同模式下E处的电压结果线性迭加，从而求出E处的总电压为

VE，total=∑VmnE。

(10)

无屏蔽壳时，点E处总电压因此电场屏蔽效能为

(11)

2.2.2 圆形孔阵的屏蔽效能

机载通信设备的通风孔阵除了矩形孔阵之外还有圆形孔阵，此时将算式再次修正。圆形孔缝的半径与相同面积方孔缝边长之间的关系为

(12)

式中：r为圆形孔缝的半径；l与w为正方形孔的边长。

将式(12)代入式(3)得到圆形孔缝下的偏心系数为

Cm=

(13)

圆形孔缝的等效阻抗为

(14)

式中：将Zapr代入式(5)替换Zap，得到圆形孔阵下的阻抗，然后通过式(6)～式(11)得到圆形孔阵下屏蔽腔体的屏蔽效能。

3 机载通信设备屏蔽效能分析

3.1 修正模型的验证

利用电磁仿真软件CST，参考机载通信设备结构建立理想仿真模型如图5所示。金属腔体参照实际机载通信设备屏蔽腔体的大小进行设置。在屏蔽腔体的一侧开有矩形孔缝阵列模拟通风口，单个矩形孔的尺寸为25 mm×101.5 mm，孔缝的间距为0.5 mm。

在图5a模型的基础上，保持单个孔的面积不变，将矩形孔修改为圆形孔，如图5b所示，屏蔽体的长宽高分别为350 mm,190 mm和180 mm，单个圆形孔直径为56.84 mm，圆孔的间距为0.5 mm。

图5 理想仿真模型
Fig.5 The ideal simulation model

设置平面波源模拟HIRF的作用，从两个模型的孔阵正前方沿Z方向朝金属腔体进行照射，平面波源为垂直极化方式，频率范围为0～2 GHz。图6为矩形孔阵与圆形孔阵下等效电路计算结果与仿真结果对比图，结果表明低频时计算结果与仿真结果基本吻合，但在高频时两结果之间存在一定的差异。

图6 屏蔽效能验证
Fig.6 Verification of shielding effectiveness

3.2 不同孔阵下电场强度分布

由Robinson模型可知，孔缝的形状、频率和观测位置会影响屏蔽腔体内电场强度分布。针对带有相同面积不同孔缝的屏蔽腔体开展仿真，带有矩形孔和圆形孔的仿真模型分别采用3.1节建立的模型。将矩形孔改为正方形孔，屏蔽体的长宽高分别为350 mm,190 mm和180 mm，单个正方形孔的尺寸为50.37 mm×50.37 mm，模型的其他参数与3.1节相同，如图7所示。

图7 正方形孔阵模型
Fig.7 The cavity with square aperture arrays

仿真的频率范围为10 kHz～12 GHz，屏蔽腔体中心点电场强度如图8所示，正方形孔条件下的电场强度小于矩形孔条件下的电场强度，而圆形孔条件下的电场强度最小。

图8 不同孔阵下屏蔽腔体中心点电场强度

Fig.8 Electric field intensity at the center of the shielding cavity under different aperture arrays

3.3 不同频率下电场强度分布

利用CST仿真分析不同频率下机载设备在Z=0 cm平面上的场强分布。频率分别为3 MHz，30 MHz，3 GHz，6 GHz和12 GHz，仿真结果如图9所示。结果表明：低频时，电场场强随着频率的增大而降低；高频时，随着频率增大，耦合进屏蔽腔体的场强增大，也相对复杂。在6 GHz时，设备内的电场场强达到最大，主要是由于在该频率出现谐振。

3.4 不同测试位置下电场强度分布

通过观察图9的三维仿真图分析电场强度随X轴和Y轴的变化情况，结果表明，中心位置处的电场强度高于其他位置处的电场强度。离屏蔽体较近点的电场强度也相对较高，主要是由于平面波对屏蔽体进行辐照时在其尖端处产生了电流发生放电现象，导致电场强度变大。因此，在腔体内放置敏感器件时要尽量远离中心位置和腔体的边缘处，减少干扰，保证设备的正常工作。

图9 不同频率下，机载通信设备在Z=0 cm平面的场强分布
Fig.9 Electric field intensity distribution in Plane Z=0 cm under different frequencies

4 结论

本文对Robinson模型进行修正，以计算带有非中心孔阵的非理想金属腔体屏蔽效能。利用电磁仿真软件CST的结果对模型进行验证，结果表明在1 GHz以内修正模型准确有效。利用CST仿真软件分析不同形状孔阵在不同频率时内部不同位置对电台收发机内部电场强度的影响，结果表明，在设计屏蔽壳的通风孔以及散热孔阵时选择圆形孔阵可以提高屏蔽体的屏蔽效能、增强HIRF防护能力、提高飞机的可靠性。对于机载电子设备内重要敏感元器件的布局要远离屏蔽体以及中心位置，减小HIRF对元器件的损伤。