某型直升機(jī)射頻機(jī)架維護(hù)面板改進(jìn)設(shè)計(jì)

王明，劉志平

某型直升機(jī)射頻機(jī)架維護(hù)面板改進(jìn)設(shè)計(jì)

王明，劉志平

（天津直升機(jī)研發(fā)中心，天津 300000）

射頻機(jī)架集通信和導(dǎo)航等功能于一體，是直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要設(shè)備，在工程應(yīng)用中，往往需要在產(chǎn)品的電磁兼容性與維護(hù)性間進(jìn)行權(quán)衡。對某型直升機(jī)射頻機(jī)架維護(hù)面板維護(hù)不便的問題進(jìn)行了分析，通過一維仿真計(jì)算，說明電磁輻射原理，通過二維對比圖及諧振腔理論說明輻射源與孔縫位置對輻射強(qiáng)度的影響，最后在滿足現(xiàn)行射頻機(jī)架電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求下，改進(jìn)了維護(hù)面板，提高了射頻機(jī)架維護(hù)面板的維護(hù)性。

射頻機(jī)架；維護(hù)面板；電磁兼容；仿真計(jì)算

綜合射頻機(jī)架作為一個箱體，為內(nèi)部元器件、功能模塊等提供安裝平臺，具有屏蔽體的作用，減少內(nèi)部電磁場向外輻射，同時減少外部大量電磁能量進(jìn)入箱體內(nèi)部。電磁屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減小電磁能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)，是抑制電磁干擾的重要手段之一。

1 綜合射頻機(jī)架維護(hù)面板設(shè)計(jì)改進(jìn)的必要性

綜合射頻機(jī)架內(nèi)部元器件、功能模塊經(jīng)常需要維護(hù)、檢修，以保證綜合射頻系統(tǒng)正常工作，以及在飛機(jī)試飛排故的過程中，需要快速更換以排除故障，射頻機(jī)架維護(hù)面板的快速拆卸、安裝在時間和空間上對于直升機(jī)具有重要意義。

常規(guī)射頻機(jī)架設(shè)計(jì)如圖1所示，射頻機(jī)架維護(hù)面板安裝設(shè)計(jì)如圖2所示。射頻機(jī)架維護(hù)面板在安裝過程中采用螺釘安裝，考慮了電磁兼容性以及內(nèi)部模塊間的通風(fēng)散熱，但對拆卸、安裝、維護(hù)等方面考慮不足，因此，在兼顧射頻機(jī)架功能的前提下，對射頻機(jī)架維護(hù)面板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)是必要的。

圖1 射頻機(jī)架示意圖

圖2 射頻機(jī)架維護(hù)面板安裝位置圖

此外，綜合射頻機(jī)架安裝在直升機(jī)的過渡段中的狹小空間，上下兩塊維護(hù)面板需要多個螺釘安裝，拆卸、安裝、維護(hù)過程中費(fèi)力、費(fèi)時。因此在不影響其功能用途的情況下，對其維護(hù)面板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要意義，而不影響其功能用途主要是指對其內(nèi)部元器件的電磁兼容性問題進(jìn)行考慮，使其滿足原設(shè)計(jì)情況下的電磁兼容條件。

2 基于時域有限差分法計(jì)算電磁兼容性

2.1 時域有限差分法推導(dǎo)電磁波傳播過程

時域有限差分法是對麥克斯韋方程組中（安培定理和法拉第電磁感應(yīng)定理）的空間和時間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行有限差分近似，利用中心差分法有下式成立：

直角坐標(biāo)系中的標(biāo)量方程為：

用（，，）表示網(wǎng)格單元沿三個方向的步長，以右上標(biāo)的變化為時間推進(jìn)，則：

2.2 解的穩(wěn)定性條件

由Maxwell旋度方程所導(dǎo)出的FDTD差分方程，它是基于有限差分法所進(jìn)行的推導(dǎo)，因此，為保證時間推進(jìn)和空間推進(jìn)能夠很好地進(jìn)行而使計(jì)算結(jié)果不發(fā)散，時間步長和空間步長要滿足一定的關(guān)系。人們通過研究發(fā)現(xiàn)，對于三維問題，當(dāng)時間步長和空間步長滿足下式，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定不會發(fā)散：

