非封閉艙室內電場統計均勻測試方法

裴朝， 蘇東林， 石國昌， 廖意,*

(1. 北京航空航天大學 電子信息工程學院, 北京 100083； 2. 上海無線電設備研究所, 上海 200090)

近年來，飛機上越來越多的傳統機械或機電控制系統被弱電設備取代，低屏蔽性能復合材料應用比重急劇增加，使得高強電磁信號更容易耦合進入機內造成干擾、損傷甚至損壞。高強輻射場(High Intensity Radiated Field,HIRF)已成為影響飛機飛行安全的重要因素[1]。歐美、中國等國家的航空機構在近期頒布了相應條款和專用條件強制規定了民用航空器必須通過HIRF適航符合性試驗驗證。

作為飛機級HIRF試驗的重要內容，低電平掃描場(Low Level Swept Field,LLSF)具有測試便捷、降低待測飛機潛在風險等優點[2]。LLSF測試是采用外部電磁波照射飛機艙室，接收天線或場強探頭置于艙室內測試內部場強，通過與校準值對比獲得飛機艙室的衰減特性。測試過程中由于艙室存在駐波，艙室內不同位置場強變化較大，通常需要在艙室內安裝足夠多的接收天線/探頭，或者采用有限個接收天線在不同位置開展多次測試,尋找艙室內場強最大值[3-4]，這種方法耗時耗力。參考混響室設計方法，通過內置攪拌器，改變邊界條件，使得在攪拌器的一個旋轉周期內接收天線/探頭位置出現場強最大值，實現場統計均勻，達到最大值快速獲取的目的[5-7]。不同于混響室，飛機艙室通常是非封閉結構，存在的門窗、導流孔等開口將影響到艙室內的局部能量密度和總場均勻性[8-9]，而且，目前的文獻僅對發射天線置于混響室內部的情況進行分析，還沒有開展外部電磁波照射下非封閉艙室內場統計均勻分析。

本文重點對LLSF測試中非封閉飛機艙室內的場統計均勻測試方法展開研究，通過建立方形艙室內置攪拌器的仿真及試驗系統，驗證了非封閉艙室內產生統計均勻電場的可行性；結合艙室和攪拌器的仿真模型，提出了基于遍歷和遞歸算法的場均勻區域檢驗方法。獲取的方形艙室和圓柱艙室內有限場均勻區域的規律，可為實際飛機級LLSF試驗過程中數據采集提供重要指導。

1 場均勻性判定方法

艙室內通過放置旋轉的攪拌葉片，在較大空間內獲得具有統計特性的均勻場。在這個均勻場區，攪拌器完成一個周期的所有步進過程后，區域內任一點處的電磁場強都可以達到相同的最大場強值。LLSF測試過程中，由于艙室非封閉開口的存在，攪拌器的均勻區域不同于混響室的均勻場區域，與攪拌器大小、艙室開口大小、頻率等有關。按照IEC 61000-4-21標準[10]，均勻性采用如下的判定方法。

通過選取區域所在的8個頂點作為接收探頭位置，將8個位置的最大場強值歸一化到平均輸入功率的平方根：

(1)

針對每個頻率，計算接收探頭每個軸向的測量值的最大歸一化平均值：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：〈〉表示算術平均值。

攪拌器旋轉一周，以8個位置中每個位置得到的最大平均值的標準偏差來確定場均勻性，用接收探頭每個軸向的單獨數據和總數據集來計算標準偏差。

標準偏差計算式為

(6)

用與平均值有關的分貝(dB)數表示標準偏差：

(7)

如果所有場向量的標準偏差不超過規定的標準偏差值，則認為滿足了場均勻性要求。

2 非封閉艙室內場均勻性

為了獲取飛機非封閉艙室內場統計均勻特性，針對飛機不同類型艙室的幾何形狀，分別選取方形艙室和圓柱艙室作為研究對象開展仿真與試驗分析。其中方形艙室用于起落架艙等的特性研究，圓柱艙室可用于研究飛機客艙、駕駛艙等內部的場均勻性。

2.1 方形艙室試驗

制作了金屬方形艙室和內置攪拌器，用于電場均勻性試驗。方形艙室的長寬高分別為：l=2 m，w=1 m，h=1 m，艙室左右兩側分別有5個0.15 m×0.1 m的窗口，艙室前側有一個0.3 m×0.4 m的開口，孔隙率(窗口面積與艙室面積的比值)為2.7%。攪拌葉片由2個0.3 m×0.3 m正方形鋁板折疊后拼接，葉片下方為驅動盒和轉軸，攪拌葉片拼接后的對角尺寸約為0.8 m，大于艙室寬度的3/4。方形艙室和攪拌器的坐標關系如圖1所示，坐標原點位于轉軸頂部中心。

方形艙室的諧振頻率和模式數目分別通過式(8)和式(9)進行計算[11-12]：

(8)

(9)

