基于CST的金屬腔體電磁環境仿真分析

瞿丹，陳瑜，樊友文

?

基于CST的金屬腔體電磁環境仿真分析

瞿丹1，陳瑜2，樊友文1

（1. 武漢第二船舶設計研究院，武漢 430064；2. 海軍駐第二船舶設計研究院軍事代表室，武漢 430064）

本文將CST電磁仿真軟件應用于金屬腔體電磁兼容問題的研究中，利用該軟件構建物理模型，并對金屬腔體內的電磁環境進行仿真計算。仿真結果與理論計算、實測數據吻合較好，為金屬腔體電磁環境的預測和評估提供了有效的依據，可以作為相關工程應用參考。

發射源 電磁環境 CST仿真

0 引言

隨著新型船舶綜合性能和作戰能力的提高，武器裝備的現代化電子、電氣設備數量增加，造成了船舶的電磁環境異常惡劣[1]。船舶內空間有限，電纜眾多，密集分布了各種大功率發射設備，這些發射源可能會通過空間輻射、電網傳導以及電纜耦合的方式對高靈敏度接收設備產生電磁干擾，從而產生設備、系統間的電磁兼容問題[2]。

目前解決金屬腔體電磁兼容問題的方法主要有理論計算、電磁兼容測試、電磁仿真技術等。理論計算是運用電磁場基本理論，采用電磁計算方法的數值算法包括矩量法、時域有限差分法、有限元法、幾何繞射理論等精確求解電磁輻射或散射問題，這種方法適合一些簡單或比較經典的問題，因此具有很大的局限性[3]。電磁兼容測試是以相關標準為依據，檢測各設備、系統之間的電磁兼容性，通過這種方法能夠獲取精確的電磁環境數據，但是成本高，需要投入大量的人力和物力[4]。電磁仿真技術是采用計算機技術和現代電磁學方法實現電磁兼容仿真，是近年來開展船舶電磁兼容問題研究的重要手段和方法[5]。

1 電磁仿真技術

電磁仿真技術興起于上世紀九十年代，在船舶應用領域，以美國海軍海上系統司令部與海軍指揮、控制和海洋監測中心試制部以及洛克威爾國際構思聯合開發研制的船舶電磁設計平臺——“Ship EDF”（Ship Electromagnetic Design Frame）是目前具有代表性的數學仿真系統[6]。繼美國之后，俄羅斯、德國、英國、法國、南非等也開展了這方面的研究工作，并開發了電磁仿真的商業軟件，其中主要有南非EMSS公司的FEKO、EMC專用的EMC Studio，以及德國Computer Simulation Technology公司的CST.

CST軟件擁有時域有限積分法、有限元法、矩量法和多層快速多極子法等多種數值算法，包括微波工作室、電纜工作室、MS工作室等8個工作室，能夠有效的仿真電場、磁場、電纜耦合電流、機柜輻射等電磁環境參數，從而適用于解決電磁兼容問題[7]。

本文首次將CST電磁仿真軟件應用于金屬腔體電磁兼容問題的研究中，在該軟件環境下建立典型金屬腔體的物理模型，并構建射頻發射源、帶孔縫機柜、以及電纜等干擾要素和途徑，采用場路結合的方法對電磁環境進行了仿真計算，仿真結果與理論計算、實測數據基本符合。在實際工程應用中，利用該方法將有助于全面掌握金屬腔體內的電磁兼容環境，及早發現總體電磁兼容設計的薄弱環節，解決傳統設計方法帶來的“過設計”和“欠設計”問題。

2 物理建模

物理模型是電磁兼容仿真分析的基礎，為使計算網格下降，減小計算量，建模過程需要對設備或系統的幾何結構尺寸及特征進行簡化和等效處理，因此本文以一種簡單模型模擬典型的金屬腔體電磁環境，包括金屬腔體、干擾發射源、電纜、機箱等干擾要素和耦合途徑。如圖1所示是在CST微波工作室中進行建模得到的金屬腔體的物理模型。

干擾發射源一般是無意發射源，是電氣、電子設備工作時產生的伴隨電磁輻射干擾。在電磁仿真中需要將這種潛在的輻射干擾特性提取出來，建立準確的輻射模型。許多情況下沒有真實的源模型，而是采用理想的源，如點源、平面波等，本文采用射頻點發射源S1、S2來模擬干擾源。

耦合途徑是產生電磁干擾問題的必要條件之一，本文的模型中耦合途徑主要有電磁輻射和電纜耦合兩種方式，電磁輻射是通過兩個發射源S1、S2向金屬腔體空間輻射電磁波，電纜耦合是兩條電纜1和2之間的耦合干擾，整個金屬腔體的電磁環境是由發射源、電纜、機箱等產生的綜合效應的結果。

