《電子技術(shù)應(yīng)用》
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飛機(jī)客艙的屏蔽效能研究
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第10期
林志斌,顧長青,王 斌
(南京航空航天大學(xué),,江蘇 南京 210016)
摘要: 功率平衡法的網(wǎng)絡(luò)化公式是以電磁拓?fù)鋵W(xué)和統(tǒng)計(jì)電磁學(xué)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種電大尺寸系統(tǒng)電磁效應(yīng)的系統(tǒng)級評估方法,。利用全波仿真的方法驗(yàn)證了功率平衡法的可行性,在此基礎(chǔ)上,,對波音747-8客艙的品質(zhì)因數(shù)和屏蔽效能進(jìn)行了評估,。該方法具有快速便捷和適用范圍廣的特點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

  摘  要功率平衡法的網(wǎng)絡(luò)化公式是以電磁拓?fù)鋵W(xué)和統(tǒng)計(jì)電磁學(xué)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種電大尺寸系統(tǒng)電磁效應(yīng)的系統(tǒng)級評估方法,。利用全波仿真的方法驗(yàn)證了功率平衡法的可行性,,在此基礎(chǔ)上,對波音747-8客艙的品質(zhì)因數(shù)和屏蔽效能進(jìn)行了評估,。該方法具有快速便捷和適用范圍廣的特點(diǎn),。

  關(guān)鍵詞: 功率平衡法;平均耦合截面積,;平均品質(zhì)因數(shù),;屏蔽效能

0 引言

  對于電子系統(tǒng)中電磁兼容性問題的分析,理論上可以采用全波仿真的方法,,如FDTD,、MOM和FEM等。但是這些確定性方法并不能恰當(dāng)?shù)胤治鲈谕獠侩姶怒h(huán)境下復(fù)雜的電大系統(tǒng)的高頻響應(yīng)問題,,其最主要原因是龐大的計(jì)算成本和高頻響應(yīng)的高靈敏度所產(chǎn)生的不確定性,。因此,從系統(tǒng)級評估的角度提出新的方法來解決這類問題的電磁性能的預(yù)測和評估是非常必要的,。

  1994年,,HILL D A等人在統(tǒng)計(jì)概念的基礎(chǔ)上提出了功率平衡法(PWB),用來解決腔體的高頻響應(yīng)問題[1],。后來,,JUNQUA J I等人結(jié)合電磁拓?fù)涓拍顚⑵浒l(fā)展成為簡單的網(wǎng)絡(luò)化估算方法,用于估算高頻輻射干擾情況下復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的電磁能量[2],。該方法應(yīng)用的前提條件是:(1)與輻射干擾的電磁波的波長相比,,所考慮的系統(tǒng)要足夠大;(2)腔體內(nèi)部任意位置的電磁場是該位置均勻分布的隨機(jī)變量,。按照電磁拓?fù)涞乃枷?,由PWB方法構(gòu)建出來的網(wǎng)絡(luò)化公式雖然也描述了電子系統(tǒng)的相互作用和能量流動,但是方程中待求量的物理意義已經(jīng)改變,,表述的物理量是平均耗散功率和平均功率密度,。

  本文介紹了基于PWB方法的一般網(wǎng)絡(luò)公式的構(gòu)建方法,,在驗(yàn)證了PWB方法可行性的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),,對波音747-8客艙的屏蔽效能進(jìn)行了評估研究,,在評估中,考慮了座椅,、乘客,、線纜等對客艙的屏蔽效能的影響。

1 PWB方法及其網(wǎng)絡(luò)化公式

  功率平衡法(PWB)的目的是定性并定量地分析腔體內(nèi)部的能量傳輸,。假設(shè)腔體的尺寸大于入射電磁波的幾倍波長,,那么在一個高度諧振場中,不完全約束的幾何體可以近似看成是隨機(jī)分布的均勻場中的一個確定的幾何物體,。因此,,在PWB方法中,腔體被看作是偽混響室(MSC)[3],。根據(jù)MSC理論,,電場(和磁場)的實(shí)部和虛部滿足均值為零、方差相等的高斯分布,,從而使腔體內(nèi)部電磁場的均值呈現(xiàn)為偽均勻和偽各向同性分布,。

