基于CST的金屬腔體電磁環(huán)境仿真分析

瞿丹，陳瑜，樊友文

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基于CST的金屬腔體電磁環(huán)境仿真分析

瞿丹1，陳瑜2，樊友文1

（1. 武漢第二船舶設(shè)計研究院，武漢 430064；2. 海軍駐第二船舶設(shè)計研究院軍事代表室，武漢 430064）

本文將CST電磁仿真軟件應(yīng)用于金屬腔體電磁兼容問題的研究中，利用該軟件構(gòu)建物理模型，并對金屬腔體內(nèi)的電磁環(huán)境進行仿真計算。仿真結(jié)果與理論計算、實測數(shù)據(jù)吻合較好，為金屬腔體電磁環(huán)境的預(yù)測和評估提供了有效的依據(jù)，可以作為相關(guān)工程應(yīng)用參考。

發(fā)射源 電磁環(huán)境 CST仿真

0 引言

隨著新型船舶綜合性能和作戰(zhàn)能力的提高，武器裝備的現(xiàn)代化電子、電氣設(shè)備數(shù)量增加，造成了船舶的電磁環(huán)境異常惡劣[1]。船舶內(nèi)空間有限，電纜眾多，密集分布了各種大功率發(fā)射設(shè)備，這些發(fā)射源可能會通過空間輻射、電網(wǎng)傳導(dǎo)以及電纜耦合的方式對高靈敏度接收設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，從而產(chǎn)生設(shè)備、系統(tǒng)間的電磁兼容問題[2]。

目前解決金屬腔體電磁兼容問題的方法主要有理論計算、電磁兼容測試、電磁仿真技術(shù)等。理論計算是運用電磁場基本理論，采用電磁計算方法的數(shù)值算法包括矩量法、時域有限差分法、有限元法、幾何繞射理論等精確求解電磁輻射或散射問題，這種方法適合一些簡單或比較經(jīng)典的問題，因此具有很大的局限性[3]。電磁兼容測試是以相關(guān)標準為依據(jù)，檢測各設(shè)備、系統(tǒng)之間的電磁兼容性，通過這種方法能夠獲取精確的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，但是成本高，需要投入大量的人力和物力[4]。電磁仿真技術(shù)是采用計算機技術(shù)和現(xiàn)代電磁學(xué)方法實現(xiàn)電磁兼容仿真，是近年來開展船舶電磁兼容問題研究的重要手段和方法[5]。

1 電磁仿真技術(shù)

電磁仿真技術(shù)興起于上世紀九十年代，在船舶應(yīng)用領(lǐng)域，以美國海軍海上系統(tǒng)司令部與海軍指揮、控制和海洋監(jiān)測中心試制部以及洛克威爾國際構(gòu)思聯(lián)合開發(fā)研制的船舶電磁設(shè)計平臺——“Ship EDF”（Ship Electromagnetic Design Frame）是目前具有代表性的數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)[6]。繼美國之后，俄羅斯、德國、英國、法國、南非等也開展了這方面的研究工作，并開發(fā)了電磁仿真的商業(yè)軟件，其中主要有南非EMSS公司的FEKO、EMC專用的EMC Studio，以及德國Computer Simulation Technology公司的CST.

CST軟件擁有時域有限積分法、有限元法、矩量法和多層快速多極子法等多種數(shù)值算法，包括微波工作室、電纜工作室、MS工作室等8個工作室，能夠有效的仿真電場、磁場、電纜耦合電流、機柜輻射等電磁環(huán)境參數(shù)，從而適用于解決電磁兼容問題[7]。

本文首次將CST電磁仿真軟件應(yīng)用于金屬腔體電磁兼容問題的研究中，在該軟件環(huán)境下建立典型金屬腔體的物理模型，并構(gòu)建射頻發(fā)射源、帶孔縫機柜、以及電纜等干擾要素和途徑，采用場路結(jié)合的方法對電磁環(huán)境進行了仿真計算，仿真結(jié)果與理論計算、實測數(shù)據(jù)基本符合。在實際工程應(yīng)用中，利用該方法將有助于全面掌握金屬腔體內(nèi)的電磁兼容環(huán)境，及早發(fā)現(xiàn)總體電磁兼容設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，解決傳統(tǒng)設(shè)計方法帶來的“過設(shè)計”和“欠設(shè)計”問題。

