超寬帶電磁脈沖照射下帶孔縫金屬腔體屏蔽效能的時(shí)域有限元分析

超寬帶電磁脈沖照射下帶孔縫金屬腔體屏蔽效能的時(shí)域有限元分析

現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭依賴于高級(jí)別計(jì)算機(jī)。隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，各種電磁脈沖，如電磁脈沖、電磁脈沖武器等，對(duì)電子設(shè)備構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如何有效提高電磁脈沖環(huán)境下設(shè)備的干擾和抗傷性具有極其重要的軍事意義。電子設(shè)備通常采用金屬機(jī)箱進(jìn)行屏蔽,然而為滿足系統(tǒng)功能或散熱需要,機(jī)箱上都不可避免的存在孔縫,這為電磁脈沖耦合進(jìn)入機(jī)箱提供了通道。因此研究電磁脈沖對(duì)腔體的孔縫耦合效應(yīng),以提高其屏蔽效能就顯得尤為重要。對(duì)于腔體孔縫耦合效應(yīng)的研究,國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。文獻(xiàn)使用多層快速多極子矩量法(MoM)研究了不同形狀和不同大小孔縫的耦合效應(yīng),計(jì)算了腔體的屏蔽效能并提出了電磁防護(hù)方法。文獻(xiàn)利用傳輸線法(TLM)對(duì)不同的開槽組合進(jìn)行比較,分析了影響屏蔽效能的因素。文獻(xiàn)利用時(shí)域有限差分方法(FDTD)研究了電磁波通過孔縫耦合引起的腔模共振現(xiàn)象,并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。筆者采用時(shí)域有限元方法(TDFEM)研究電磁脈沖照射下帶孔縫腔體的瞬態(tài)耦合響應(yīng)和寬頻電磁特性,其四面體網(wǎng)格可以很好的模擬不同結(jié)構(gòu)的孔縫,進(jìn)而分析不同的孔縫結(jié)構(gòu)對(duì)腔體屏蔽效能的影響。同時(shí)由于TDFEM適用于模擬介質(zhì)特性目標(biāo),筆者考察了如計(jì)算機(jī)機(jī)箱的光驅(qū)等在孔縫處加載介質(zhì)材料對(duì)屏蔽效能的影響,為電子設(shè)備機(jī)箱的設(shè)計(jì)和電磁防護(hù)提出了新的思路。1理論基礎(chǔ)1.1計(jì)算方法的建立本文以如圖1所示的理想電導(dǎo)體屏蔽腔為研究對(duì)象。腔體尺寸為12cm×12cm×12cm,在其一側(cè)開有不同的孔縫,孔縫中心與yz面腔體壁的幾何中心重合。將總場(chǎng)—散射場(chǎng)劃分技術(shù)中的體激勵(lì)法(VETSFD)應(yīng)用到TDFEM中,引入連接邊界(CB)將計(jì)算區(qū)域劃分為總場(chǎng)區(qū)(TF)和散射場(chǎng)區(qū)(SF)。采用Mur條件通過吸收邊界(AB)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行截?cái)?。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的總泛函為F(E)=∫∫∫ΤF[1μ(?×Et)?(?×Et)+εEt??2?t2Et]dVt+∫∫∫SF[1μ0(?×Es)?(?×Es)+ε0Es??2?t2Es]dVs-∫∫∫ΤF[1μ0(?×Et)?(?×Einc)-ε0Et??2?t2Einc]dVt+∫∫∫AB[√ε0μ0(?nAB×Es)?(?nAB×??t2Es)]dSAB?(1)式中:?nAB為吸收邊界(AB)表面單位外法向矢量。Et,Es和Einc分別代表總場(chǎng)、散射場(chǎng)和入射場(chǎng),且滿足Et(r,t)=Es(r,t)+Einc(r,t)。建立計(jì)算區(qū)域模型并利用四面體網(wǎng)格剖分,在單元內(nèi)總場(chǎng)、散射場(chǎng)及入射場(chǎng)均采用相同的矢量基函數(shù)進(jìn)行差值,通過經(jīng)典的里茲方法離散計(jì)算區(qū)域得到常微分方程。