圖1中，以左下角的頂點作為原點O建立整個金屬腔體模型，金屬腔體的尺寸為556 cm×628 cm×350 cm；機箱位于金屬腔體內正后方，其中心點坐標為（278，523，125），尺寸為70 cm×45 cm×23 cm，殼體厚度為1 mm，具有孔縫結構，孔分別位于兩端面中心處，孔徑3cm，縫隙位于箱體上表面，寬度0.5 cm，其內部細節圖如圖2所示；發射源S1和S2為有意發射干擾源，S1位于機箱外部正前方150 cm處，S2位于機箱內部中心處，兩發射源以點源方式輻射電磁波，發射頻率均為13.56 MHz，功率均為1W；金屬腔體內敷設兩束電纜1和2，均為兩芯平行電纜，單芯截面為1平方毫米，兩電纜平行部分同位于金屬腔體XY平面內，高度為80 cm，間距為5 cm，與金屬腔體ZY平面的距離為50 cm，與金屬腔體XZ平面的距離為450 cm，其中電纜1終端穿過機箱內部，與發射源S2靠近，電纜2終端與金屬腔體地面接觸，電纜的橫切面如圖3所示。

圖1 金屬腔體場景模擬

圖2 機箱內部細節圖

3 仿真分析

3.1 理論計算

對于全封閉金屬腔體（內尺寸6.28 m×5.56 m×3.5 m），由矩形諧振腔諧振頻率計算公式[8]

其中：m、n、l分別表示場量沿坐標軸變化的半個正弦波的數量；a、b、d分別代表金屬腔體的各邊長。

可以通過公式得到金屬腔體本身的最低諧振頻率為

其他低于100 MHz的諧振頻率為

101?48.4 MHz111?55.3 MHz

011?50.2 MHz211?70.9 MHz

221?82.7 MHz121?72.3 MHz

102?64.3 MHz120?58.5 MHz

112?69.7 MHz311?85.9 MHz

310?74.7 MHz220?70.1 MHz

130?83.7 MHz131?94 MHz

……

3.2 仿真結果

在CST設計工作室構建電路，電纜1兩端均接入50 Ω負載，兩端接地；電纜2源端短接，終端接入10 Ω負載，兩端接地。設置仿真頻段為0～100 M，網絡大小為1/70波長，邊界條件為open邊界（自由空間），利用TLM頻域求解器對模型進行場路協同仿真，分別在金屬腔體中心處、機箱中心處、機箱前1m處、機柜前方靠近電纜處、金屬腔體角落處設置探針。如圖4、5所示為金屬腔體中心點位置的電磁場仿真結果，圖6為電纜1和2感應電流的仿真結果，表1是仿真結果與實測結果的對比（在基波13.56 MHz頻點處）。

圖4 金屬腔體中心點電場

圖5 金屬腔體中心點磁場

圖6 電纜1和2感應電流

表1 仿真結果與實測結果對比

由于發射源S1和S2基波的旁瓣作用，導致金屬腔體產生諧振。圖4中金屬腔體中心點電場仿真得到的諧振頻率49.16 M、54.8 M、58 M、64 M、73.26 M、83.56 M、85.9 M與理論計算的諧振頻率f101(48.4 M)、f111(55.3 M)、f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f121(72.3 M)、f130(83.7 M)、f311(85.9 M)較為符合；圖5中金屬腔體中心點磁場仿真得到的諧振頻率58.7 M、62.8 M、68.9 M、83 M與理論計算的諧振頻率f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f112(69.7 M)、f130(83.7 M)基本符合；表1中在基波（13.56 MHz）頻點處的仿真結果與實測結果的誤差在6 dB范圍內。

以上數據說明仿真結果與理論計算、實測結果具有較好的一致性，從而證明了仿真方法的準確性、有效性及可行性。

4 結語

本文采用CST電磁仿真軟件，對金屬腔體內電子電氣設備、天線、電纜等進行簡化，構建電磁模型，通過電路仿真與電磁場仿真相結合的方法得到較為準確和快速的結果。該方法在處理更加復雜的金屬腔體電磁兼容問題，尤其是場路結合的系統和總體級問題，具有較大的優勢，可為船舶電磁環境的預測和評估提供有效的依據。

[1] 邵開文, 馬運義. 艦艇技術與設計概論. 北京: 國防工業出版社, 2009.

[2] V. Prasad Kodali著. 陳淑鳳等譯. 工程電磁兼容. 人民郵電出版社, 2006. 10

[3] 雷靜, 黃濤. 艦艇艙室復雜環境電磁兼容技術研究[J]. 艦艇電子工程, 2007, (05)

[4] 喻菁, 李晶等. 艦艇電磁環境特性研究[J]. 艦艇科學技術, 2007, (06)

[5] 黃松高等. 艦艇電磁仿真技術現狀及發展趨勢[J]. 微波學報, 2010. 8

[6] 王峰. 艦艇電磁兼容仿真技術總體結構及驗證技術研究. 武漢理工大學, 2006. 4

[7] 張敏等. CST軟件教程. 德國CST公司出版, 2011. 5

[8] 沈熙寧. 電磁場與電磁波. 科學出版社, 2006. 2.

Electromagnetic Environment Simulation for the Cabin Based on CST Software

Qu Dan1, Chen Yu2, Fan Youwen1

（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office of Ship Design Institute, Wuhan 430064, China)

TP391.9 TM15

A

1003-4862（2014）10-0066-04

2014-04-08

瞿丹（1986-），女，碩士研究生。研究方向：電磁兼容試驗與研究。