機載電子設備屏蔽效能測試與優化

馬振洋，左晶，史春蕾，馮嘉誠，劉旭紅

1. 中國民航大學 適航學院，天津 300300 2. 中國民航大學 民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300 3. 中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300

航空電磁環境的日益復雜以及航空電子技術的發展，使得機載電子設備更容易受到高強輻射場(High Intensity Radiation Field，HIRF)的影響[1-3]。標準SAE ARP 5583A針對機載電子電氣設備HIRF的防護提出了幾種方法, 其中最直接有效的方法是設計屏蔽體[4]。屏蔽體既可以實現HIRF防護功能又可以避免設備在工作過程中對周圍設備產生干擾。但是屏蔽體上存在各種各樣的通風孔陣、線纜端口以及貫通導體等，破壞了設備的整體性從而導致屏蔽效能降低[5]。

目前在腔體屏蔽效能研究方面已有很多學者進行了相關的理論分析、仿真計算以及試驗測試等工作。文獻[6-7]基于Robinson等效電路模型提出了一種估算混合孔縫箱體屏蔽效能的電磁拓撲理論方法；文獻[8]將電磁拓撲理論用于矩形雙腔體以及三腔體屏蔽效能的快速計算，推導并獲得了相應的廣義(Baum-Liu-Tesche，BLT)方程。文獻[9-10]利用擴展的傳輸線法與電磁拓撲理論針對內置電路板對腔體屏蔽效能的影響展開了研究；文獻[11]基于BLT方程計算了矩形腔體下任意極化方向、單孔和雙孔條件下的屏蔽效能；文獻[12] 利用數值仿真方法分析了平面波輻射條件下短貫通導體對屏蔽效能的影響；文獻[13-14]運用時域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)計算軟件分析計算了孔縫形狀、數量、大小及排列對電子設備電磁屏蔽效能的影響；文獻[15]基于三維仿真軟件CST從頻域的角度研究了電磁波極化方向以及吸波材料對加強場強效應的影響規律；文獻[16]針對隔距較近時的縫隙陣列分析了孔陣數目及孔陣隔距對腔體屏蔽效能的影響，并仿真了損耗項對腔體內諧振頻率的抑制效果。文獻[17-21]研究了使用嵌套混響室測試小型機箱屏蔽效能的方法。但是以上的研究主要是針對結構較為理想的矩形腔體開展的相關分析，并沒有結合具體應用環境和設備結構特點開展屏蔽效能的研究工作。

本文以某飛機型號上的機載通信設備為研究對象(圖1)，其中用虛線標記的部分為機體上的孔縫和通風孔陣，搭建了HIRF環境對屏蔽體的屏蔽效能進行測試，利用仿真手段開展了設備屏蔽優化分析研究。本文研究工作可為其他機載電子設備屏蔽體屏蔽效能的測試與優化提供參考意見。

圖1 機載通信設備Fig.1 Airborne communication equipment

1 屏蔽效能

屏蔽體性能的好壞可利用屏蔽效能描述和定量分析。電場屏蔽效能SEE與磁場屏蔽效能SEH表示為

(1)

(2)

式中:E0與H0分別為未加屏蔽體時機箱中心點的電場和磁場強度;E1與H1分別為加屏蔽殼時機箱中心點的電場和磁場強度。一般而言，對于近場，電場和磁場的近場波阻抗不相等，電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能也不相等；但是對于遠場，電場與磁場是統一的整體，電磁場的波阻抗是一個常數，電場屏蔽效能與磁場屏蔽效能相等[22]。本文著重研究遠場條件下的屏蔽效能，因此只分析機載電子設備的電場屏蔽效能即可。

2 屏蔽效能的試驗測試

2.1 試驗環境與設備

根據RTCA/DO-160G和GJB 5185—2003的測試要求對測試環境進行布置和測試設備進行選擇[23-24]。為了保證在測試過程中機載通信設備不會受到除了發射天線以外其他設備的干擾，試驗選擇在3 μF微波暗室開展，為模擬遠場的HIRF輻射場，在測試的過程中距離被測試設備1 m 的范圍內未放置其他設備。測試設備的性能選擇如表1所示，由于機載通信設備的屏蔽體體積較小，因此選擇電場探頭測試設備內的電場強度變化情況，電場探頭三維尺寸均為32 mm。