隨后使用恒穩(wěn)的Newmark方法對(duì)時(shí)間步進(jìn)行離散,得到差分方程。進(jìn)一步,采用共軛梯度法(CGM)求解差分方程獲得本時(shí)間步內(nèi)的電場(chǎng)分布,通過迭代獲得計(jì)算空間內(nèi)任意一點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)特性。最后通過FFT變換即可一次獲得電磁特性的寬頻帶特性。1.2高斯脈沖模擬目前用來模擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的脈沖形式主要有核電磁脈沖(NEMP)、快上升前沿脈沖(FREMP)和超寬帶(UWB)電磁脈沖等。其中,UWB電磁脈沖更容易通過目標(biāo)上的孔縫耦合進(jìn)入機(jī)箱,對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾和毀傷效應(yīng)更為明顯。因此選用UWB電磁脈沖作為入射脈沖,用高斯脈沖進(jìn)行模擬:Einc(t)=E0exp(-4π(t-t0)2τ2)。(2)式中:Einc(t)為脈沖場(chǎng)強(qiáng)大小;E0決定脈沖峰值大小;t0決定脈沖峰值的出現(xiàn)時(shí)刻;τ決定脈沖寬度。選擇E0=1000V/m,t0=0.16×10-9,τ=0.2×10-9,脈沖頻寬為10GHz,由于高斯脈沖的能量集中于低頻段,本文考查的頻帶范圍為0～5GHz。設(shè)目標(biāo)在激勵(lì)源的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,入射波沿+x軸入射,電場(chǎng)極化方向?yàn)?y方向。選取時(shí)間步Δt=6.7×10-12s,時(shí)間步長為4096。1.3屏蔽效能的測(cè)試為了評(píng)價(jià)帶孔縫腔體在UWB電磁脈沖耦合下的屏蔽效果,引入屏蔽效能(SE)的概念。屏蔽效能是指未加屏蔽時(shí)某一待測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Ei與同一待測(cè)點(diǎn)加屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)Es之比:SE=20lg(EiEs)(3)屏蔽效能的值越大,表示耦合進(jìn)腔體的場(chǎng)強(qiáng)越小,屏蔽效果越好。腔體內(nèi)不同點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的屏蔽效能不同,本文選擇腔體的幾何中心點(diǎn)來考察屏蔽效能。2孔縫結(jié)構(gòu)對(duì)腔體屏蔽效能的影響為了研究電磁脈沖的孔縫耦合效應(yīng),筆者以矩形縫腔體為研究目標(biāo),在其內(nèi)部選取孔縫處和中心處進(jìn)行觀察,分別得到電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)域波形如圖2所示?？梢?UWB電磁脈沖進(jìn)入腔體后呈現(xiàn)出諧振現(xiàn)象。電磁脈沖通過孔縫耦合進(jìn)入腔體的短暫過程中,孔縫處的電場(chǎng)強(qiáng)度較大,傳播到達(dá)腔體中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度較小。激勵(lì)脈沖結(jié)束后,腔體內(nèi)的電磁波通過孔縫向外輻射,導(dǎo)致兩個(gè)觀察點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度都逐漸衰減。對(duì)腔體中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)域波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),即得到如圖3實(shí)線所示的頻域波形。