高頻天線防護(hù)設(shè)計(jì)仿真研究

1、引言

民用飛機(jī)通常利用高頻（HF）通信天線進(jìn)行空地之間遠(yuǎn)距離通信。早期的高頻通信天線主要有拉索天線、尾帽天線、探針天線和缺口天線等形式，但均有不可克服的缺點(diǎn)，現(xiàn)代民用飛機(jī)中已基本淘汰。裂隙并饋天線較好的克服了以往天線的缺點(diǎn)，但是需要在飛機(jī)垂尾前緣蒙皮上開(kāi)槽，從而導(dǎo)致電磁泄露進(jìn)垂尾結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可能導(dǎo)致垂尾內(nèi)部電磁干擾問(wèn)題，為此需要加裝屏蔽罩進(jìn)行電磁加固，加裝屏蔽罩是解決方法之一，那么天線罩安裝對(duì)天線造成的影響研究是必要的。

2、基本原理

民用高頻通信系統(tǒng)輸出功率峰值高達(dá)400W。由于天線是整個(gè)垂尾結(jié)構(gòu)的一部分，如圖1所示，其L型絕緣區(qū)導(dǎo)致了垂尾結(jié)構(gòu)的完整性，在L型裂隙后部為垂尾的加強(qiáng)梁，梁上開(kāi)有減重孔（如圖2所示），這會(huì)導(dǎo)致其大功率的電磁輻射在垂尾上產(chǎn)生強(qiáng)電磁感應(yīng)，對(duì)安裝在該區(qū)域附近的設(shè)備及線纜可能產(chǎn)生電磁干擾。需要考慮在不破壞飛機(jī)垂尾結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)高頻天線的輻射能量采取相應(yīng)的屏蔽隔離措施，降低高頻天線電磁能量的潛在影響，為此設(shè)計(jì)了天線屏蔽罩以隔離天線與垂尾內(nèi)部的電磁能量耦合路徑，從而保護(hù)飛機(jī)安全。天線屏蔽罩如圖2所示。

圖1 高頻天線示意圖

圖2 L型裂隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖

可見(jiàn)高頻天線對(duì)垂危的影響主要通過(guò)加強(qiáng)梁上的孔縫耦合導(dǎo)致，目前對(duì)于孔縫耦合的研究，大致有兩種方法：第一種是解析法：如Senior在阻抗帶的積分方程基礎(chǔ)上，根據(jù)巴比涅原理，得到了一個(gè)關(guān)于填充有耗材料的縫內(nèi)部電（磁）流的積分方程。雖然由所得的積分方程不能得到解析解，但如果近似認(rèn)為縫的寬度很小，將其與數(shù)值方法所得的結(jié)果作比較，便可以導(dǎo)出精確的經(jīng)驗(yàn)公式。第二種是數(shù)值計(jì)算法：如FDTD法、有限積分法、矩量法、有限元法等。數(shù)值方法可以將微分方程化為差分方程，將積分方程中的積分化為有限求和從而建立代數(shù)方程組。在邊界條件比較簡(jiǎn)單的情況下，可以用解析法來(lái)求其精確解。實(shí)際工程中常常遇到的是邊界條件復(fù)雜的問(wèn)題，此時(shí)，解析法己經(jīng)不能很好的解決。隨著大容量高速度的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法得到了廣泛的應(yīng)用。仿真速度和計(jì)算精度主要取決于算法，在計(jì)算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，時(shí)域有限差分法最差。因此選用基于矩量法的CAE軟件——FEKO開(kāi)展研究，同時(shí)FEKO軟件提供了CATIA等工程接口，能夠?qū)?fù)雜目標(biāo)進(jìn)行精確建模和求解。首先對(duì)CAE軟件進(jìn)行驗(yàn)證，建立模型如圖3，模擬艙室尺寸：6.5m×1.5m×3.5m，開(kāi)孔在6.5m×1.5m的面上，孔直徑0.05m。艙室外入射波的頻率為10kHz—200MHz。

圖3 孔縫耦合計(jì)算模型示意圖

初步分析該模型為諧振腔開(kāi)孔縫模型，當(dāng)平面波照射腔體時(shí)，腔體內(nèi)將產(chǎn)生TE波和TM波。取體中心點(diǎn)為采樣點(diǎn)，以模型中示意為例，入射波為平面波，入射方向與Z軸方向平行，電場(chǎng)極化方向沿X負(fù)軸方向。入射波進(jìn)入腔體之后，會(huì)產(chǎn)生各種方向的感應(yīng)場(chǎng)，因其電場(chǎng)極化方向?yàn)閄軸方向，所以腔體內(nèi)的電場(chǎng)也主要以X軸方向分量最大，Ey、Ez也存在，只是值較小。以EX為例，由公式可知，在觀察體中心點(diǎn)處，TM波為0，只有TE波。由CAE仿真得出的波形如圖4所示：

