電磁數(shù)值計(jì)算方法在民機(jī)HIRF防護(hù)中的應(yīng)用

謝羽晶

摘 要：該文首先介紹了高強(qiáng)度輻射場(chǎng)（HIRF）防護(hù)的必要性，之后闡述了民機(jī)HIRF環(huán)境驗(yàn)證分析方法，具體描述了仿真分析中電磁數(shù)值計(jì)算方法的基本原理，最后運(yùn)用這些方法對(duì)飛機(jī)EE艙中的場(chǎng)強(qiáng)和線(xiàn)纜上的電流進(jìn)行仿真，并與實(shí)際試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，為飛機(jī)機(jī)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(cè)試提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：HIRF 仿真 電磁數(shù)值

中圖分類(lèi)號(hào)：V219 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0024-02

民用飛機(jī)HIRF環(huán)境源于雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、廣播電視發(fā)射臺(tái)和其他地面、船舶或機(jī)載射頻發(fā)射機(jī)，是由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的電磁環(huán)境問(wèn)題。隨著飛機(jī)上執(zhí)行關(guān)鍵功能的傳統(tǒng)機(jī)電控制及指示系統(tǒng)逐漸被電子/電氣系統(tǒng)所取代；同時(shí)，復(fù)合材料在飛機(jī)上越來(lái)越多的使用，飛機(jī)對(duì)電磁環(huán)境的屏蔽效能越來(lái)越差，這些都要求飛機(jī)上的電子/電氣系統(tǒng)自身對(duì)電磁環(huán)境的耐受能力越來(lái)越強(qiáng)，進(jìn)行飛機(jī)的HIRF防護(hù)對(duì)飛機(jī)的安全運(yùn)行有著重大意義[1]。

1 民機(jī)HIRF環(huán)境驗(yàn)證分析方法

在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中，對(duì)于飛機(jī)暴露在正常HIRF環(huán)境時(shí)有一定的驗(yàn)證和分析方法，包括試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)設(shè)計(jì)前期使用，用來(lái)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)中的不足之處，降低風(fēng)險(xiǎn)。電磁仿真在分析問(wèn)題上有許多優(yōu)勢(shì)，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(jī)上任意位置分析其電磁特性，能提供比測(cè)試豐富得多的信息。

2 電磁數(shù)值計(jì)算方法概述

電磁學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法有很多，可分為頻域法和時(shí)域法兩種。頻域法有矩量法，有限元法，物理光學(xué)法等，而時(shí)域法可分為時(shí)域有限差分法，傳輸線(xiàn)法，有限積分法等。在飛機(jī)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(jì)算方法。根據(jù)不同計(jì)算方法的特點(diǎn)，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(jì)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(guò)計(jì)算機(jī)求解矩陣方程的方法。矩量法的步驟可分為3個(gè)過(guò)程：將積分方程的未知函數(shù)用一組基函數(shù)的線(xiàn)性組合表示，再選取一組線(xiàn)性無(wú)關(guān)的權(quán)函數(shù)，將權(quán)函數(shù)與積分方程進(jìn)行內(nèi)積，這樣就將積分方程化為了矩陣方程，最后對(duì)矩陣求逆，就能得到解[2]。矩量法在求解時(shí)，收斂的速度很快，但是計(jì)算量卻很大，需要的存儲(chǔ)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(chǔ)量和計(jì)算量。用快速多極子算法可以求解的未知量個(gè)數(shù)，遠(yuǎn)大于用傳統(tǒng)矩量法所能求解的未知量個(gè)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(jìn)，逐層進(jìn)行聚集、轉(zhuǎn)移、發(fā)散[3]。聚集是將給定的各個(gè)非相鄰組內(nèi)所有子散射體產(chǎn)生的貢獻(xiàn)聚合到場(chǎng)的中心，轉(zhuǎn)移是指將這個(gè)聚集后的場(chǎng)轉(zhuǎn)移到指定場(chǎng)的中心，最后將這些貢獻(xiàn)發(fā)散到該組的各個(gè)子散射體。

物理光學(xué)法在超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射特性研究很有用。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，如果采用矩量法或快速多極子算法，所需的存儲(chǔ)空間和計(jì)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(jì)算中忽略了目標(biāo)的拐角和彎曲等形狀，這一近似給復(fù)雜目標(biāo)電磁散射計(jì)算帶來(lái)了極大的靈活性，將復(fù)雜目標(biāo)表面用簡(jiǎn)單形狀的多邊形組合來(lái)逼近，雖然它的計(jì)算精度不高，但它的求解過(guò)程很快，所需內(nèi)存也很少。

3 飛機(jī)HIRF仿真應(yīng)用

首先計(jì)算HIRF場(chǎng)照射下，機(jī)艙內(nèi)部的場(chǎng)的耦合特性。在此選用FECO軟件作為電磁仿真軟件。入射場(chǎng)從飛機(jī)側(cè)面水平照射，入射方向與飛機(jī)軸向垂直，電場(chǎng)方向平行于飛機(jī)軸向，入射場(chǎng)的幅值為1 V/m。以某型飛機(jī)EE艙作為測(cè)試艙室，在中部選取一個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，并在100 MHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)共選擇了16個(gè)頻點(diǎn)，得到仿真結(jié)果。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由圖1可得，兩個(gè)結(jié)果是接近的，說(shuō)明數(shù)值仿真結(jié)果是可信的。

接著計(jì)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(chǎng)進(jìn)行仿真，從1～400 MHz共選取了17個(gè)頻點(diǎn)。每條線(xiàn)纜都進(jìn)行了兩種方式的測(cè)量：一種在線(xiàn)纜兩端接上50 Ω匹配負(fù)載；另一種為不加負(fù)載，測(cè)量點(diǎn)為線(xiàn)纜的兩個(gè)端點(diǎn)，即一共能得到8條曲線(xiàn)。線(xiàn)纜上耦合電流仿真值與電纜測(cè)試值傳輸函數(shù)對(duì)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(shí)測(cè)值小，其他頻率范圍內(nèi)仿真的結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。經(jīng)過(guò)分析，該誤差產(chǎn)生的原因，是由于實(shí)際測(cè)試時(shí)，電磁場(chǎng)是按照混響室的方式測(cè)試的，與仿真狀態(tài)有差異。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以HIRF對(duì)飛機(jī)以及飛機(jī)內(nèi)各種設(shè)備的影響為主要背景，介紹了飛機(jī)HIRF電磁仿真采用的數(shù)值方法，并運(yùn)用商用軟件FECO對(duì)某型飛機(jī)的EE艙室和線(xiàn)纜進(jìn)行仿真計(jì)算，該結(jié)果對(duì)HIRF環(huán)境下機(jī)艙內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布、不同線(xiàn)纜上的耦合電流的仿真有一定指導(dǎo)意義，為飛機(jī)機(jī)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(cè)試提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐建華.飛機(jī)研制的新要求——談高強(qiáng)度輻射場(chǎng)（HIRE）防護(hù)[J].國(guó)際航空，2007（11）：65-66.

[2] R·F·Harrington，著.計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法[M].王爾杰，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

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