2 物理建模

物理模型是電磁兼容仿真分析的基礎(chǔ)，為使計算網(wǎng)格下降，減小計算量，建模過程需要對設(shè)備或系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸及特征進行簡化和等效處理，因此本文以一種簡單模型模擬典型的金屬腔體電磁環(huán)境，包括金屬腔體、干擾發(fā)射源、電纜、機箱等干擾要素和耦合途徑。如圖1所示是在CST微波工作室中進行建模得到的金屬腔體的物理模型。

干擾發(fā)射源一般是無意發(fā)射源，是電氣、電子設(shè)備工作時產(chǎn)生的伴隨電磁輻射干擾。在電磁仿真中需要將這種潛在的輻射干擾特性提取出來，建立準確的輻射模型。許多情況下沒有真實的源模型，而是采用理想的源，如點源、平面波等，本文采用射頻點發(fā)射源S1、S2來模擬干擾源。

耦合途徑是產(chǎn)生電磁干擾問題的必要條件之一，本文的模型中耦合途徑主要有電磁輻射和電纜耦合兩種方式，電磁輻射是通過兩個發(fā)射源S1、S2向金屬腔體空間輻射電磁波，電纜耦合是兩條電纜1和2之間的耦合干擾，整個金屬腔體的電磁環(huán)境是由發(fā)射源、電纜、機箱等產(chǎn)生的綜合效應(yīng)的結(jié)果。

圖1中，以左下角的頂點作為原點O建立整個金屬腔體模型，金屬腔體的尺寸為556 cm×628 cm×350 cm；機箱位于金屬腔體內(nèi)正后方，其中心點坐標為（278，523，125），尺寸為70 cm×45 cm×23 cm，殼體厚度為1 mm，具有孔縫結(jié)構(gòu)，孔分別位于兩端面中心處，孔徑3cm，縫隙位于箱體上表面，寬度0.5 cm，其內(nèi)部細節(jié)圖如圖2所示；發(fā)射源S1和S2為有意發(fā)射干擾源，S1位于機箱外部正前方150 cm處，S2位于機箱內(nèi)部中心處，兩發(fā)射源以點源方式輻射電磁波，發(fā)射頻率均為13.56 MHz，功率均為1W；金屬腔體內(nèi)敷設(shè)兩束電纜1和2，均為兩芯平行電纜，單芯截面為1平方毫米，兩電纜平行部分同位于金屬腔體XY平面內(nèi)，高度為80 cm，間距為5 cm，與金屬腔體ZY平面的距離為50 cm，與金屬腔體XZ平面的距離為450 cm，其中電纜1終端穿過機箱內(nèi)部，與發(fā)射源S2靠近，電纜2終端與金屬腔體地面接觸，電纜的橫切面如圖3所示。

圖1 金屬腔體場景模擬

圖2 機箱內(nèi)部細節(jié)圖

3 仿真分析

3.1 理論計算

對于全封閉金屬腔體（內(nèi)尺寸6.28 m×5.56 m×3.5 m），由矩形諧振腔諧振頻率計算公式[8]