式中：c為光速；l、w、h分別為艙室的長、寬、高，m；m、n、p為0或整數；f為頻率，Hz。

一般條件下，混響室最低可用頻率(Lowest Usable Frequency,LUF)必須大于艙室的最低諧振頻率f011的3倍，同時MIL-STD-461E標準[13]要求，在LUF下至少存在100個模。根據式(8)和式(9)的計算，此艙室LUF約為510 MHz。

圖1 直角坐標系中方形艙室與攪拌器位置Fig.1 Location of cuboid-shaped cabin and stirrer under rectangular coordinate system

試驗頻率范圍為400 MHz～1 GHz，攪拌葉片的最大旋轉區域與艙室內壁的間距至少為λ/4，根據最低仿真頻率400 MHz，此間距設置為0.2 m，同時，單片攪拌葉片尺寸大于λ/4,λ為波長。數據采集區域A為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.25，0.25) m，z∈(-0.25，0.25) m。

場均勻性試驗布置如圖2所示，發射天線于艙室外10 m處，發射垂直極化的電磁信號作用于方形艙室，艙室待測區域內采用光纖連接的場強探頭進行數據采集。測試過程為軟件自動化控制，攪拌器葉片以15°步進旋轉，每一個步進下獲取待測頻段內x、y和z軸場強的最大值。

根據IEC 61000-4-21標準[10]中混響室設計時測試區域的場均勻性判定方法，艙室內部待測區域的場均勻性標準偏差需達到的指標要求如表1所示。

采用均勻性判定方法，區域A的場均勻性結果如圖3所示，圖中σx、σy和σz分別為x、y、z軸分量的標準偏差。可以看出，在550 MHz～1 GHz范圍內，總場強值以及x、y、z軸分量的均勻性均滿足3 dB指標要求。試驗驗證了非封閉艙室在外部電磁波照射下仍具有較好的均勻場特性，并且隨著頻率的升高，均勻性越好。

采用開口切割和鋁箔敷貼的方式，將艙室前側開口和兩側窗口的形狀由矩形更改為圓形，孔隙率不變的情況下，采用同樣的試驗方法獲取待測區域內的場均勻性，結果如圖4所示。可以看出，在開口橫向或縱向等任一維度不發生較大變更的情況下，開口的形狀對待測區域的場均勻性影響不大。

圖2 場均勻性試驗布置Fig.2 Field uniformity test layout

頻率/MHz場均勻性標準偏差100～400由100MHz頻率的4dB 線性遞減至400MHz的3dB400以上3dB

分別將艙室前側及左右兩側窗口的現有開口擴至0.6 m×0.8 m和0.3 m×0.2 m的矩形，孔隙率由2.7%增加為10.8%。采用上述方法，在方形艙待測區域內進行數據采集，并得到待測區域內的場均勻性測試結果，如圖5所示。可以看出，在一定程度上增大非封閉艙室的孔隙率，艙室內待測區域的場均勻性有變差的趨勢。

圖3 方形艙室待測區域場均勻性測試結果Fig.3 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin

圖4 方形艙室圓形開口下待測區域場均勻性測試結果Fig.4 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin with circular apertures

圖5 方形艙室空隙率變大后待測區域場均勻性測試結果Fig.5 Field uniformity test results in testing region of cuboid-shaped cabin for increased aperture ratio

2.2 方形艙室建模與仿真

為了進一步分析非封閉艙體在LLSF下的電場均勻性及其特點，建立了與測試配置一致的方形艙室仿真模型，如圖6所示。考慮到選取的數值軟件能夠實現艙室內多次反射、損耗的精確計算，同時可方便控制攪拌器葉片旋轉的狀態，本文選用全波數值仿真軟件FEKO進行求解。外部電磁波以垂直極化方式分別從x軸方向(φ=0°)以及y軸方向(φ=90°)進行照射。攪拌葉片的最大旋轉區域距離艙室內壁有λ/4的長度，根據最低仿真頻率400 MHz，距離設置為0.2 m。待分析的均勻區域A與測試選取的區域一致。

圖7為仿真和測試手段分別計算得到的總數據集標準偏差的對比結果。可以看出，仿真數據與測試數據較為一致，驗證了仿真方法可用于分析均勻場區域的有效性。在LUF以上的550 MHz～1 GHz頻段范圍內，場均勻性計算結果均在3 dB以內。

圖6 方形艙室內部場均勻性仿真模型Fig.6 Simulation model for field uniformity in cuboid-shaped cabin

圖7 仿真與測試總數據集場均勻性標準偏差對比Fig.7 Comparison of simulated and test standard deviations of field uniformity for all vectors

2.3 圓柱艙室建模與仿真

飛機艙室以圓柱形結構居多，建立了非封閉圓柱艙室的仿真模型，如圖8所示。圓柱艙室的截面半徑為0.5 m，長度為2 m，在艙室左右兩側分別有3個約0.08 m×0.2 m的窗口，艙室前側有一個0.72 m×0.32 m的開口，孔隙率約為4.2%。攪拌器模型與方形艙室中所用模型一致，待分析的均勻區域B與方形艙室一致。

