基于FEKO的金属腔体屏蔽效能研究

摘 要:武器系统的电磁泄漏已成为泄露军事战略意图,暴露重要军事目标的一个主要途径。金属腔体可作为飞机或导弹架构辐射泄漏的屏蔽体,研究其屏蔽效能可为预估飞弹或飞机在此屏蔽架构下的泄漏参考。在此利用FEKO电磁仿真软件建立了金属空腔的模型,并在其内部设置低频Dipole天线作为辐射泄漏信号,仿真和分析了不同形状的金属空腔在频率10~70 MHz情况下对于泄漏信号的屏蔽效能。分析的结果表明:铝制金属腔体对于电磁泄漏信号在10~40 MHz时具有好的屏蔽效果。

关键词:电磁泄漏;屏蔽效能;FEKO;天线

中图分类号:TM153文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)02-137-03

Study of Shielding Effectiveness of Metal Cavum Based on FEKO

YU Jian,YU Zhiyong

(The Second Artillery Engineering College,Xi′an,710025,China)

Abstract:EM leakage of weapon system has been a primary way,of which military strategetic purpose is divulged and important military establishment is exposed.Study of shielding effectiveness of metal cavum,which can be the shielding encloser for airplane and missile,it is the reference for estimating the EM leakage of airplane or missile in the metal cavum.Therefore,in order to study SE of different metal cavum on EM leakage at frequency range 10~70 MHz,software FEKO is used to set up the metal cavum model,inside which a low frequency Dipole is placed as EM leakage.The analytical results show that SE of aluminum cavum on EM leakage at frequency range 10~40 MHz is perfect.

Keywords:EM leakage;shielding effectiveness;FEKO;antenna

0 引 言

武器装备是军事力量的基石和支柱,对战争胜负有着至关重要的影响。随着微电子技术、光电子技术、计算机技术等电子信息技术在武器装备中的广泛应用,现代武器装备日益信息化和电磁敏感化。现代武器系统具有大量的电磁发射源和较大的电磁辐射[1],因而武器系统在工作过程中存在较强的电磁泄漏信号[2]。这些泄漏信号的存在会威胁武器系统的生存,造成信息的泄漏。由此可见,对武器系统的电磁泄漏防护进行研究是十分有必要的。

本文在充分理解电磁屏蔽效能[3]的基础上,利用FEKO软件分析了铝材料[4]的矩形、拱形以及梯形三种不同形状的金属空腔的电磁屏蔽效能(SE)随频率的变化。若SE0,则表明屏蔽空腔的能量得到衰减,屏蔽效能较好,能防止电磁泄漏对武器系统构成威胁。采用仿真的方法研究不同形状的金属空腔的屏蔽效果,能有效地节约实验成本,而且实验结果可作为武器系统电磁泄漏防护的重要依据 。

1 电磁屏蔽效能[3,4]

如图1所示,屏蔽效应定义[3]为在电磁场中同一地点没有屏蔽存在时的功率密度强度与屏蔽存在时的功率密度强度的比值,可用下式表示:

SEdB=10log(E1/E2)(1)

式中:E1为当屏蔽物不存在时,所测量到的功率密度强度;E2为当屏蔽物已经存在时,在测量点所测量到的功率密度。

图1 屏蔽效能定义示意图

若用以电磁场强度进行比较,则定义为:

SEdB=20log(Eb/Ea)

或:

SEdB=20log(Hb/Ha)(2)

式中:Ea为屏蔽后的场强;Eb为屏蔽前的场强。屏蔽效能表征了屏蔽体对电磁波衰减程度,其关系如表1所示。

表1 屏蔽效能与场强衰减的关系

屏蔽前场强屏蔽后场强衰减量屏蔽效能/dB

10.10.920

10.010.9940

10.0010.99960

10.000 10.999 980

10.000 010.999 99100

10.000 0010.999 999120

2 仿真模型的建立[5-7]

采用FEKO仿真,是以求解严格的积分方程[8]的矩量法(MOM)为基础的电磁仿真软件。该方法的思想主要是将几何目标剖分离散,在其上定义合适的基函数,然后建立积分方程,用权函数检验从而产生一个矩阵方程,求解该矩阵方程,即可得到几何目标上的电流分布,从而其它近远场信息可从该电流分布求得。本文通过采用FEKO建立矩形、拱形以及梯形三种形状的空腔架构,考虑用偶极子(Dipole)模拟辐射源[9],观察距辐射源的电场分布情况,并利用式(2)去计算空腔架构对于电场的屏蔽效能,分析对比三种形状的金属空腔的屏蔽效果。

如图2所示,建立三种形状的空腔架构[8]。矩形空腔其尺寸为20 m×4 m×6 m;拱形空腔其尺寸为:长20 m,宽4 m,顶部半圆半径为2 m,高为6 m;梯形空腔的尺寸为:长20 m,顶部宽3 m,底部宽4 m,高6 m。此三种空腔的材料选为铝质材料[6](σ=3.54×107 S/m,μr=1),厚度为5 mm。在屏蔽腔体内部,沿z轴方向设置一个尺寸为长1 m,半径0.001 m的Dipole天线作为电磁脉冲的激励源,并将坐标的原点设于屏蔽腔体的中心。

图2 三种常用形状的金属空腔

3 屏蔽效能分析

首先,在各个腔体开口方向距中心1 m处观察电场的变化情况,并与文献[7]的结果进行比较。由图3可以看出,在参数设置基本一致的条件下,对于拱形、矩形以及梯形三种常见的金属空腔,梯形的屏蔽效能相对于其他两种金属空腔较好;当泄漏信号的频率在10~70 MHz时,三种金属空腔屏蔽效果较好的频段为30~40 MHz之间;电场的屏蔽效益大约都在40~70 MHz会呈现一段屏蔽效益小于0的频段,此说明电场在40~70 MHz会有增强的效果。文献[7]就电磁脉冲防护的问题研究了矩形以及半圆形金属空腔的屏蔽效能,本文的模型与其基本一致,与它所得的屏蔽效能图比较,可以知道采用FEKO仿真的方法也可以样得到很好的结果。

图3 1 m处三种金属空腔屏蔽效能图

接下来,将观察点设在腔体开口方向距中心12 m处。如图4所示,观察此Dipole天线所产生的电场在距三种金属空腔中心12 m处(即在金属空腔开口处)的分布情况。可以看出,大约在40~70 MHz时三种金属空腔的屏蔽效能小于0 dB,说明电场在40~70 MHz会有增强的效果。若在此三种金属空腔内部放置一个电子设备时,产生低频的电磁泄漏信号,如果泄漏信号在40~70 MHz时,则此信号很容易被探测。总的说来,此时梯形的屏蔽效果较矩形和拱形都好。