  在圖1所示的不完整電大腔體中,根據(jù)功率守恒定理,,在穩(wěn)態(tài)情況下,,傳輸?shù)角惑w內(nèi)部的平均功率Pt等于各種損耗的平均功率Pi(i=1,2,,3,,4)之和Pd,即:

  Pt=Pd=P1+P2+P3+P4(1)

  其中,,P1是腔壁的平均損耗功率,,P2是腔體內(nèi)部加載物體的平均吸收功率,P3是孔縫的平均泄漏功率,,P4是腔體內(nèi)部天線的平均吸收損耗[1,,4-5]。

001.jpg

  圖1腔體的網(wǎng)絡(luò)化模型如圖2所示,,其中,,Pi為第i個節(jié)點(diǎn)處的平均損耗功率,Pinc為傳輸?shù)角惑w內(nèi)部的功率,,S為腔體內(nèi)部的平均功率密度,,第i個節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的耦合橫截面。其各個節(jié)點(diǎn)方程為:

  節(jié)點(diǎn)1、2,、3,、4:

  25.png

  可以看出,式(2)~式(5)所構(gòu)建出的方程總數(shù)和未知量個數(shù)正好匹配,,于是通過聯(lián)立求解方程組得到全部未知量的解,。

2 PWB方法的數(shù)值驗(yàn)證

  為了簡化仿真,只考慮圖1的空腔情況,,即去除腔內(nèi)的天線和有耗加載物。同時為了將腔體模擬成一個混響室,,在其內(nèi)部放置一理想的攪拌器,。

  由式(2)~式(5),結(jié)合PWB方程的基本公式,,可以推導(dǎo)出圖1中腔體內(nèi)部的平均功率密度S具體表示為:

  6.png

  其中,,Q31、Q32和Q1分別對應(yīng)孔1,、孔2和腔壁的平均品質(zhì)因數(shù)[6],。因此,腔壁的平均損耗功率可以由IGV()DUT0YUCH`3P}LLBV[M.jpg計(jì)算得到,。

002.jpg

  圖3給出了PWB方法得到的腔壁平均損耗功率曲線和經(jīng)過FEKO軟件仿真數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到的腔壁平均損耗功率曲線,。通過比較可以看出,兩種不同方法的結(jié)果在數(shù)量級以及基本趨勢上都是一致的,。

3 波音747-8客艙的屏蔽效能評估

  查閱機(jī)場計(jì)劃手冊[7],,波音747-8客艙體積約有2 500 m3,最大載客量為467人,。在本文算例中,,假定其客艙中有10根不同長度的裸線細(xì)線纜(50 m×1、20 m×2,、10 m×3,、1 m×4),載客量為400人,,其中10人使用了手機(jī),。根據(jù)PWB方程可知,飛機(jī)客艙總的平均品質(zhì)因數(shù)為:

  7.png

  其中,,Qempty為客艙空腔情況的平均品質(zhì)因數(shù),,Qseats為客艙內(nèi)所有座椅的總的平均品質(zhì)因數(shù),Qpeople為客艙內(nèi)所有乘客的總平均品質(zhì)因數(shù),,Qcable為客艙內(nèi)所有線纜的總的平均品質(zhì)因數(shù),,Qant為客艙內(nèi)所有手機(jī)天線(開機(jī)狀態(tài))的總的平均品質(zhì)因數(shù)。

 ?。?)Qempty是通過對客艙在空腔情況下實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)[8]經(jīng)過最小二乘法擬合后給出的,,其曲線如圖4所示,,曲線中已計(jì)入了客艙艙門縫隙和舷窗泄漏損耗以及艙室內(nèi)壁材料的導(dǎo)體損耗。

