復(fù)雜機(jī)體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能仿真分析

杜娟　李敏敏

[摘 ? ?要]飛機(jī)是一種十分常見的空中交通工具，為保證飛機(jī)使用安全必須對(duì)其結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)材料進(jìn)行嚴(yán)格挑選。除了基本的強(qiáng)度剛度控制，電磁輻射場超過安全限值，也會(huì)對(duì)人員、設(shè)備、燃油安全造成危害。結(jié)構(gòu)電磁屏蔽是利用導(dǎo)電體對(duì)電磁波的吸收、反射原理隔離電磁波由機(jī)體外部向內(nèi)部的輻射傳播?；诖耍疚闹塾陲w機(jī)蒙皮材料的屏蔽性能，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效能仿真問題進(jìn)行了研究，文中不僅對(duì)常見的飛機(jī)蒙皮材料進(jìn)行了概述，更對(duì)等效模型建立的理論進(jìn)行了分析，還論述了此類型材料的等效電磁參數(shù)測量與模型仿真，希望能為相關(guān)工作人員帶來參考。

[關(guān)鍵詞]飛機(jī)制造;復(fù)雜機(jī)體機(jī)構(gòu);電磁屏蔽;仿真模型

[中圖分類號(hào)]V214.8 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）05–00–03

Simulation Analysis of Electromagnetic Shielding Effectiveness of

Complex Airframe Structure

Du Juan， Li Min-min

[Abstract]Aircraft is a very common means of air transportation.In order to ensure the safety of the aircraft， its structure and production materials must be strictly selected.In addition to the basic strength and rigidity control， electromagnetic radiation field exceeding the safety limit will also cause harm to personnel， equipment， and fuel safety.Structural electromagnetic shielding is to use the principle of electromagnetic wave absorption and reflection by the conductor to isolate the electromagnetic wave from the outside to the inside of the body.Based on this， this article focuses on the shielding performance of aircraft skin materials， and studies the electromagnetic shielding effectiveness simulation of the airframe structure.The article not only provides an overview of common aircraft skin materials， but also the theory of equivalent model establishment.The analysis also discusses the equivalent electromagnetic parameter measurement and model simulation of this type of material， hoping to provide reference for relevant staff.

[Keywords]aircraft manufacturing;complex body mechanism;electromagnetic shielding;simulation model

蒙皮材料是飛機(jī)的第一重屏障，其自身的屏蔽性能將會(huì)直接影響飛機(jī)機(jī)艙的整體屏蔽性能，可以為飛機(jī)內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備與電纜的免干擾運(yùn)行提供保障。為了進(jìn)一步提高蒙皮材料與蒙皮結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，相關(guān)工作人員應(yīng)該以提高復(fù)雜機(jī)體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽性能為目標(biāo)，開展仿真研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 ?飛機(jī)蒙皮材料概述

通常來說，為保證飛機(jī)內(nèi)設(shè)備和電纜不受外力干擾，需要利用蒙皮材料來建立保護(hù)層。在這一環(huán)節(jié)，屏蔽性能將成為蒙皮材料選擇的首要因素?，F(xiàn)階段，世界先進(jìn)的飛機(jī)蒙皮之中，復(fù)合材料用量極高，已經(jīng)占據(jù)了全身結(jié)構(gòu)的60%～80%，甚至部分飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料使用率超過了90%。相比于傳統(tǒng)的純金屬材料，復(fù)合材料的耐疲勞性、耐腐蝕性更強(qiáng)，而且質(zhì)量也更輕，但這種材料也存在電磁屏蔽性能弱和電磁參數(shù)判斷不準(zhǔn)確的問題。

當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料（CFC）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）是最為常見的高性能飛機(jī)蒙皮材料，在使用環(huán)節(jié)具有質(zhì)量輕而成本低的特點(diǎn)。不過，此類型結(jié)構(gòu)的電磁特性和電磁屏蔽特性不明，所以為了進(jìn)一步加深對(duì)此類型材料的研究，也為了深化材料應(yīng)用，技術(shù)人員大多選擇使用建模仿真的方式對(duì)材料的電磁屏蔽性能進(jìn)行模擬。其中，最受人關(guān)注的方式就是等效建模技術(shù)。

2 ?等效模型建立的理論分析

為保證等效模型建立的合理性和電磁屏蔽效能仿真結(jié)果的可靠性，相關(guān)工作人員應(yīng)該先對(duì)等效模型建立的理論依據(jù)加以分析。