圖4 艙室中心處Ex分量隨頻率變化波形

從分析計(jì)算結(jié)果和CAE計(jì)算的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，F(xiàn)EKO仿真計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算的結(jié)果保持一致。表明FEKO軟件可以精確的用于孔縫耦合計(jì)算。

3、仿真計(jì)算

3.1仿真模型

由于數(shù)值計(jì)算的計(jì)算量大，考慮到影響天線電流分布最大的是垂尾部分，對(duì)整架飛機(jī)進(jìn)行求解比較困難且不是必須的。為了減少計(jì)算工作量，只考慮整個(gè)垂尾。本文采用基于矩量法的商業(yè)CAE軟件——FEKO進(jìn)行計(jì)算。仿真計(jì)算模型如圖4所示：某型飛機(jī)垂尾結(jié)構(gòu)為鋁合金材料，因此計(jì)算中表面設(shè)置為良導(dǎo)體；為了進(jìn)一步減少計(jì)算量，高頻通信天線的“L”型裂隙中填充的介質(zhì)材料設(shè)置為自由空間。天線的輻射功率、饋電端口電壓均為歸一化值。考慮到算法的精確度，面元變長(zhǎng)設(shè)置為λ/6，其中λ是天線工作頻段內(nèi)最小的自由空間波長(zhǎng)。在天線上進(jìn)行了更為精確的剖分，剖分單元變長(zhǎng)為λ/20。計(jì)算頻帶為高頻工作頻段，即2MHz-30MHz，設(shè)置頻率間隔為500KHz。

圖5 FEKO計(jì)算模型

3.2計(jì)算結(jié)果

1、屏蔽罩防護(hù)效能計(jì)算結(jié)果

首先采用FEKO軟件對(duì)安裝天線屏蔽罩前后垂尾內(nèi)部電纜上的感應(yīng)電流進(jìn)行計(jì)算，已確定安裝天線罩后對(duì)垂尾內(nèi)部電纜上電磁防護(hù)效果，計(jì)算結(jié)果如圖6所示：可以看出屏蔽罩為垂尾內(nèi)部的電纜提供了高達(dá)40dB的防護(hù)，可見(jiàn)屏蔽罩的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6 安裝天線屏蔽罩前后垂尾內(nèi)部電纜感應(yīng)電流

2、天線罩對(duì)天線阻抗影響計(jì)算

由于屏蔽罩安裝與高頻天線有低阻通道連接，必然會(huì)對(duì)高頻天線的阻抗和輻射產(chǎn)生影響，因此進(jìn)一步計(jì)算了安裝屏蔽罩前后天線阻抗如圖6所示：從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，安裝天線屏蔽罩對(duì)天線的阻抗影響可以忽略不計(jì)。這表明安裝天線屏蔽罩不會(huì)影響天線的調(diào)諧和輻射特性。

圖7 天線安裝屏蔽罩前后阻抗對(duì)比

3、天線輻射方向圖計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證天線罩對(duì)天線輻射方向圖的影響，對(duì)整個(gè)飛機(jī)進(jìn)行了CAE計(jì)算。計(jì)算所得方向圖如圖8所示：

圖8 三維天線方向圖對(duì)比圖9

是部分頻率點(diǎn)安裝屏蔽罩前/后的天線方向圖對(duì)比。Farfield_shield曲線為安裝屏蔽罩的方向圖，F(xiàn)arfield曲線是未安裝屏蔽罩的方向圖曲線?？梢?jiàn)兩個(gè)曲線基本重合。

圖9 安裝天線屏蔽罩前后的輻射方向圖（8MHz）

4、分析與結(jié)論

從天線安裝屏蔽罩前后線阻抗和輻射方向圖CAE計(jì)算結(jié)果來(lái)看，安裝屏蔽罩后可以為飛機(jī)垂尾內(nèi)部電纜感應(yīng)電流提供40dB的衰減，同時(shí)天線阻抗和輻射方向圖曲線前后變化非常小，因此認(rèn)為屏蔽罩的影響可以忽略。從整個(gè)方向圖曲線來(lái)看，機(jī)頭方向輻射最強(qiáng)，機(jī)尾稍弱，符合設(shè)計(jì)預(yù)期?？梢?jiàn)高頻天線屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝合理，未對(duì)高頻天線的輻射方向圖不會(huì)產(chǎn)生不利影響，滿足設(shè)計(jì)要求?？梢?jiàn)本文的計(jì)算模型建模方法正確，計(jì)算軟件和算法選擇適當(dāng)。在高頻天線屏蔽罩設(shè)計(jì)之初，可以通過(guò)FEKO仿真計(jì)算表明了設(shè)計(jì)合理有效，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程實(shí)踐中，這種方法和思路值得借鑒。