2.3 電磁波傳播邊界條件

計(jì)算機(jī)所計(jì)算的為有限個網(wǎng)格區(qū)域，而網(wǎng)格終端的節(jié)點(diǎn)會反射入射到該節(jié)點(diǎn)的任何電磁波，通常情況下在邊界節(jié)點(diǎn)設(shè)置多層的吸收邊界條件，能使反射回計(jì)算區(qū)域的能量最小，近似是電磁波在無限大空間上的傳播，利用吸收邊界條件能夠很好地模擬電磁波在無限空間中的散射情況。

3 對比驗(yàn)證孔縫位置對電磁兼容性的影響

3.1 FDTD法的一維仿真計(jì)算分析

將電磁波的傳播區(qū)域劃分為200個節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用Fortran進(jìn)行編程，所劃分的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 電磁場區(qū)域網(wǎng)格的劃分形式

通過程序繪制第50節(jié)點(diǎn)和第60節(jié)點(diǎn)的電場強(qiáng)度變化的對比圖，如圖4所示。

圖4 第50節(jié)點(diǎn)和第60節(jié)點(diǎn)電場強(qiáng)度對比圖

從圖4中可以看出，在無屏蔽層時，電磁波傳播過程中電場強(qiáng)度未曾衰減，電磁波傳播距離輻射源位置的遠(yuǎn)近不同，電場強(qiáng)度變化的時間不同。相關(guān)程序見文后程序附錄1。

通過程序繪制考慮吸收邊界條件的截?cái)嗑W(wǎng)格和未考慮吸收邊界條件情況的對比圖，如圖5所示。

圖5 吸收邊界條件和未考慮吸收邊界條件的對比圖

通過圖5中數(shù)據(jù)的對比可以看出，未考慮吸收邊界條件的網(wǎng)格在邊界處存在電磁波的反射，不能模擬電磁波在無限空間中的散射，而考慮吸收邊界條件的網(wǎng)格能夠很好地模擬電磁波在無限空間中的傳播。相關(guān)程序見文后程序附錄2。

3.2 二維情況孔縫對電磁兼容的影響

對于二維電磁波傳播的過程，可以根據(jù)電磁波傳播的特點(diǎn)進(jìn)行分析，當(dāng)假設(shè)電場只沿方向變化，而磁場分量只有在和方向上的非零分量，則根據(jù)Maxwell旋度方程可以將電磁場傳播方程寫為：

其電磁波的傳播的過程如圖6所示。

圖6 二維電磁波傳播示意圖

根據(jù)電磁波傳播的特點(diǎn)，當(dāng)電磁波遇到屏蔽層后會被吸收和散射，屏蔽層存在孔縫的情況，如圖7和圖8所示。

圖7 屏蔽層存在孔縫情況示意圖1

圖8 屏蔽層存在孔縫情況示意圖2

根據(jù)諧振腔理論，輻射的電磁波通過孔縫耦合作用傳出屏蔽體，在屏蔽體外產(chǎn)生新的諧振頻率，當(dāng)輻射波極化方向與孔縫長邊方向垂直時，電磁泄漏最為嚴(yán)重。當(dāng)新的輻射頻率落在外部設(shè)備接收工作頻段時，會對接收設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。在假設(shè)輻射源向周圍均勻輻射及孔位大小相同的情況下，通過對比圖7和圖8可以看出，屏蔽層孔縫距離電磁輻射源的遠(yuǎn)近不同，根據(jù)電磁波傳播的特點(diǎn)，屏蔽層對電磁波會吸收和反射，圖7中近距離輻射孔縫的電磁強(qiáng)度要強(qiáng)于圖8中遠(yuǎn)距離輻射孔縫的電磁強(qiáng)度，所以，在射頻機(jī)架維護(hù)面板的改進(jìn)設(shè)計(jì)中要考慮射頻機(jī)架內(nèi)主要輻射源距離所開孔縫的位置。

4 優(yōu)化改進(jìn)后的射頻機(jī)架維護(hù)面板設(shè)計(jì)

在綜合考慮射頻機(jī)架內(nèi)輻射源情況下，改進(jìn)后的射頻機(jī)架維護(hù)面板如圖9、圖10、圖11所示。射頻機(jī)架維護(hù)面板改用鎖扣鎖緊的形式，在一側(cè)配有拉手，方便打開，便于拆卸、安裝、維護(hù)，同時維護(hù)面板與射頻機(jī)架側(cè)壁貼合面處采用導(dǎo)電橡膠，用于電磁密封和環(huán)境密封，這樣將不會改變原設(shè)計(jì)散熱風(fēng)扇對內(nèi)部單元的散熱，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)兼顧電磁兼容指標(biāo)要求和散熱要求的情況下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，方便綜合射頻系統(tǒng)內(nèi)部模塊維護(hù)。