2.1 ?合理等效

大多數(shù)飛機(jī)的蒙皮機(jī)構(gòu)都是多層鋪層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是基于多層預(yù)浸料分層鋪設(shè)而成，其電磁性質(zhì)與各層預(yù)浸料的性質(zhì)息息相關(guān)，而且還與不同層次的預(yù)浸料鋪敷角度有關(guān)。通常，具有編織結(jié)構(gòu)的碳纖維預(yù)浸料屬于各向異性材料，編織結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，呈現(xiàn)明顯的橫豎編織特性[1]。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要確保飛機(jī)蒙皮性能，就必須對(duì)各層預(yù)浸料的方向加以調(diào)整，從而保障飛機(jī)蒙皮各方向都具備良好的機(jī)械性能和電磁性能。若基于800～15 MHz頻段對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行屏蔽性能測試，則可得出的結(jié)論為：當(dāng)碳纖維以垂直或交叉鋪層排布時(shí)，可在微波段近似等效為各向同性的良好導(dǎo)體。

在本次研究中，以某飛機(jī)典型蒙皮結(jié)構(gòu)為例。在結(jié)構(gòu)中，各層的鋪敷材料以及角度如下：（1）第1層為表面涂層，屬于各向同性材料。（2）第2層為環(huán)氧玻璃布預(yù)浸料，屬于各向同性材料。（3）第3層為銅網(wǎng)，屬于各向同性材料。（4）第4～12層為環(huán)氧碳布預(yù)浸料，他們屬于有各向異性的材料，所以以45°交叉鋪敷的形式制造出各方向電磁特性近似相同的局面。（5）第13層為環(huán)氧玻璃布預(yù)浸料，屬于各向同性材料。（6）第14層為表面涂層，屬于各向同性材料。基于此，我們可看出在案例所用的飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)中，通過優(yōu)選材料和有效鋪敷打造了材料整體性能呈現(xiàn)各向同性的局面，所以該結(jié)構(gòu)也能被等效為各項(xiàng)相同的良導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

2.2 ?等效參數(shù)計(jì)算

在實(shí)踐中，將蒙皮材料的等效復(fù)介電常數(shù)設(shè)定為，將等效復(fù)磁導(dǎo)率設(shè)定為，則可利用S參數(shù)反演計(jì)算上述數(shù)據(jù)。在這一環(huán)節(jié)，可用T來代表蒙皮材料試驗(yàn)體的自身傳輸系數(shù)，然后以代表試驗(yàn)體的一段反射系數(shù)，并以-代表另一端反射系數(shù)。若以空氣為同軸線內(nèi)的介質(zhì)，則被試驗(yàn)體之間的反射、透射系數(shù)以及被試驗(yàn)蒙皮材料同空氣間的反射、投射系數(shù)關(guān)系如圖1所示。

3 ?材料的等效電磁參數(shù)測量與模型仿真

目前，飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及性能在不斷優(yōu)化，機(jī)上裝備也在不斷豐富，大量先進(jìn)的電子設(shè)備被應(yīng)用在飛機(jī)之中。比如，電臺(tái)、導(dǎo)航系統(tǒng)、測高儀、雷達(dá)等。在這種情況下，電磁環(huán)境穩(wěn)定性成為了飛機(jī)運(yùn)行安全的重要影響因素。飛機(jī)使用過程中，一旦出現(xiàn)電磁干擾就容易引發(fā)飛機(jī)運(yùn)行失控，將會(huì)造成非常嚴(yán)重的不良影響。因此，在飛機(jī)生產(chǎn)環(huán)節(jié)首先要考慮的就是電磁干擾問題，要切實(shí)保證飛機(jī)的電磁兼容性，并且不斷提高機(jī)身的電磁屏蔽能力和抗干擾能力。在實(shí)踐中，相關(guān)工作人員往往選擇利用飛機(jī)蒙皮來保障飛機(jī)內(nèi)的電磁環(huán)境不受干擾，所以研究飛機(jī)蒙皮材料和機(jī)構(gòu)的電磁屏蔽性能就成為了相關(guān)工作人員的研究重點(diǎn)。為此，在飛機(jī)蒙皮研究環(huán)節(jié)，必須做好飛機(jī)蒙皮材料屏蔽效能的仿真和實(shí)測。

3.1 ?等效電磁參數(shù)測量

基于高溫高壓方式加工不同鋪層可制作出飛機(jī)蒙皮，但被試件的參數(shù)將會(huì)直接影響材料質(zhì)量和測試精度。比如，被試件過小就容易導(dǎo)致材料邊緣損傷，進(jìn)而影響測試精度。而且，在本次研究中被試件中還包括2.75 mm邊長的六邊形銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)。因此，在本次研究中將以大同軸腔的方式來測量傳輸系數(shù)與反射系數(shù)。

