高頻天線防護設(shè)計仿真研究

1、引言

民用飛機通常利用高頻（HF）通信天線進行空地之間遠距離通信。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，現(xiàn)代民用飛機中已基本淘汰。裂隙并饋天線較好的克服了以往天線的缺點，但是需要在飛機垂尾前緣蒙皮上開槽，從而導(dǎo)致電磁泄露進垂尾結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可能導(dǎo)致垂尾內(nèi)部電磁干擾問題，為此需要加裝屏蔽罩進行電磁加固，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400W。由于天線是整個垂尾結(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梁，梁上開有減重孔（如圖2所示），這會導(dǎo)致其大功率的電磁輻射在垂尾上產(chǎn)生強電磁感應(yīng)，對安裝在該區(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垂尾結(jié)構(gòu)的前提下對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，從而保護飛機安全。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

可見高頻天線對垂危的影響主要通過加強梁上的孔縫耦合導(dǎo)致，目前對于孔縫耦合的研究，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)驗公式。第二種是數(shù)值計算法：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。在邊界條件比較簡單的情況下，可以用解析法來求其精確解。實際工程中常常遇到的是邊界條件復(fù)雜的問題，此時，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算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值計算方法得到了廣泛的應(yīng)用。仿真速度和計算精度主要取決于算法，在計算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，時域有限差分法最差。因此選用基于矩量法的CAE軟件——FEKO開展研究，同時FEKO軟件提供了CATIA等工程接口，能夠?qū)?fù)雜目標進行精確建模和求解。首先對CAE軟件進行驗證，建立模型如圖3，模擬艙室尺寸：6.5m×1.5m×3.5m，開孔在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 孔縫耦合計算模型示意圖

初步分析該模型為諧振腔開孔縫模型，當平面波照射腔體時，腔體內(nèi)將產(chǎn)生TE波和TM波。取體中心點為采樣點，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，電場極化方向沿X負軸方向。入射波進入腔體之后，會產(chǎn)生各種方向的感應(yīng)場，因其電場極化方向為X軸方向，所以腔體內(nèi)的電場也主要以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

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

3、仿真計算

3.1仿真模型

由于數(shù)值計算的計算量大，考慮到影響天線電流分布最大的是垂尾部分，對整架飛機進行求解比較困難且不是必須的。為了減少計算工作量，只考慮整個垂尾。本文采用基于矩量法的商業(yè)CAE軟件——FEKO進行計算。仿真計算模型如圖4所示：某型飛機垂尾結(jié)構(gòu)為鋁合金材料，因此計算中表面設(shè)置為良導(dǎo)體；為了進一步減少計算量，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?？紤]到算法的精確度，面元變長設(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。在天線上進行了更為精確的剖分，剖分單元變長為λ/20。計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計算模型

3.2計算結(jié)果

1、屏蔽罩防護效能計算結(jié)果

首先采用FEKO軟件對安裝天線屏蔽罩前后垂尾內(nèi)部電纜上的感應(yīng)電流進行計算，已確定安裝天線罩后對垂尾內(nèi)部電纜上電磁防護效果，計算結(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40dB的防護，可見屏蔽罩的設(shè)計達到了預(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、天線罩對天線阻抗影響計算

由于屏蔽罩安裝與高頻天線有低阻通道連接，必然會對高頻天線的阻抗和輻射產(chǎn)生影響，因此進一步計算了安裝屏蔽罩前后天線阻抗如圖6所示：從計算結(jié)果來看，安裝天線屏蔽罩對天線的阻抗影響可以忽略不計。這表明安裝天線屏蔽罩不會影響天線的調(diào)諧和輻射特性。

圖7 天線安裝屏蔽罩前后阻抗對比

3、天線輻射方向圖計算

為了進一步驗證天線罩對天線輻射方向圖的影響，對整個飛機進行了CAE計算。計算所得方向圖如圖8所示：

圖8 三維天線方向圖對比圖9

是部分頻率點安裝屏蔽罩前/后的天線方向圖對比。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?？梢妰蓚€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計算結(jié)果來看，安裝屏蔽罩后可以為飛機垂尾內(nèi)部電纜感應(yīng)電流提供40dB的衰減，同時天線阻抗和輻射方向圖曲線前后變化非常小，因此認為屏蔽罩的影響可以忽略。從整個方向圖曲線來看，機頭方向輻射最強，機尾稍弱，符合設(shè)計預(yù)期。可見高頻天線屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝合理，未對高頻天線的輻射方向圖不會產(chǎn)生不利影響，滿足設(shè)計要求?？梢姳疚牡挠嬎隳Ｐ徒７椒ㄕ_，計算軟件和算法選擇適當。在高頻天線屏蔽罩設(shè)計之初，可以通過FEKO仿真計算表明了設(shè)計合理有效，簡化了設(shè)計階段的試驗驗證，加快了設(shè)計進程，降低設(shè)計風險。在實際工程實踐中，這種方法和思路值得借鑒。