其中：m、n、l分別表示場量沿坐標軸變化的半個正弦波的數(shù)量；a、b、d分別代表金屬腔體的各邊長。

可以通過公式得到金屬腔體本身的最低諧振頻率為

其他低于100 MHz的諧振頻率為

101?48.4 MHz111?55.3 MHz

011?50.2 MHz211?70.9 MHz

221?82.7 MHz121?72.3 MHz

102?64.3 MHz120?58.5 MHz

112?69.7 MHz311?85.9 MHz

310?74.7 MHz220?70.1 MHz

130?83.7 MHz131?94 MHz

……

3.2 仿真結(jié)果

在CST設(shè)計工作室構(gòu)建電路，電纜1兩端均接入50 Ω負載，兩端接地；電纜2源端短接，終端接入10 Ω負載，兩端接地。設(shè)置仿真頻段為0～100 M，網(wǎng)絡(luò)大小為1/70波長，邊界條件為open邊界（自由空間），利用TLM頻域求解器對模型進行場路協(xié)同仿真，分別在金屬腔體中心處、機箱中心處、機箱前1m處、機柜前方靠近電纜處、金屬腔體角落處設(shè)置探針。如圖4、5所示為金屬腔體中心點位置的電磁場仿真結(jié)果，圖6為電纜1和2感應(yīng)電流的仿真結(jié)果，表1是仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比（在基波13.56 MHz頻點處）。

圖4 金屬腔體中心點電場

圖5 金屬腔體中心點磁場

圖6 電纜1和2感應(yīng)電流

表1 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

由于發(fā)射源S1和S2基波的旁瓣作用，導(dǎo)致金屬腔體產(chǎn)生諧振。圖4中金屬腔體中心點電場仿真得到的諧振頻率49.16 M、54.8 M、58 M、64 M、73.26 M、83.56 M、85.9 M與理論計算的諧振頻率f101(48.4 M)、f111(55.3 M)、f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f121(72.3 M)、f130(83.7 M)、f311(85.9 M)較為符合；圖5中金屬腔體中心點磁場仿真得到的諧振頻率58.7 M、62.8 M、68.9 M、83 M與理論計算的諧振頻率f120(58.5 M)、f102(64.3 M)、f112(69.7 M)、f130(83.7 M)基本符合；表1中在基波（13.56 MHz）頻點處的仿真結(jié)果與實測結(jié)果的誤差在6 dB范圍內(nèi)。

以上數(shù)據(jù)說明仿真結(jié)果與理論計算、實測結(jié)果具有較好的一致性，從而證明了仿真方法的準確性、有效性及可行性。

4 結(jié)語

本文采用CST電磁仿真軟件，對金屬腔體內(nèi)電子電氣設(shè)備、天線、電纜等進行簡化，構(gòu)建電磁模型，通過電路仿真與電磁場仿真相結(jié)合的方法得到較為準確和快速的結(jié)果。該方法在處理更加復(fù)雜的金屬腔體電磁兼容問題，尤其是場路結(jié)合的系統(tǒng)和總體級問題，具有較大的優(yōu)勢，可為船舶電磁環(huán)境的預(yù)測和評估提供有效的依據(jù)。

[1] 邵開文, 馬運義. 艦艇技術(shù)與設(shè)計概論. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[2] V. Prasad Kodali著. 陳淑鳳等譯. 工程電磁兼容. 人民郵電出版社, 2006. 10

[3] 雷靜, 黃濤. 艦艇艙室復(fù)雜環(huán)境電磁兼容技術(shù)研究[J]. 艦艇電子工程, 2007, (05)

[4] 喻菁, 李晶等. 艦艇電磁環(huán)境特性研究[J]. 艦艇科學(xué)技術(shù), 2007, (06)

[5] 黃松高等. 艦艇電磁仿真技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 微波學(xué)報, 2010. 8

[6] 王峰. 艦艇電磁兼容仿真技術(shù)總體結(jié)構(gòu)及驗證技術(shù)研究. 武漢理工大學(xué), 2006. 4

[7] 張敏等. CST軟件教程. 德國CST公司出版, 2011. 5

[8] 沈熙寧. 電磁場與電磁波. 科學(xué)出版社, 2006. 2.

Electromagnetic Environment Simulation for the Cabin Based on CST Software

Qu Dan1, Chen Yu2, Fan Youwen1

（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office of Ship Design Institute, Wuhan 430064, China)

TP391.9 TM15

A

1003-4862（2014）10-0066-04

2014-04-08

瞿丹（1986-），女，碩士研究生。研究方向：電磁兼容試驗與研究。