電磁場對導彈殼體孔縫耦合特性分析*

趙炳秋　湯仕平　萬海軍

(海軍電磁兼容研究檢測中心　上海　200235)

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電磁場對導彈殼體孔縫耦合特性分析*

趙炳秋湯仕平萬海軍

(海軍電磁兼容研究檢測中心上海200235)

摘要針對導彈安裝平臺電磁環境特點,對其殼體孔縫耦合特性進行仿真分析,研究外部輻射場相極化方式、入射角度、頻率、孔縫尺寸、孔縫形狀及分布對模型內部耦合場分布的影響,分析得出其耦合規律。

關鍵詞導彈殼體; 孔縫; 耦合特性; 仿真

Analysis of Electromagnetic Coupling Characteristics of Apertures on the Missiles Shells

ZHAO BingqiuTANG ShipingWAN Haijun

(EMC Research and Measurement Center of Navy, Shanghai200235)

AbstractCoupling characteristics of apertures on the missiles shells are summarized via simulation on this paper, focusing on the electromagnetic environment characteristics of the install platforms. Coupling characteristics are obtained researching on the influence of coupling electromagnetic distribution in models by changing of polarization, incidence angle, frequency, apertures size and figure.

Key Wordsmissiles shells, apertures, coupling characteristics, simulation

Class NumberO441.5

1引言

現代導彈武器系統廣泛采用電子器件,從包含微處理器的控制系統到電爆裝置,而現代武器平臺電磁環境復雜,其能量可能以不同的方式耦合到軍械內部并造成一定的影響,如射頻輻射能量通過導彈殼體的孔縫耦合到殼體內部,從點火引線進入導彈內的電爆裝置,產生感應電流,導致電弧、火花或熱效應,電磁能量的累積效應也可能造成電爆器件的無意觸發,不僅使這些軍械性能惡化、失效無法使用,造成導彈可靠性下降,還可能導致導彈意外發射或起爆,即出現電磁輻射對軍械危害(Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance,HERO)問題,危及軍械操作人員和武器平臺的安全,給導彈等軍械在儲藏、運輸或工作期間的安全性與可靠性構成嚴重威脅[1～5]。

孔縫作為導彈殼體電磁能量耦合的主要路徑之一,開展其電磁耦合特性研究,對有效開展導彈電磁防護具有重要指導意義。本文針對短波輻射場下,導彈殼體孔縫耦合效應進行仿真分析,研究孔縫耦合的規律。

2孔縫效應分析

導彈殼體一般主要是鋼、合金等導電材料,對外界電磁波能起到較好的屏蔽效果,由于系統結構設計的原因,在導彈艙段的連接處及彈體上不可避免的留有必不可少的電纜孔縫及縫隙天線、測試孔等相關孔縫。當彈體結構上存在孔縫等不連續點時,可能會發生較大的電磁泄露,從而使得電磁能量通過這些孔縫或艙口耦合到導彈內部。

根據麥克斯韋方程,屏蔽體內部的電磁場分布由屏蔽體中的電流密度矢量決定。而電流密度的方向與屏蔽體的結構形狀有著密切的關系,在實際中,電流密度的方向比較復雜。對于連續的屏蔽體,感應電流是直線流動的。當屏蔽體上存在孔縫時,造成了屏蔽體的不連續性,進而改變了屏蔽體中感應電流的方向,正是因為電流密度方向的改變導致屏蔽體發生電磁泄露。這種效應可以等效為存在著另外一種附加的電流,附加電流與原電流相加,使得原來的電場發生了改變。根據屏蔽體中的總電流滿足麥克斯韋方程的電流連續性準則,即可求得附加電流,就可根據麥克斯韋電磁理論求得孔縫內部的耦合場。

3孔縫耦合模型

圖1　原問題

圖2　等效問題

(1)

(2)

(3)

(4)

4孔縫耦合特性的仿真分析

典型導彈殼體開孔主要包括以下兩種情況:一種是導引頭艙部分留下的孔縫。導彈導引頭罩一般采用非導電材料,導引頭內部安裝有天線,在導彈的設計中,導引頭和后面艙段的連接通道不可避免的留有開孔,而且作為電纜走線通道也需要留有孔縫。另一種是導彈彈體上為了電氣連接而留有的開孔。

4.1仿真模型

對于導彈而言,由于導引頭罩采用非導電材料,可以忽略導引頭罩的影響。在不影響問題分析和計算精度的前提下,建立近似的導引頭艙連接部位模型,上底面(與導引頭連接部位)上開有孔縫,假設模型材料為理想電導體材料,對模型以一定特性的輻射源進行照射,研究模型內部電磁場的耦合特性。

為便于進行研究,對于導引頭與后面艙段連接處隔板上的孔縫,其形狀可以簡化處理成圖3所示的幾種情況,對這幾種開孔情況保持孔縫的總面積不變[8～9]。

圖3　孔縫的幾種類型

4.2輻射源的選擇

在研究孔縫耦合問題時,不僅孔縫尺寸、形狀和孔的分布會對耦合產生影響,外部輻射場的入射方向、極化方式、頻率、場強等也可能會對孔縫的耦合產生影響。為了準確分析輻射場入射方向、極化方式和頻率等特性對導彈殼體孔縫耦合的影響,本文在研究導彈導引頭連接部位和彈體的孔縫耦合特性時,均采用平面波源作為輻射源,分別改變入射波的極化方式、入射方向和頻率,考察內部耦合場的變化,分析比較得到孔縫耦合特性[7～10]。