根據(jù)諧振腔理論該矩形縫腔體的主模為TE101,對(duì)應(yīng)的主模頻率為f101=1.768GHz,這與圖3實(shí)線所示的第1個(gè)諧振頻率1.785GHz較符合。該腔體的矩形縫可視為矩形波導(dǎo)截面,TE10波為矩形波導(dǎo)的主模,對(duì)應(yīng)的孔縫耦合共振頻率為1.875GHz,這與圖3實(shí)線所示的第2個(gè)諧振頻率1.894GHz較符合。第3個(gè)、第4個(gè)諧振頻率分別對(duì)應(yīng)于腔體的TE102和TE112模式,但有一定的誤差。誤差的產(chǎn)生來自于孔縫的存在,由于均勻網(wǎng)格對(duì)高頻分量的模擬精度下降,也導(dǎo)致誤差隨著諧振頻率的升高呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。根據(jù)屏蔽效能的概念,得到矩形縫腔體的屏蔽效能曲線如圖3的虛線所示。SE曲線的各個(gè)極小值點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于腔體各次諧波的諧振頻率?？梢?當(dāng)入射波頻率等于腔體諧振頻率時(shí),將給電子設(shè)備帶來嚴(yán)重威脅。對(duì)于矩形縫腔體,入射波極化方向的改變會(huì)影響電磁脈沖耦合進(jìn)入腔體的能量,從而影響腔體的屏蔽效能。為研究矩形縫的這一極化特性,將電場(chǎng)極化方向分別設(shè)置為平行于矩形縫短邊(+y方向)和平行于矩形縫長邊(+z方向),得到不同極化方向下腔體屏的蔽效能曲線如圖4所示。將腔體上的矩形縫近似為矩形波導(dǎo)截面,其對(duì)應(yīng)的主模截止波長為,其中為垂直于電場(chǎng)方向的孔縫長度。不同于幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱的圓形孔或方形孔,矩形縫情況下改變?nèi)肷洳O化方向會(huì)使主模的截止波長發(fā)生改變,進(jìn)而改變孔縫耦合共振頻率。當(dāng)入射波電場(chǎng)的極化方向平行于孔縫的短邊時(shí),其孔縫耦合共振頻率最低,耦合進(jìn)入腔體的能量最多,腔體的屏蔽效能最差;當(dāng)入射波電場(chǎng)的極化方向平行于孔縫的長邊時(shí),其孔縫耦合共振頻率最高,耦合進(jìn)入腔體的能量最少,腔體的屏蔽效能最好。其他極化方向都是這2種情況的線性組合,腔體的屏蔽效能介于兩者之間。對(duì)于腔體表面必需的孔縫,在保持通風(fēng)效果不變的情況下,筆者討論了不同的孔縫結(jié)構(gòu)對(duì)腔體屏蔽效能的影響。保持孔縫面積為20cm2,在腔體的一側(cè)分別開有矩形縫、圓形孔和方形孔,得到腔體的屏蔽效能曲線如圖5所示。可見,腔體開有矩形縫時(shí)屏蔽效能最差,開有圓孔和方孔時(shí)屏蔽效能較好且非常接近。將單個(gè)方孔分解為4個(gè)小方孔,對(duì)稱的排列于腔體開孔壁上,得到腔體的屏蔽效能曲線如圖6所示?？梢?將單一孔縫分解為多個(gè)小孔陣可有效提高腔體的屏蔽效能?？疾祀p層屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽效能的影響如圖7所示,其中腔體的內(nèi)層與外層相距3cm。由于雙層屏蔽構(gòu)造了幾何尺寸稍小的內(nèi)層腔體,使整個(gè)腔體的諧振頻率提高,同時(shí)適當(dāng)提高了屏蔽效能。計(jì)算機(jī)機(jī)箱的光驅(qū)開口處通常設(shè)置有一塊塑料擋板,在保持機(jī)箱內(nèi)部清潔的同時(shí)也起到了電磁屏蔽的功能。本文選擇矩形縫腔體為研究目標(biāo),在孔縫處填充相對(duì)介電常數(shù)為1.5的無耗介質(zhì)材料,得到對(duì)應(yīng)的腔體屏蔽效能如圖8所示?？梢娫诳卓p處填充介質(zhì)可以有效的提高屏蔽效能,在低頻段的改善效果尤為明顯。3腔體抗振設(shè)計(jì)本文利用TDFEM仿真分析了UWB電磁脈沖對(duì)金屬腔體的孔縫耦合效應(yīng),并通過頻譜分析研究了影響腔體屏蔽效能的