圖9 改進(jìn)后的射頻機(jī)架維護(hù)面板1

圖10 改進(jìn)后的射頻機(jī)架維護(hù)面板2

圖11 改進(jìn)后的射頻機(jī)架維護(hù)面板3

此外，在結(jié)構(gòu)上考慮了過渡段空間中其他設(shè)備對維護(hù)面板的影響，將周圍其他設(shè)備的安裝位置考慮在內(nèi)，避免在開關(guān)維護(hù)面板的過程中與其他結(jié)構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生干涉。

5 總結(jié)

改進(jìn)后的維護(hù)面板充分考慮了原設(shè)計(jì)中的電磁兼容性指標(biāo)要求和散熱要求，同時在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，考慮過渡段設(shè)備倉中射頻機(jī)架周圍設(shè)備對維護(hù)面板開關(guān)的影響，方便射頻機(jī)架內(nèi)部模塊的快速更換維修，對某型直升機(jī)射頻系統(tǒng)維護(hù)面板的優(yōu)化改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

程序附錄：

附錄1.!*未設(shè)置截?cái)嗑W(wǎng)格電磁波在自由空間中傳播的一維 FDTD 仿真*!

program ex101

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"輸入要輸出的節(jié)點(diǎn) I= 隨時間的電場強(qiáng)度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=0.0

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*輸出 J 節(jié)點(diǎn)電場數(shù)據(jù)*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*輸出時間變化數(shù)據(jù)*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上輸出時間步和電場強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program

附錄2.!*設(shè)置截?cái)嗑W(wǎng)格電磁波在自由空間中傳播的一維 FDTD 仿真*!

program ex102

real(8) ez(200)，hy(200)，eez(200)，hhy(200)，imp0

integer qTime，maxTime，mm，mt，size，I，J

imp0=377.0

eez(200)=0.0

hhy(200)=0.0

maxTime=1000

qTime=0

size=200

write(*，*)"輸入要輸出的節(jié)點(diǎn) I= 隨時間的電場強(qiáng)度"

read(*，*) J

do while(qTime.lt.maxTime)

do mm=1，(size-1)

hy(mm)=hhy(mm)+(eez(mm+1)-eez(mm))/imp0

end do

do mt=2，size

ez(mt)=eez(mt)+(hy(mt)-hy(mt-1))*imp0

end do

ez(1)=exp(-(qTime-30.0)*(qTime-30.0)/100.0)

hy(200)=hy(199)

qTime=qTime+1

do I=1，200

hhy(I)=hy(I)

eez(I)=ez(I)

end do

!*輸出 J 節(jié)點(diǎn)電場數(shù)據(jù)*!

open(1，file='Electric-field-out.dat')

write(1，"(1E)") ez(J)

!*輸出時間變化數(shù)據(jù)*!

open(2，file='Time-out.dat')

write(2，"(1I)") qTime

!*在屏幕上輸出時間步和電場強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)*!

write(*，*) qTime，ez(J)

end do

stop

end program。

［1］袁良偉.時域有限差分法關(guān)鍵問題研究及其應(yīng)用［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，1998.

［2］劉項(xiàng)羽.孔縫電磁泄漏的算法研究及仿真分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［3］孫大偉.導(dǎo)體機(jī)箱孔縫的電磁輻射仿真研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2015.

［4］JOHN B S.時域有限差分方法及編程技巧［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015：22-55，142-190.

［5］彭國倫.Fortran95程序設(shè)計(jì)［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［6］北京兆迪科技有限公司.CATIAV5R21產(chǎn)品工程師寶典［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

［7］王長青，祝西里.電磁場計(jì)算中的時域有限差分法［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1994：18-96，183-202.

［8］葛德彪，閆玉波.電磁場時域有限差分方法［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：8-78，91-101.

［9］王秉中.計(jì)算電磁學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：4-14，84-88，120-168.

［10］李帆，阮會.電磁兼容的機(jī)箱設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù)，2012（1）：54-56.

2095－6835（2020）06－0030－05

V275.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.010

〔編輯：張思楠〕