表1 測試設備Table 1 Tested equipment

本文利用外置輻射源的方法對機載通信設備進行測試。開展測試之前，針對試驗場進行校準，無屏蔽體時某一點的場強測試布置如圖2(a)所示，測試點發生變化時重新對測試點進行場校準。開展測試時保持電場探頭的位置不變，將機載通信設備屏蔽體放置到測試環境中，有屏蔽體的場強測試現場布置如圖2(b)所示。無特殊說明的情況下發射天線選擇垂直極化方式，入射方向為入射面1。最后將測試結果代入式(1)中，得到機載通信設備的電場屏蔽效能。由于機載通信設備的工作頻率為115～145 MHz，因此在測試與仿真的過程中頻率選擇100 MHz～1 GHz。

圖2 試驗現場布置圖Fig.2 Test site arrangement

2.2 機載通信設備的三維仿真模型

本節基于CST軟件按照1∶1的比例建立了機載通信設備屏蔽體的仿真模型，如圖3(a)所示。機載通信設備屏蔽體材料選取理想的金屬材料(PEC)，長、寬、高分別為36.5、19.0、18.8 cm，屏蔽體的厚度為0.02 cm，在屏蔽體的各個面設有不同的通風孔陣，其中入射面1的仿真模型如圖3(b)所示，方孔邊長為0.8 cm。仿真條件的設置與試驗設置保持一致。

圖3 三維仿真模型Fig.3 3D simulation model

在設備中心線上設置2個三維探頭，測試點要與試驗中電場探頭的位置保持一致。確保能夠與試驗結果進行對比，分析屏蔽效能隨頻率的變化趨勢，電場探頭的位置如圖4所示。

圖4 不同的電場探頭位置Fig.4 Different positions of electric field probe

3 測試結果分析

3.1 不同測試位置

保持入射方向為入射面1不變，利用試驗法與仿真計算法分別對測試點1和測試點2處的屏蔽效能進行分析。結果如圖5所示：仿真結果比測試結果的屏蔽效能大約高10 dB，且試驗結果中諧振頻率發生了偏移。由于仿真過程中屏蔽體材料設置的是理想導體，其屏蔽效能大于實際屏蔽體材料的屏蔽效能，并且實際試驗的屏蔽體存在壁耗，能夠降低諧振頻率，抑制諧振。同時，由于試驗環境、實際設備內部存在不可拆卸的元件等實際情況與仿真存在細微差別，導致仿真與實際測試結果有一定的差距。但是屏蔽效能隨頻率f的變化趨勢大致相同，說明仿真結果具有一定的指導作用。

圖5 不同測試點處的屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness at different test points

此外結果表明測試點2的屏蔽效能大于測試點1的屏蔽效能，即測試位置離孔縫越遠，其屏蔽效能越大。

3.2 不同入射面

通過觀察與分析得到，機載通信設備的各個面上存在不同的通風孔陣和貫通導體。因此，HIRF試驗分別從屏蔽體的4個面進行輻射，屏蔽體不同測試面的結構如圖6所示。測試點2的屏蔽效能試驗測試結果如圖7所示：從不同入射面輻射時機載通信設備的屏蔽效能變化趨勢是相同的，但是從入射面1和入射面4輻射時測試點的屏蔽效能相對較低，主要是由于入射面1上存在較多通風孔，以及入射面4上存在貫通導體導致機載通信設備的屏蔽效能降低。測試結果確定了設備在不同入射面輻射下的屏蔽效能，證明了入射面1上的通風孔陣與入射面4上的貫通導體是HIRF耦合的主要路徑。為機載通信設備屏蔽體的優化提供了方向。

圖6 不同入射面的結構Fig.6 Structure of different incident surfaces

圖7 不同入射面的屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of different incident surfaces

3.3 不同極化方式

通過改變發射天線的極化方式，分析測試點2 在不同的極化方式下屏蔽體屏蔽效能隨頻率的變化趨勢，入射方向為入射面1。結果如圖8所示：垂直極化下測試點2的屏蔽效能大于水平極化下的屏蔽效能。由于屏蔽材料采用復合材料，而復合材料存在各項異性，這種材料特性會對不同極化方式測試的屏蔽效能有較大的影響，因此垂直極化與水平極化下的屏蔽效能存在較大差異。