在測量環(huán)節(jié)，將會(huì)基于Vector Network Analyzer（VNA）來進(jìn)行操作。Vector Network Analyzer就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，它是一種可用于測試電磁波能量的硬件設(shè)施。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，這種設(shè)備不僅能完成單端口或兩端口網(wǎng)絡(luò)陳述幅值的測量，更能對(duì)相位進(jìn)行測量，還可通過史密斯圓圖來顯示測試數(shù)據(jù)[2]。當(dāng)然，在測量傳輸系數(shù)和反射系數(shù)時(shí)，除了要做好VNA型號(hào)選定，還需要自制同軸夾具和電纜。經(jīng)過測量，獲得飛機(jī)蒙皮反射系數(shù)以及投射技術(shù)的幅值和相位以后，可基于電磁參數(shù)反演計(jì)算結(jié)果獲得測試材料的等效介電常數(shù)以及等效磁導(dǎo)率。在這一環(huán)節(jié)，可用公式如下：（1）;（2），其中為等效介電常數(shù)、為等效磁導(dǎo)率。

3.2 ?等效模型仿真

基于反演計(jì)算結(jié)果，可構(gòu)建飛機(jī)蒙皮等效模型。在這一環(huán)節(jié)，我們將飛機(jī)蒙皮等效為一種單層屏蔽結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)的特性就是其電磁參數(shù)會(huì)跟隨頻率變化而變化。那么，為有效建立等效模型，相關(guān)工作人員需要合理選擇仿真軟件。比如，基于High Frequency Structure Simulator（HFSS）軟件建立等效仿真模型。這種軟件是一種可靠性高、仿真精度強(qiáng)、仿真速度快且界面操作便捷的三維電磁仿真軟件，用它來建立飛機(jī)蒙皮的等效模型十分可行。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，可采用主從邊界建模方式，對(duì)TEM波入射無線大蒙皮帶材料的屏蔽效能進(jìn)行模擬。基于已建立的等效仿真模型，相關(guān)工作人員可以對(duì)其掃頻信息進(jìn)行設(shè)置。比如，分別以300 MHz和1500 MHz為起始和終止頻點(diǎn)，并將掃頻間隔設(shè)定為1 MHz。在這種條件之下，HFSS軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)將發(fā)揮巨大的實(shí)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的有效分析和仿真，從而讓相關(guān)工作人員得到模型屏蔽效能的仿真結(jié)果。

3.3 ?屏蔽效能的仿真與實(shí)測對(duì)比

在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員需要根據(jù)實(shí)際需求和技術(shù)應(yīng)用要求來搭建飛機(jī)蒙皮材料屏蔽效能測試平臺(tái)。在此環(huán)節(jié)，應(yīng)選用包含圓錐形內(nèi)腔的法蘭同軸裝置，而且所用同軸裝置的內(nèi)部還應(yīng)該具有模擬空氣中遠(yuǎn)場平面波的能力，這樣才可以用于開展飛機(jī)蒙皮材料屏蔽效能測試。在實(shí)踐中，操作人員應(yīng)該將飛機(jī)蒙皮材料放入同軸腔體的內(nèi)部，然后基于不同的反應(yīng)和設(shè)備完成測試。此時(shí)，被放入內(nèi)腔的飛機(jī)蒙皮材料，會(huì)受到其中的電磁波干擾，而出現(xiàn)多次熱損耗和反射衰減，這樣會(huì)引起電磁波阻抗失配[3]。在出現(xiàn)這種情況以后，測量人員需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來開展進(jìn)一步測量，此時(shí)應(yīng)利用該設(shè)備基于入射電磁波和被試蒙皮材料的電磁波信息，來完成疲敝效能的最終測量。如圖2所示，為這一過程中的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對(duì)比情況。當(dāng)處于300～1500 MHz頻段內(nèi)的時(shí)候，飛機(jī)蒙皮材料的仿真模型屏蔽效能測試結(jié)果是準(zhǔn)確的，仿真與實(shí)測結(jié)果的誤差被控制在1 dB以內(nèi)，說明仿真模型具有正確性。

4 ?結(jié)語

總而言之，對(duì)飛機(jī)的復(fù)雜蒙皮結(jié)構(gòu)電磁屏蔽性能加以研究，可以為提高飛機(jī)制造水平奠定基礎(chǔ)。在此環(huán)節(jié)，可應(yīng)用小尺寸的規(guī)則蒙皮材料來充當(dāng)仿真模型，為研究大尺寸飛機(jī)的蒙皮材料性能以及結(jié)構(gòu)提供輔助?；谶@種仿真模型，可以對(duì)飛機(jī)整體屏蔽效能進(jìn)行仿真，對(duì)優(yōu)化飛機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)實(shí)用性都具有極高的參考價(jià)值。

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