机载电子设备屏蔽效能测试与优化研究

机载电子设备屏蔽效能测试与优化研究

李成毅  ,王晨  ,周正

陕西飞机工业有限责任公司  汉中  723000

摘要：现阶段，随着技术的进步，带动了航空工业的不断发展。在机载电子设备运行的过程中，高强辐射场对其具有着越来越严重的影响。所以，现阶段就深入推进了机载电子设备屏蔽效能的测试和优化，加强了对相关内容的研究。本文首先介绍了机载电子设备的使用环境，继而对设备屏蔽效能测试与优化的作用进行了分析，同时指出了测试及屏蔽效能影响因素，最后介绍了屏蔽效能优化路径，希望能够为有关领域提供参考。

关键词：机载电子设备；屏蔽效能；测试；优化

前言：随着时代的发展与技术的革新，当前对于航空领域的研究，面临着越来越复杂的电磁环境，这都带动了相关电子技术的发展水平的不断提升。因此，为了有效的解决机载电子设备所受到的高强辐射场的影响，就要根据实际的应用环境，结合设备的结构特点，针对其具体的屏蔽效能展开深入的研究和探讨。从而促进设备屏蔽体实际效能的不断优化，确保机载电子设备能够顺利地运行。

1 机载电子设备的使用环境

当前，航空领域飞速发展，机载电子设备在电磁屏蔽方面最主要使用环境为电磁环境，这也是电子设备屏蔽效能的最主要屏蔽元素之一，需要应用多种类型的屏蔽体，对电子设备元件、线路和干扰源进行有效隔离，确保区域内部电磁和相关磁场辐射都能实现有效吸收、抵消或反射，最大程度上减少机载电子设备周边元器件受到更多电磁干扰问题。随着技术的发展，飞机系统电子设备的密度越来越大，设备发射功率以及接收机的灵敏度同样显著提高，为了使同样电磁环境下的电子设备不会出现影响和干扰，保持在正常的运行状态，就要确保飞机中的电子设备有着良好的电磁兼容性。

2 机载电子设备屏蔽及效能测试作用

我国航空工业领域发展速度越来越快，机载电子设备装备水平逐渐提升，功能越发复杂，机载通信设备、导航设备、雷达设备等都需要共存于同一平台之中，导致现有机载平台电磁环境尤为复杂，甚至会对电子设备的正常运转和作用发挥造成影响，更为严重的会导致电子设备失效损坏，引发更多安全隐患问题。因此需要着重提升机载电子设备的电磁兼容性能力，屏蔽是尤为重要的手段和媒介之一。屏蔽不仅仅意味着对复杂电磁环境进行屏蔽，更加侧重于减少机载环境空间内的电磁干扰，并进一步实现有效抑制。对机载电子设备屏蔽效能进行测试与研究，能够有效保障电磁屏蔽设计的科学性和有效性，站在机载电子设备应用和运转的角度，保障飞机的安全和机载设备的正常运转。在机载电子设备屏蔽设计与研发阶段，需要进行电磁兼容性能的重点考虑与强化，通过多维度的科学结构设计，提高机载电子设备屏蔽体的屏蔽效能，同时结合屏蔽效能测试，保障测试结果，测试期间可以及时发现机载电子设备屏蔽结构中存在的薄弱环节和隐患因素，实现因地制宜和优化设计，有效提升机载电子设备屏蔽体的作用和价值，减少和抑制机载电子设备的电磁辐射干扰情况。

3 机载电子设备屏蔽效能试验测试及屏蔽效能影响因素分析

3.1 屏蔽效能试验测试

屏蔽效能测试选用型号为R&S®SMC100A的信号源，以R&S®FSC作为接收设备，对数周期天线选用EMC20300，覆盖范围在100MHz~1GHz。以H1-6122作为电场的探头，输出电阻在50Ω，灵敏度要超过1V/m。放大器选择的是R&S®BBL200，具体的输出功率和频率范围能够符合测试的需要。在实验开始之前，布置3米法微波暗室环境，打造HIRF辐射场。在实验场地一米范围之内，不放置其他电子设备和测试设备，避免最终测试结果影响机载电子设备屏蔽效能测试情况。此次测试方法为外置辐射源，提前的做好试验场的校准[1]。如果在测试实验过程中出现测试点改变情况，需要及时开展校准操作，在整个测试中要保证电场探头的稳定性，避免位置发生变化。排除极特殊情况之外，需要应用不同发射天线、角度、极化方式、入射方向等进行分别测试，套入测试公式，进一步获得屏蔽测试效能结果。最后需要搭建三维仿真模型，应用CST软件构建机载通信设备的屏蔽体，保障仿真条件设置的统一性。

