電磁數(shù)值計算方法在民機HIRF防護中的應(yīng)用

謝羽晶

摘 要：該文首先介紹了高強度輻射場（HIRF）防護的必要性，之后闡述了民機HIRF環(huán)境驗證分析方法，具體描述了仿真分析中電磁數(shù)值計算方法的基本原理，最后運用這些方法對飛機EE艙中的場強和線纜上的電流進行仿真，并與實際試驗值進行對比，為飛機機載電子設(shè)備的布置及電子設(shè)備選型的傳導(dǎo)與輻射敏感度測試提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：HIRF 仿真 電磁數(shù)值

中圖分類號：V219 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0024-02

民用飛機HIRF環(huán)境源于雷達、無線電臺、廣播電視發(fā)射臺和其他地面、船舶或機載射頻發(fā)射機，是由人類活動產(chǎn)生的電磁環(huán)境問題。隨著飛機上執(zhí)行關(guān)鍵功能的傳統(tǒng)機電控制及指示系統(tǒng)逐漸被電子/電氣系統(tǒng)所取代；同時，復(fù)合材料在飛機上越來越多的使用，飛機對電磁環(huán)境的屏蔽效能越來越差，這些都要求飛機上的電子/電氣系統(tǒng)自身對電磁環(huán)境的耐受能力越來越強，進行飛機的HIRF防護對飛機的安全運行有著重大意義[1]。

1 民機HIRF環(huán)境驗證分析方法

在民用飛機的設(shè)計與驗證中，對于飛機暴露在正常HIRF環(huán)境時有一定的驗證和分析方法，包括試驗驗證，仿真分析和相似性分析等。其中仿真分析方法主要在飛機設(shè)計前期使用，用來發(fā)現(xiàn)飛機設(shè)計中的不足之處，降低風(fēng)險。電磁仿真在分析問題上有許多優(yōu)勢，它可以方便地調(diào)整模型的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性等關(guān)鍵參數(shù)，并且能在機上任意位置分析其電磁特性，能提供比測試豐富得多的信息。

2 電磁數(shù)值計算方法概述

電磁學(xué)的數(shù)值計算方法有很多，可分為頻域法和時域法兩種。頻域法有矩量法，有限元法，物理光學(xué)法等，而時域法可分為時域有限差分法，傳輸線法，有限積分法等。在飛機的HIRF仿真中，由于研究的電磁頻段較寬，從10 kHz到18 GHz，需要在不同的頻段選擇不同的數(shù)值計算方法。根據(jù)不同計算方法的特點，在10 kHz～70 MHz頻段選擇矩量法，在10 MHz～1 GHz采用多層快速多極子法，在1～18 GHz頻段采用物理光學(xué)法。

矩量法是計算電磁學(xué)中最為常用的方法之一。它是將待求的積分方程方程化為矩陣方程，然后通過計算機求解矩陣方程的方法。矩量法的步驟可分為3個過程：將積分方程的未知函數(shù)用一組基函數(shù)的線性組合表示，再選取一組線性無關(guān)的權(quán)函數(shù)，將權(quán)函數(shù)與積分方程進行內(nèi)積，這樣就將積分方程化為了矩陣方程，最后對矩陣求逆，就能得到解[2]。矩量法在求解時，收斂的速度很快，但是計算量卻很大，需要的存儲空間也很大。

快速多極子算法是基于矩量法的快速算法，可以有效降低存儲量和計算量。用快速多極子算法可以求解的未知量個數(shù)，遠大于用傳統(tǒng)矩量法所能求解的未知量個數(shù)。多層快速多極子算法是快速多極子算法在多層分組結(jié)構(gòu)上的改進，逐層進行聚集、轉(zhuǎn)移、發(fā)散[3]。聚集是將給定的各個非相鄰組內(nèi)所有子散射體產(chǎn)生的貢獻聚合到場的中心，轉(zhuǎn)移是指將這個聚集后的場轉(zhuǎn)移到指定場的中心，最后將這些貢獻發(fā)散到該組的各個子散射體。

物理光學(xué)法在超電大尺寸目標的電磁散射特性研究很有用。對于這類問題，如果采用矩量法或快速多極子算法，所需的存儲空間和計算量是非常大的，因此這些方法只用于中低頻的情況。而物理光學(xué)法是矩量法的一種近似算法，它在計算中忽略了目標的拐角和彎曲等形狀，這一近似給復(fù)雜目標電磁散射計算帶來了極大的靈活性，將復(fù)雜目標表面用簡單形狀的多邊形組合來逼近，雖然它的計算精度不高，但它的求解過程很快，所需內(nèi)存也很少。

3 飛機HIRF仿真應(yīng)用

首先計算HIRF場照射下，機艙內(nèi)部的場的耦合特性。在此選用FECO軟件作為電磁仿真軟件。入射場從飛機側(cè)面水平照射，入射方向與飛機軸向垂直，電場方向平行于飛機軸向，入射場的幅值為1 V/m。以某型飛機EE艙作為測試艙室，在中部選取一個點作為測試點，并在100 MHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)共選擇了16個頻點，得到仿真結(jié)果。將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，由圖1可得，兩個結(jié)果是接近的，說明數(shù)值仿真結(jié)果是可信的。

接著計算電纜的耦合電流。選擇兩根從EE艙中部到前貨艙后部的電纜，采用相同的入射場進行仿真，從1～400 MHz共選取了17個頻點。每條線纜都進行了兩種方式的測量：一種在線纜兩端接上50 Ω匹配負載；另一種為不加負載，測量點為線纜的兩個端點，即一共能得到8條曲線。線纜上耦合電流仿真值與電纜測試值傳輸函數(shù)對比圖如圖2所示。在1～20 MHz范圍內(nèi)數(shù)值模擬的耦合電流比實測值小，其他頻率范圍內(nèi)仿真的結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。經(jīng)過分析，該誤差產(chǎn)生的原因，是由于實際測試時，電磁場是按照混響室的方式測試的，與仿真狀態(tài)有差異。

4 結(jié)語

該文以HIRF對飛機以及飛機內(nèi)各種設(shè)備的影響為主要背景，介紹了飛機HIRF電磁仿真采用的數(shù)值方法，并運用商用軟件FECO對某型飛機的EE艙室和線纜進行仿真計算，該結(jié)果對HIRF環(huán)境下機艙內(nèi)的場強分布、不同線纜上的耦合電流的仿真有一定指導(dǎo)意義，為飛機機載電子設(shè)備的布置及電子設(shè)備選型的傳導(dǎo)與輻射敏感度測試提供依據(jù)。

參考文獻

[1] 唐建華.飛機研制的新要求——談高強度輻射場（HIRE）防護[J].國際航空，2007（11）：65-66.

[2] R·F·Harrington，著.計算電磁場的矩量法[M].王爾杰，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[3] 易真.復(fù)雜目標電磁散射分析的軟件實現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2006.