葛文慧，范 翠

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

短波通信作為空-空、空-地通信的主要手段之一，具有通信距離遠(yuǎn)、運(yùn)行成本低且不受網(wǎng)絡(luò)中繼制約的特點(diǎn)。目前國內(nèi)直升機(jī)上基本都加裝了短波電臺(tái)，但短波電臺(tái)的發(fā)射功率比較大，短波發(fā)射天線所產(chǎn)生的近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到幾百伏/米，短波電臺(tái)安裝到直升機(jī)后，出現(xiàn)了不同程度的電磁干擾問題。

本文針對(duì)某型直升機(jī)的電磁干擾問題，即發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯示器上發(fā)動(dòng)機(jī)T4溫度、TRQ扭矩、FR燃油壓力數(shù)據(jù)跳變，故障燈盒上旋翼轉(zhuǎn)速燈亮及耳機(jī)內(nèi)誤告警，油量表示數(shù)跳變等，采用電磁仿真軟件對(duì)機(jī)載短波天線在設(shè)備艙和線纜通道的近場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算仿真，結(jié)合仿真結(jié)果，分析了干擾原因并提出了解決措施，通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該措施的有效性。

1 基于矩量法的短波天線近場(chǎng)求解

矩量法是電磁數(shù)值計(jì)算中常用的方法之一[2-4]，為了使所研究的問題更具有普遍性，我們考慮下列算子方程：

L(f)=g

(1-1)

式中，L是線性算子，g是已知的源函數(shù)，f是未知函數(shù)。f和g是定義在不同的函數(shù)空間F和G上的，算子L將F空間內(nèi)的函數(shù)映射到G空間上。為獲得式(1-1)的數(shù)值解，將f在L的定義域內(nèi)展開成f1、f2，…，fn的線性組合，即：

(1-2)

式(1-2)中，an是待求解的標(biāo)量系數(shù)，fn為展開函數(shù)或基函數(shù)。如果N→∞且{fn}是完備集，則式(1-2)是精確的。由于計(jì)算機(jī)容量的有限性，N必須是有限的。此時(shí)，式(1-2)的右邊項(xiàng)是待求函數(shù)的近似解，N越大越近似。將式(1-2)代入式(1-1)，可以得到：

(1-3)

上述方程定義在空間G內(nèi)。為了求解式(1-3)以確定未知系數(shù)an，將式(1-3)在N個(gè)矢量w1,w2,w3,…,wn上進(jìn)行投影，則式(1-3)將轉(zhuǎn)化為矩陣方程。如果N→∞且{wn}是完備集，則此矩陣與式(1-3)完全等價(jià)；如果N為有限，則此矩陣是式(1-3)在G的子空間上的投影。

上述步驟即為矩量法的基本出發(fā)點(diǎn)。

在矩量法中，矢量f在w上的投影定義為f與w的內(nèi)積：

(1-4)

則式(1-3)的近似形式可以寫成：

(1-5)

式(1-5)可以簡(jiǎn)潔地寫為矩陣方程：

ZI=V

(1-6)

再對(duì)Z求逆運(yùn)算，可得:

I=(Z-1)V

式中：Z為阻抗矩陣，V為電壓矩陣，I為所求的電流，從而得到電流分布，進(jìn)而求出場(chǎng)強(qiáng)值。

對(duì)線天線電流分布問題建立幾分方程，進(jìn)行求解。在外場(chǎng)Ei的照射下，導(dǎo)體S上感應(yīng)出的電荷密度為σ，電流密度Js,而感生電荷和電流又會(huì)產(chǎn)生散射場(chǎng)，如下所示：

(1-7)

(1-8)

(1-9)

2 短波天線自由空間的近場(chǎng)分布

2.1 短波天線建模

短波天線形式為線天線[5-6]，長度5740mm，工作頻段為2～30MHz。根據(jù)近場(chǎng)劃分條件公式r=2L2/λ[1],L為短波天線長度，可得天線分布半徑r=0.439m～6.589m。

短波天線及短波天線自由空間近場(chǎng)區(qū)域(2000*800*2000mm3)模型見圖1。

圖1 短波天線模型及自由空間近場(chǎng)區(qū)域

2.2 短波天線自由空間近場(chǎng)電磁環(huán)境

短波天線自由空間，在水平面(xoy面)不同頻率的電磁環(huán)境分布情況如圖2所示。

2.3 結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可看出，短波線天線饋源端附近近場(chǎng)電場(chǎng)值較大，達(dá)到幾百伏/米的數(shù)量級(jí)，且隨頻率升高逐漸減小。在機(jī)載短波電臺(tái)天調(diào)處，若天線饋線未做好屏蔽措施，機(jī)體內(nèi)部的天線饋線會(huì)以短波天線形式輻射能量，其在機(jī)體內(nèi)部的輻射近場(chǎng)電場(chǎng)值將會(huì)較大，足以造成附近設(shè)備敏感。