3.2 机载电子设备屏蔽效能影响因素分析

3.2.1 孔缝因素

在机载电子设备屏蔽相的影响因素中，孔缝是直接影响屏蔽效能的重要因素之一。通过扩展传输线方法可以分别计算和论证矩形孔阵和正方形孔阵屏蔽体的具体屏蔽效能情况，不同类型的孔阵在屏蔽体屏蔽效能方面存在一定差异情况。在机载电子设备屏蔽效能分析实验最初阶段，不论是矩形孔阵还是正方形孔阵在屏蔽效能方面大致相同，但是随着实验的深入发展，实验人员和设计者根据具体实验要求合理规划孔缝间距，进一步导致不同类型的孔阵间距给机载电子设备屏蔽效能造成不同程度的制约和影响，例如在0.5mm、1.5mm等不同孔阵间距中，矩形孔阵与正方形孔阵的屏蔽效果需要进一步降低，而孔阵间距会改变谐振频率，但是随着孔缝间距的不断增长，屏蔽效能也会随之提高，稳定性逐渐增强。

3.2.2 测试位置因素

对于不同测试位置，要确保入射方向始终为入射面。依靠仿真计算以及实验的方法，针对测试点分别的展开屏蔽效能的分析，从而得到具体的测试结果。相较于测试结果的屏蔽效能，仿真结果超出其10dB。而且对于试验结果而言。在这一过程中产生了谐振频率的偏移。在仿真阶段，以理想导体作为屏蔽体的材料，所以相较于实际的屏蔽体，这种材料远远具有更大的屏蔽效能。而且在实际实验的过程中，还会产生屏蔽体的壁耗，因此就会带来谐振频率的降低，从而对于谐振起到抑制的作用。在频率变化的基础上，屏蔽效能的变化趋势基本上保持一致。因此，这就证明了仿真结果具有一定的指导作用。而且根据实验结果，两个测试点具有不同的屏蔽效能，因此可以得出这样的结论，相较于孔缝测试位置越远，所实现的屏蔽效能越大[2]。

3.2.3 极化方式因素

将发射天线所具有的极化方式作为变量，对于测试点的屏蔽效能，随着频率改变所出现的变化趋势，展开具体的分析。以入射面作为入射方向，得到具体的试验结果。相较于水平极化方式，垂直极化方式之下的屏蔽效能更大，而且对于屏蔽材料来说，以复合材料为主，这种材料具有诸多的异性。因此在不同的极化方式所开展的屏蔽效能的测试，材料特性也会产生重要的影响，这也使得水平以及垂直极化条件下所实现的屏蔽效能，具有较为明显的不同。

3.2.4 入射面因素

对于不同的入射面，根据具体的分析和观察得知，对于机载通信设备而言，每一个面都设置了通风孔阵以及贯通导体。所以在本文所开展的实验过程中，就分别辐射通信设备的各个面，并且得到屏蔽体在具体的测试面中的结构，同时获得测试点屏蔽效能的测试结果。因此，结合对于测试结果的分析，明确了在不同的入射面辐射之下设备所具有的屏蔽效能。并且确定了HIRF的耦合路径为入射面上的贯通导体以及通风孔阵，这也针对屏蔽体等后续优化的开展，做出了重要的方向指引[3]。

4 机载电子设备屏蔽效能优化路径

4.1 对通风孔阵进行优化设计

首先，对于通风孔阵而言，根据相关的研究证明，在圆形孔阵的条件之下，腔体具有更高的屏蔽效能。所以就可以将其作为优化方向，由原来的正方形转变为圆形的孔阵。另外，结合小孔尺寸效应，在总体的孔阵面积保持不变的情况之下，对于单一的孔进行面积的缩小。这样就能够将原来的方形孔，边长为8mm，优化为圆形孔，直径在4.5mm，进行通风孔阵模型的修正。相较于原有的方形孔阵而言，在优化之后的孔阵，具有更小的镂空面积，而且通风面积没有较大的变化，所以也能够将对于通风效果所产生的影响，限定在可控范围内[4]。

4.2 设置规划低通滤波器

在优化屏蔽体过程中，要想让机载电子设备，具有更加良好的屏蔽效能，就要以HIRF耦合路径作为对象，进一步的优化屏蔽体，在机载通信设备中，关键的部件就是低通滤波器以及电路模板。所以在进行HIRF 耦合的抑制过程中，产生了较为明显的作用。所以就可以在屏蔽体上进行低通滤波器的优化。在低通滤波器优化的过程中，在实物模型长宽高、等间距以及厚度等参数条件之下，按照在机载通信设备内部低通滤波器模块所具有的现实情况，在屏蔽体的具体位置上，进行低通滤波器的放置。对于设备的尖端部位而言，一般都会产生较大的电场，所以要想进一步的减轻这一现象的出现，就可以修正低通滤波器面面连接的位置，并得到仿真修正过后的低通滤波器模型[5]。