 ?。?)根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]測量得到的單個座椅的平均耦合截面積曲線,,在給定頻率范圍內(nèi),因變化很小,,近似取為0.04 m2,,則波音747-8所有座椅總的平均耦合截面積為18.68 m2,總的平均品質(zhì)因數(shù)Qseats的曲線如圖5所示,。

003.jpg

 ?。?)參考文獻(xiàn)[10]中對人體進(jìn)行了測量,得到了不同情況下人體的平均耦合截面積隨頻率的變化曲線,。在進(jìn)行估算時,,使用的人體平均耦合截面積是由圖6中3男3女(第2、4,、5,、7、8,、9組數(shù)據(jù))取平均得到的(圖中線段10),。在不考慮人體之間、人體與座椅之間的電磁耦合情況下,,400個人體總的平均品質(zhì)因數(shù)曲線如圖7所示[10-11],。

004.jpg

  (4)本文手機(jī)天線的駐波比取為1.5,,因此10個手機(jī)總的平均品質(zhì)因數(shù)曲線如圖8所示,。

005.jpg

  (5)對于客艙內(nèi)部的線纜,,本文采用一種計(jì)算傳輸線平均耦合截面積的高效全波方法[12],,通過仿真和計(jì)算提取出理想混響室內(nèi)靠近理想導(dǎo)電地平面的不同長度的傳輸線的多導(dǎo)體傳輸線的平均耦合截面積(參見圖9),傳輸線的長度分別為1 m,、10 m,、20 m和50 m,負(fù)載阻抗均為50 ?贅,。在不考慮傳輸線之間的電磁耦合情況下,,10根傳輸線總的平均耦合橫截面曲線如圖10所示,總的平均品質(zhì)因數(shù)曲線如圖11所示,。

 ?。?)根據(jù)式(7),波音747-8客艙在一般情況下的平均品質(zhì)因數(shù)Qairplane的預(yù)估曲線如圖12所示。

006.jpg

 ?。?)根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]的屏蔽效能公式SE=10log10,,計(jì)算得到的波音747-8客艙在不同情況下的屏蔽效能曲線如圖13所示。其中t是客艙段舷窗總的傳輸平均耦合截面積(本文中計(jì)算得到的值為1.08 m2),,Q是對應(yīng)情況的總的平均品質(zhì)因素,。由圖中可以看出,曲線3,、4,、5幾乎重合,說明手機(jī)和傳輸線纜對飛機(jī)屏蔽效能的影響很小,,可以忽略,;而曲線1、2,、5差異較大,說明座椅和人體對飛機(jī)屏蔽效能的影響較為顯著,,其中人體是主要的影響因素,。

  (8)參考文獻(xiàn)[13]指出,,對于金屬材料,,在1~18 GHz頻率范圍內(nèi),只要措施得當(dāng),,屏蔽效能大于30 dB是不成問題的,。在14 kHz~1 000 MHz頻率范圍內(nèi)也能達(dá)到20 dB以上。對于復(fù)合材料,,頻率在1 MHz以上,,也能基本上滿足大于+20 dB的要求,但是在低頻時屏蔽效能要差一些,。這與本文所預(yù)估的飛機(jī)機(jī)艙的屏蔽效能是一致的,。

4 結(jié)論

  PWB方法及其網(wǎng)絡(luò)化公式是以電磁拓?fù)鋵W(xué)和統(tǒng)計(jì)電磁學(xué)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種電大尺寸系統(tǒng)電磁效應(yīng)的系統(tǒng)級評估方法。本文詳細(xì)介紹了PWB方法及其網(wǎng)絡(luò)化公式,,通過對單腔模型仿真結(jié)果的比較分析可以看出,,這種方法能大大降低計(jì)算時間和存儲空間,它與全波仿真的結(jié)果在數(shù)量級以及基本趨勢都是一致的,。在此基礎(chǔ)上,,預(yù)估了波音747-8飛機(jī)的平均品質(zhì)因素,這表明PWB網(wǎng)絡(luò)化公式方法能夠?qū)︼w機(jī)等大型的航空器的電磁效應(yīng)的評估提供指導(dǎo)作用,,具有良好的應(yīng)用前景,。

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