4.3仿真及結果分析

4.3.1極化方式對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。分別對水平極化(電場方向沿y軸)和垂直極化(電場方向沿z軸)的情況進行了仿真計算,得到模型中心軸線即z軸電場和磁場的分布如圖4和圖5所示。

圖4　入射波不同極化方式下的耦合電場

圖5　入射波不同極化方式下的耦合磁場

由圖4和圖5可以看出,電磁場在耦合到模型內部后,隨著距孔縫距離的增大而迅速減小,并趨于零,這說明模型中通過孔縫耦合進入內部的電磁能量基本分布在孔縫附近一定區域內;垂直極化波的耦合電場遠遠大于水平極化波的耦合電場,但兩者的耦合磁場相差不大。

4.3.2入射方向對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。保持入射波水平極化(電場方向沿y軸)的情況下,不同入射方向(水平入射、斜入射與垂直入射)時,中心軸線上電場和磁場分布曲線如圖6和圖7所示。

圖6　不同入射方向下的耦合電場

圖7　不同入射方向下的耦合磁場

由圖6和圖7的曲線比較可知,在極化方式相同的情況下,耦合電場受入射角度影響不大,其耦合強度隨入射角度增大而增強的趨勢不明顯;耦合磁場受入射角度影響較大,其耦合強度隨入射角度增大,有較明顯的增強。

4.3.3頻率對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。入射波頻率不同時,中心軸線上電場和磁場分布曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8　不同頻率入射波下的耦合電場

圖9　不同頻率入射波下的耦合磁場

比較圖8、圖9可知,入射方向和極化方式相同的情況下,隨著頻率的增高,孔耦合的電場隨之增強,但耦合的磁場減小。

4.3.4輻射場強對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有圖3(a)所示圓孔的情況,輻射源為平面波源,入射方向沿x軸方向。場強幅值從10V/m以步進10V/m增加到100V/m時,殼體內外兩個位置的電場變化的擬合曲線如圖10所示。

由圖示曲線比較可知,模型內部耦合場場強與外部輻射場場強之間成線性關系,該關系所表現的直線說明在距孔一定距離位置的屏蔽效能。

圖10　殼體內、外場強關系擬合曲線

4.3.5孔縫尺寸對孔縫耦合的影響

圖11　不同尺寸圓孔模型內耦合電場

圖12　不同尺寸圓孔模型內耦合磁場

對于模型上底面開有圖3中(a)所示圓孔的情況,其半徑為兩種不同尺寸,輻射源為平面波源。兩種不同尺寸的孔,其模型中心軸線上電場和磁場分布曲線分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12中的曲線比較可知,外部輻射場相同時,尺寸較大的孔,其耦合場(包括電場和磁場)都要明顯強于尺寸較小的孔的耦合場,耦合場在模型內部的分布區域也更廣。

4.3.6孔縫形狀對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有圖33(a)、(b)、(c)所示面積相同的四種孔(其中長方形孔長短邊互換作為兩種情況考慮)的情況,輻射源為平面波源,入射波為沿x軸入射的垂直極化波(電場方向沿z軸)。四種不同形狀孔的模型中心軸線上電場和磁場變化曲線分別如圖13和圖14所示。

圖13　四種形狀孔縫模型內的耦合電場

圖14　四種形狀孔縫模型內的耦合磁場

由圖13和圖14的仿真結果曲線可以看出,圓孔和方孔模型的耦合場(無論是電場還是磁場)強度相差不大,而兩種矩形孔的耦合電場也幾乎相同,但電磁場沿矩形孔長邊入射時,孔耦合的磁場強于沿窄邊入射時的耦合磁場。另外,圓孔和方孔的耦合電場強于兩種矩形孔,而耦合磁場則介于兩者之間。

4.3.7孔縫數量對孔縫耦合的影響

對于模型上底面開有面積相同的三種孔陣的情況,孔的位置和形狀如圖3中的(d)、(e)、(f)所示。輻射源為平面波源,入射波為沿x軸入射的垂直極化波(電場方向沿z軸)。三種不同開孔尺寸模型中心軸線上電場和磁場變化曲線分別如圖15和圖16所示。

圖15　三種孔陣模型內的耦合電場

圖16　三種孔陣模型內的耦合磁場

由圖15和圖16的仿真結果曲線可以看出,圖3中圖3(e)、3(f)兩種孔的中心軸線上電場相差不大,但是明顯大于開孔如圖3(g)所示中心軸線的電場,即對于孔陣的情況,孔之間的距離越大,內部耦合電場越小。對于磁場的耦合,圖3(f)所示孔縫中心軸線上磁場大于圖3(d),但圖3(d)大于圖3(g)的耦合磁場。并且通過與圖15和圖16曲線的比較可知,相同面積時,孔陣耦合遠小于單孔的耦合。

5結語

本文分析了電磁場通過孔縫的耦合機理,采用等效原理建立了孔縫耦合的理論模型,然后針對導引頭艙連接部位孔縫建立仿真模型并進行了計算分析,得到導彈殼體孔縫耦合特性:外部輻射場相對孔縫為垂直極化時,其耦合電場遠大于水平極化時的耦合電場,而磁場耦合受極化方式的影響較小;入射角度越大,耦合磁場越大,但對耦合電場變化不明顯;相同尺寸的孔縫,頻率越高,電磁場耦合越大;內部耦合場場強與外部輻射場場強成線性關系;孔縫尺寸越大,耦合越強;單孔的耦合大于總面積相同的孔陣的耦合。

參 考 文 獻

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中圖分類號O441.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.037

作者簡介:趙炳秋,男,碩士,助理工程師,研究方向:電磁兼容研究與測試。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月31日