4.3 优化屏蔽材料和结构缝隙

除以上几项电磁屏蔽方式之外，可以通过材料电磁屏蔽和缝隙电磁屏蔽的方式，保障机载电子设备屏蔽效能。首先在材料电磁屏蔽元素中，可以根据不同机载电子设备的实际材料需求设置屏蔽体的结构，大多数情况下可以设置盖板、框架和前后板的多个组成部分，保证屏蔽体结构与机载电子设备之间始终保持接触，而接触面需要为导电材料。值得注意的是，屏蔽体材料结构与屏蔽效能紧密联系，在屏蔽体发挥作用的前提之下，一部分电磁波会被屏蔽体的导磁材料进行吸收和消耗，同时屏蔽材料也会发生反射反应，由此实现电磁能量和电磁波在机载电子设备与屏蔽体屏蔽面之间的反复传播，进而实现电磁波衰减。因此在材料选择方面可以积极应用良性导体，并科学按照电磁波吸收损耗率进行电磁波屏蔽体厚度设计和规划。当前我国很多屏蔽体设计会应用复合性金属，如铜的电导率和磁导率相对较高，而金、银、铝、铁等元素同样也会受到成本的影响，大多会应用铝或铜进行机载电子设备导电体设计，但是当前各类新型材料的发展速度越来越快，也可以应用导电塑料、发泡铝等新型材料进行屏蔽体的设计，进一步保障材料质量和理想屏蔽效果。

4.4 推进屏蔽效能仿真设计

首先，对于孔阵的优化仿真就是在CST三维仿真软件的基础上，通过平面波对于机载通讯设备所优化的入射面，进行垂直辐照。之后进行原模型和优化后的测试点仿真结果的对比，通过所得到的结果显示，在不同的范围内，屏蔽体所出现的屏蔽效能的变化也有着明显的不同。对于这一范围显著的提升了屏蔽效能，提升的幅度在15dB。而在这一范围内，没有出现屏蔽效能的明显变化。从整体上来看，经过优化以后，屏蔽效能具有不断地增加的变化趋势。因此，这也能够表明所进行的优化具有一定的有效性，从而能够对于后续屏蔽体的通风孔阵优化，进行相应的参考意见的提供。其次，对于低通滤波器的优化仿真，主要是针对加入低通滤波器的机载通信设备，对其入射面通过对平面波垂直辐照，并进行元模型结果和测试点仿真结果之间的对比。可以得知在加入低通滤波器以后。机载通信设备能够实现更大的屏蔽效能，通常情况下，对于近场波阻抗而言，电场和磁场不会出现完全相同的情况。因此，这也就使得产生了差异的电场和磁场的屏蔽效能。但是从远场的角度上来看，磁场和电场之间又作为一个整体，具有统一性。电磁场波阻抗以常数的形式存在，因此电场和磁场具有相同的屏蔽效能。

总结：综上所述，在本文的研究过程中，在HIRF环境之下，通过对于外设辐射源的运用，从而开展机载通信设备屏蔽效能的相关测试，能够为之后的研究，进行相应的依据的提供。并根据测试结果，对于屏蔽体的耦合通道，做出了具体的优化建议的提供。同时利用仿真实验，对优化方案所具有的合理性展开了相应的验证。

参考文献：

[1]王勃,孙立财.复杂电磁环境下的机载电子设备安全性设计[J].光电技术应用,2020,35(02):74-78.

[2]袁洪涛. 机载设备高强度辐射场试验方法与防护研究[D].合肥工业大学,2020.

[3]周海亮.机载电子设备结构设计中的电磁屏蔽设计[J].科学技术创新,2020(03):55-56.

[4]马振洋,左晶,史春蕾,冯嘉诚,刘旭红.机载电子设备屏蔽效能测试与优化[J].航空学报,2020,41(07):226-233.

[5]杨鑫. 基于能量选择表面的机载射频装备空间电磁防护技术研究[D].哈尔滨工业大学,2019.

[6]阎芳,刘旭红,王鹏,马振洋,史春蕾,于新海,赵聪.高强辐射场下不同孔阵的金属腔体屏蔽效能研究[J].电光与控制,2019,26(08):90-94+100.