圖2 短波天線自由空間近場(chǎng)電磁環(huán)境

3 機(jī)載短波天線近場(chǎng)分布

3.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

以某型直升機(jī)為仿真模型。機(jī)載短波天線電磁仿真注重外形尺寸與波長相同量級(jí)尺寸的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這些區(qū)域會(huì)對(duì)電磁波傳導(dǎo)產(chǎn)生諧振效應(yīng)、腔體效應(yīng)和互調(diào)效應(yīng)等影響。一些金屬結(jié)構(gòu)物會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)而產(chǎn)生二次輻射，風(fēng)擋玻璃為非金屬材料，考慮二次輻射，不可以作為金屬部件進(jìn)行仿真，模型中刪除風(fēng)擋玻璃。

建立好模型之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其分割為有限個(gè)單元。網(wǎng)格劃分得越密越好，但實(shí)際操作起來，通常將剖分密度控制在每波長8～10個(gè)網(wǎng)格。在2MHz～30MHz短波頻段范圍內(nèi)用邊長不超過1/10波長的近似等邊三角形來模擬目標(biāo)在不同頻率下的真實(shí)導(dǎo)電表面，通過計(jì)算每個(gè)面元上的表面電流分布，求得近區(qū)電參數(shù)。電磁仿真幾何模型見圖3。

圖3 電磁仿真幾何模型

3.2 計(jì)算區(qū)域劃分

參考機(jī)上設(shè)備的安裝位置及線纜走向，計(jì)算直升機(jī)4個(gè)不同區(qū)域的近場(chǎng)電磁環(huán)境，其中區(qū)域1、2為設(shè)備艙區(qū)域，區(qū)域3、4為線纜通道區(qū)域；近場(chǎng)計(jì)算區(qū)域如圖4所示。

3.3 機(jī)載短波天線近場(chǎng)電磁環(huán)境

發(fā)射功率為100W，計(jì)算頻率為10MHz、20MHz、30MHz時(shí)，4個(gè)不同區(qū)域的近場(chǎng)電磁環(huán)境，仿真結(jié)果見圖5-圖7。

3.4 結(jié)果分析

短波天線裝機(jī)后由于機(jī)體結(jié)構(gòu)遮擋等因素造成設(shè)備安裝及線纜通道區(qū)域各處近場(chǎng)電場(chǎng)值隨頻率不同而分布不同。在進(jìn)行設(shè)備布局及線纜布線時(shí)可根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合其他安裝要求選擇電場(chǎng)值相對(duì)較小的位置進(jìn)行布置，盡量減少潛在的電磁干擾問題。

圖4 近場(chǎng)計(jì)算區(qū)域示意圖

圖5 頻率為10MHz時(shí)，4個(gè)區(qū)域的近場(chǎng)分布圖

圖6 頻率為20MHz時(shí)，4個(gè)區(qū)域的近場(chǎng)分布圖

圖7 頻率為30MHz時(shí)，4個(gè)區(qū)域的近場(chǎng)分布圖

4 原因分析及解決措施

從第3.3節(jié)的仿真結(jié)果看出，區(qū)域1的近場(chǎng)電磁環(huán)境最惡劣，而發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集器的安裝位置在區(qū)域1，且短波電臺(tái)天線的饋線是普通屏蔽線，存在以短波天線形式輻射能量的可能，加劇了電磁環(huán)境的惡劣程度。

由于該型號(hào)已進(jìn)入試飛階段，重新進(jìn)行設(shè)備安裝布置不易實(shí)現(xiàn)，只能通過電磁屏蔽加固的方式來增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力。采用在線纜外套防波套和設(shè)備端增加濾波插頭的方式進(jìn)行電磁屏蔽加固后，經(jīng)地面電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證，電磁干擾的程度顯著降低。

5 結(jié)束語

目前直升機(jī)上基本都配備短波電臺(tái)，由于短波電臺(tái)功率大，短波天線輻射范圍廣，短波電臺(tái)對(duì)其他電子設(shè)備均存在不同程度的電磁干擾。文章通過選取直升機(jī)不同的區(qū)域，通過仿真，計(jì)算出天線在不同區(qū)域的近場(chǎng)電磁環(huán)境，分析了干擾原因。

根據(jù)本文的分析結(jié)果，建議在后續(xù)型號(hào)研制過程中，將機(jī)載短波天線近場(chǎng)電磁環(huán)境仿真結(jié)果作為設(shè)備安裝布局的參考依據(jù)，以減少直至消除短波電臺(tái)對(duì)其他電子設(shè)備潛在的干擾，提高整機(jī)的電磁兼容性，避免后期出現(xiàn)顛覆性設(shè)計(jì)問題，縮短型號(hào)研制周期。