圖8 不同極化方向的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness in different polarization directions

4 屏蔽體的優化仿真分析

4.1 屏蔽體的優化

為了提高機載電子設備的屏蔽效能，針對HIRF耦合路徑進行屏蔽體優化。其中低通濾波器作為機載通信設備中的關鍵部件及距入射面4最近的電路模塊，對抑制HIRF耦合有較大的作用。因此選擇對屏蔽體上的通風孔陣以及內部的低通濾波器進行優化。

4.1.1 通風孔陣的優化

已有文獻研究表明圓形孔陣下腔體的屏蔽效能相對較高[25]，因此對于入射面1上通風孔陣的優化，選擇將正方形孔陣修改為圓形孔陣，同時由于小孔尺寸效應[26]選擇將單個孔的面積減小而總的孔陣面積(包括非鏤空部分的面積)保持不變，將每個邊長為8 mm的方孔改為直徑為4.5 mm 的圓形孔，修正后通風孔陣模型如圖9所示。與方形孔陣相比，圓形孔陣鏤空面積大約減少30 mm2，由于通風面積相差不大，因此對通風效果的影響可以接受。

圖9 優化后的通風孔陣模型Fig.9 Ventilation hole array model after optimization

4.1.2 低通濾波器的優化

低通濾波器的實物模型如圖10所示,長、寬、高分別為15.5、7.4、1.2 cm，屏蔽殼厚度為0.1 cm，模型上設有7個等間距、半徑為0.2 cm的圓形線纜接口，以及半徑為0.14 cm的圓形散熱孔陣。根據低通濾波器模塊在機載通信設備內的實際情況，將其放置到機載通信設備的屏蔽體相應位置上。

圖10 低通濾波器的實物模型Fig.10 Physical model of low-pass filter

在設備尖端處的電場通常比較大，為了減小這種現象，將低通濾波器仿真模型面與面之間相連的部分進行修正，修正后的低通濾波器仿真模型如圖11所示，圖中用虛線標出的是修正后的部分。

圖11 修正后的低通濾波器仿真模型Fig.11 Simulation model of modified low-pass filter

4.2 屏蔽效能仿真計算

4.2.1 通風孔陣優化仿真

基于CST三維仿真軟件利用平面波垂直輻照優化后的機載通信設備的入射面1。優化后測試點2的仿真結果與原模型結果對比如圖12所示。結果表明：在100～380 MHz范圍內屏蔽體的屏蔽效能明顯提高，大約增大15 dB。而850～900 MHz內屏蔽效能幾乎沒有發生變化。優化后設備屏蔽效能的整體變化趨勢是增大的，證明該優化是有效的，可為以后屏蔽體上通風孔陣的優化提供參考意見。

圖12 孔陣優化前后的模型屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness before and after hole array optimization

4.2.2 低通濾波器的優化仿真

利用平面波垂直輻照加入低通濾波器后的機載通信設備的入射面4。濾波器加入前后的機載設備在測試點2的屏蔽效能仿真結果如圖13所示。加入低通濾波器后的機載通信設備屏蔽效能明顯增大。

圖13 低通濾波器加入前后的機載設備屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of airborne equipment before and after adding low-pass filter

在屏蔽體內部加入低通濾波器，低通濾波器修正前與修正后的機載通信設備在測試點2的屏蔽效能仿真對比結果如圖14所示。結果表明：在100～1 000 MHz的頻率范圍內，低通濾波器結構修正后的屏蔽體的屏蔽效能相對于原始模型的屏蔽效能大約增大8 dB。因此在機載電子設備的設計初期可以增大其內部模塊尖端處的圓滑度，以達到優化的要求。

圖14 濾波器修正前后的模型屏蔽效能Fig.14 Shielding effectiveness before and after filter modification

5 結 論

本文利用外置輻射源完成了HIRF環境下機載通信設備的屏蔽效能的測試，可為以后HIRF環境下其他機載電子設備的測試提供依據。通過測試，獲得了機載通信設備的主要耦合通道。最后為屏蔽體不同耦合通道的優化提供了參考意見，并通過仿真驗證了優化方案的合理性。