圓柱艙室的諧振頻率和模式數目可分別通過式(10)和式(11)進行計算[14]：

(10)

(11)

在400 MHz～1 GHz頻率范圍，外部電磁波以垂直極化方式從φ=0°和φ=90°方向進行照射，仿真得到區域B的8個頂點在攪拌器旋轉過程x、y和z軸的電場強度值。根據判定方法，計算得到圓柱艙室在該區域的場均勻性，如圖9所示。

由圖9可以看出，550 MHz～1 GHz頻段范圍，區域B的場均勻性滿足要求。通過調整圓柱艙室兩側6個窗口的大小，分析了不同孔隙率下在x分量電場均勻性的標準偏差(y和z分量的結果類似)，如圖10所示。結果表明，在孔隙率小于8%的情況下，孔隙開口并不影響艙室內區域B的場均勻性。

圖8 圓柱艙室內部場均勻性仿真模型Fig.8 Simulation model for field uniformity in cylindrical cabin

圖9 圓柱艙室照射下的場均勻性標準偏差Fig.9 Standard deviations of field uniformity in cylindrical cabin illumination

圖10 不同孔隙率下x分量電場的標準偏差Fig.10 Standard deviations for x vector electric field with different aperture ratios

3 場均勻區域檢驗方法

實際飛機級LLSF測試過程中，飛機的各個艙室變化差異大且空間狹小不規則，無法制作傳統混響室內要求的攪拌器，只能通過制作足夠大尺寸的攪拌葉片。單一攪拌葉片尺寸至少大于最小分析頻率下的λ/4，拼接后的攪拌器最大長度要求滿足艙室任一維邊長的3/4。

尋找滿足分析頻帶內均勻性要求的區域作為接頭天線/探頭的位置。實際上，在場均勻性不滿足場均勻性要求的較低頻段(LUF附近)，攪拌葉片附近仍存在較小的均勻場區域。通過方形艙室和圓柱艙室的仿真數據分析，給出了2類艙室內的均勻區域體積隨頻率變化的關系，如圖11所示。為了有效解決飛機LLSF測試數據采集難的問題，本文提出了基于遍歷和遞歸算法的場均勻區域檢驗方法。

以方形艙室為例，基于遞歸算法，在區域A內采用遍歷的方式進行查找，如圖12所示。對區域A內的每個子區域進行檢索和驗證，得到滿足均勻要求的子區域并記錄，形成不同頻率下的子區域矩陣f1(D11，D21，D31，…)、f2(D12，D22，D32，…)等。最后，將所有頻率下獲取的子區域進行遞歸比對篩選，得到可用于LLSF試驗的目標子區域[15-16]。

圖11 均勻區域體積隨頻率變化Fig.11 Variation of uniform region volume with frequency

圖13是通過對方形艙室的區域A進行查找檢驗后得到的均勻區域A′的標準偏差，均勻區域A′的坐標范圍為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.15，0.15) m，z∈(-0.15，0.25) m，在400 MHz～1 GHz范圍內符合均勻性要求。

同樣地，采用上述遞歸算法在圓柱艙室區域B內查找。最終得到的均勻區域為B′，坐標范圍為：x∈(0.45，0.75) m，y∈(-0.25，0.2) m，z∈(-0.25，0.2) m，標準偏差如圖14所示。選取的區域能夠用于指導LLSF測試時接收探頭的空間布置。

圖12 遍歷查找檢驗方法Fig.12 Schematic diagram of traversal searching and testing method

圖13 方形艙室區域A′的場均勻性標準偏差Fig.13 Standard deviations of field uniformity in region A′ of cuboid-shaped cabin

圖14 圓柱艙室區域B′的場均勻性標準偏差Fig.14 Standard deviations of field uniformity in region B′ of cylindrical cabin

4 結 論

本文主要解決飛機級LLSF測試過程中非封閉艙室內場均勻性的可行性以及區域檢驗問題。

1) 通過測試和仿真驗證了外部電磁波照射下，在非封閉艙室內置相當尺寸的攪拌葉片，仍可有效得到待測區域的場均勻特性。只需單一攪拌葉片的尺寸大于最小頻率下λ/4，拼接后的攪拌器最大長度為艙室任一維邊長的3/4，艙室孔隙率通艙在8%以內。

2) 隨著頻率的升高，攪拌器的攪拌性能越好。對于不滿足均勻性要求的頻率范圍，在一定的孔隙和攪拌葉片尺寸下，提出了基于遍歷和遞歸算法的場均勻區域檢驗方法，獲取了模式攪拌工作下的非封閉艙室內的有限均勻區域。

3) 方形艙室和圓柱艙室的場均勻性結果對比表明，艙室內部的場均勻特性存在相似性，均勻場區域檢驗方法可推廣應用于其他類型結構艙體。