通信天线加装屏蔽罩的分析讨论

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1、引言
 
民用飞机通常利用高频(HF)通信天线进行空地之间远距离通信。早期的高频通信天线主要有拉索天线、尾帽天线、探针天线和缺口天线等形式,但均有不可克服的缺点,现代民用飞机中已基本淘汰。裂隙并馈天线较好的克服了以往天线的缺点,但是需要在飞机垂尾前缘蒙皮上开槽,从而导致电磁泄露进垂尾结构内部,可能导致垂尾内部电磁干扰问题,为此需要加装屏蔽罩进行电磁加固,加装屏蔽罩是解决方法之一,那么天线罩安装对天线造成的影响研究是必要的。
 
2、基本原理
 
民用高频通信系统输出功率峰值高达 400W。由于天线是整个垂尾结构的一部分,如图 1 所示,其 L 型绝缘区导致了垂尾结构的完整性,在 L 型裂隙后部为垂尾的加强梁,梁上开有减重孔(如图 2 所示),这会导致其大功率的电磁辐射在垂尾上产生强电磁感应,对安装在该区域附近的设备及线缆可能产生电磁干扰。需要考虑在不破坏飞机垂尾结构的前提下对高频天线的辐射能量采取相应的屏蔽隔离措施,降低高频天线电磁能量的潜在影响,为此设计了天线屏蔽罩以隔离天线与垂尾内部的电磁能量耦合路径,从而保护飞机安全。天线屏蔽罩如图 2 所示。
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图 1 高频天线示意图
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图 2 L 型裂隙内部结构
 
从图可见高频天线对垂危的影响主要通过加强梁上的孔缝耦合导致,目前对于孔缝耦合的研究,大致有两种方法:第一种是解析法:如 Senior 在阻抗带的积分方程基础上,根据巴比涅原理,得到了一个关于填充有耗材料的缝内部电(磁)流的积分方程。虽然由所得的积分方程不能得到解析解,但如果近似认为缝的宽度很小,将其与数值方法所得的结果作比较,便可以导出精确的经验公式。第二种是数值计算法:如 FDTD 法、有限积分法、矩量法、有限元法等。数值方法可以将微分方程化为差分方程,将积分方程中的积分化为有限求和从而建立代数方程组。在边界条件比较简单的情况下,可以用解析法来求其精确解。实际工程中常常遇到的是边界条件复杂的问题,此时,解析法己经不能很好的解决。随着大容量高速度的电子计算机技术的迅猛发展,数值计算方法得到了广泛的应用。仿真速度和计算精度主要取决于算法,在计算精度方面,矩量法精度最高,有限元次之,时域有限差分法最差。因此选用基于矩量法的 CAE 软件——FEKO 开展研究,同时 FEKO 软件提供了 CATIA 等工程接口,能够对复杂目标进行精确建模和求解。
 
首先对 CAE 软件进行验证,建立模型如图 3,模拟舱室尺寸:6.5m×1.5m×3.5m,开孔在 6.5m×1.5m 的面上,孔直径 0.05m。舱室外入射波的频率为 10kHz—200MHz。
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图 3 孔缝耦合计算模型示意图
 
初步分析该模型为谐振腔开孔缝模型,当平面波照射腔体时,腔体内将产生 TE 波和 TM 波。取体中心点为采样点,以模型中示意为例,入射波为平面波,入射方向与 Z 轴方向平行,电场极化方向沿 X 负轴方向。入射波进入腔体之后,会产生各种方向的感应场,因其电场极化方向为 X 轴方向,所以腔体内的电场也主要以 X 轴方向分量最大,Ey、Ez 也存在,只是值较小。以 EX 为例,由公式可知,在观察体中心点处,TM 波为 0,只有 TE 波。
 
由 CAE 仿真得出的波形如图 4 所示:
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图 4 舱室中心处 Ex 分量随频率变化波形
 
从分析计算结果和 CAE 计算的结果对比来看,FEKO 仿真计算结果与公式计算的结果保持一致。表明 FEKO 软件可以精确的用于孔缝耦合计算。
 
3、仿真计算
 
3.1 仿真模型
 
由于数值计算的计算量大,考虑到影响天线电流分布最大的是垂尾部分,对整架飞机进行求解比较困难且不是必须的。为了减少计算工作量,只考虑整个垂尾。本文采用基于矩量法的商业 CAE 软件——FEKO 进行计算。仿真计算模型如图 4 所示:某型飞机垂尾结构为铝合金材料,因此计算中表面设置为良导体;为了进一步减少计算量,高频通信天线的“L”型裂隙中填充的介质材料设置为自由空间。天线的辐射功率、馈电端口电压均为归一化值。考虑到算法的精确度,面元变长设置为λ/6,其中λ是天线工作频段内最小的自由空间波长。在天线上进行了更为精确的剖分,剖分单元变长为λ/20。计算频带为高频工作频段,即 2MHz-30MHz,设置频率间隔为 500KHz。
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图 5 FEKO 计算模型
 
3.2 计算结果
 
1、屏蔽罩防护效能计算结果
 
首先采用 FEKO 软件对安装天线屏蔽罩前后垂尾内部电缆上的感应电流进行计算,已确定安装天线罩后对垂尾内部电缆上电磁防护效果,计算结果如图 6 所示:可以看出屏蔽罩为垂尾内部的电缆提供了高达 40dB 的防护,可见屏蔽罩的设计达到了预期效果。
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图 6 安装天线屏蔽罩前后垂尾内部电缆感应电流
 
2、天线罩对天线阻抗影响计算
 
由于屏蔽罩安装与高频天线有低阻通道连接,必然会对高频天线的阻抗和辐射产生影响,因此进一步计算了安装屏蔽罩前后天线阻抗如图 6 所示:从计算结果来看,安装天线屏蔽罩对天线的阻抗影响可以忽略不计。这表明安装天线屏蔽罩不会影响天线的调谐和辐射特性。
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图 7 天线安装屏蔽罩前后阻抗对比
 
3、天线辐射方向图计算
 
为了进一步验证天线罩对天线辐射方向图的影响,对整个飞机进行了 CAE 计算。计算所得方向图如图 8 所示:
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图 8 三维天线方向图对比
 
图 9 是部分频率点安装屏蔽罩前 / 后的天线方向图对比。Farfield_shield 曲线为安装屏蔽罩的方向图,Farfield 曲线是未安装屏蔽罩的方向图曲线。可见两个曲线基本重合。
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图 9 安装天线屏蔽罩前后的辐射方向图(8MHz)
 
4、分析与结论
 
从天线安装屏蔽罩前后线阻抗和辐射方向图 CAE 计算结果来看,安装屏蔽罩后可以为飞机垂尾内部电缆感应电流提供 40dB 的衰减,同时天线阻抗和辐射方向图曲线前后变化非常小,因此认为屏蔽罩的影响可以忽略。从整个方向图曲线来看,机头方向辐射最强,机尾稍弱,符合设计预期。可见高频天线屏蔽罩结构设计、安装合理,未对高频天线的辐射方向图不会产生不利影响,满足设计要求。可见本文的计算模型建模方法正确,计算软件和算法选择适当。在高频天线屏蔽罩设计之初,可以通过 FEKO 仿真计算表明了设计合理有效,简化了设计阶段的试验验证,加快了设计进程,降低设计风险。在实际工程实践中,这种方法和思路值得借鉴。
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