超宽带电磁脉冲照射下带孔缝金属腔体屏蔽效能的时域有限元分析

超宽带电磁脉冲照射下带孔缝金属腔体屏蔽效能的时域有限元分析

现代信息战争依赖于高级别计算机。随着战场电磁环境的日益复杂，各种电磁脉冲，如电磁脉冲、电磁脉冲武器等，对电子设备构成了严重威胁。如何有效提高电磁脉冲环境下设备的干扰和抗伤性具有极其重要的军事意义。电子设备通常采用金属机箱进行屏蔽,然而为满足系统功能或散热需要,机箱上都不可避免的存在孔缝,这为电磁脉冲耦合进入机箱提供了通道。因此研究电磁脉冲对腔体的孔缝耦合效应,以提高其屏蔽效能就显得尤为重要。对于腔体孔缝耦合效应的研究,国内外学者做了大量工作。文献使用多层快速多极子矩量法(MoM)研究了不同形状和不同大小孔缝的耦合效应,计算了腔体的屏蔽效能并提出了电磁防护方法。文献利用传输线法(TLM)对不同的开槽组合进行比较,分析了影响屏蔽效能的因素。文献利用时域有限差分方法(FDTD)研究了电磁波通过孔缝耦合引起的腔模共振现象,并进行了相关的实验研究。笔者采用时域有限元方法(TDFEM)研究电磁脉冲照射下带孔缝腔体的瞬态耦合响应和宽频电磁特性,其四面体网格可以很好的模拟不同结构的孔缝,进而分析不同的孔缝结构对腔体屏蔽效能的影响。同时由于TDFEM适用于模拟介质特性目标,笔者考察了如计算机机箱的光驱等在孔缝处加载介质材料对屏蔽效能的影响,为电子设备机箱的设计和电磁防护提出了新的思路。1理论基础1.1计算方法的建立本文以如图1所示的理想电导体屏蔽腔为研究对象。腔体尺寸为12cm×12cm×12cm,在其一侧开有不同的孔缝,孔缝中心与yz面腔体壁的几何中心重合。将总场—散射场划分技术中的体激励法(VETSFD)应用到TDFEM中,引入连接边界(CB)将计算区域划分为总场区(TF)和散射场区(SF)。采用Mur条件通过吸收边界(AB)对计算区域进行截断。整个计算区域的总泛函为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(ˆnAB×Es)⋅(ˆnAB×∂∂t2Es)]dSAB‚(1)式中:ˆnAB为吸收边界(AB)表面单位外法向矢量。Et,Es和Einc分别代表总场、散射场和入射场,且满足Et(r,t)=Es(r,t)+Einc(r,t)。建立计算区域模型并利用四面体网格剖分,在单元内总场、散射场及入射场均采用相同的矢量基函数进行差值,通过经典的里兹方法离散计算区域得到常微分方程。随后使用恒稳的Newmark方法对时间步进行离散,得到差分方程。进一步,采用共轭梯度法(CGM)求解差分方程获得本时间步内的电场分布,通过迭代获得计算空间内任意一点的时域响应特性。最后通过FFT变换即可一次获得电磁特性的宽频带特性。1.2高斯脉冲模拟目前用来模拟战场电磁环境的脉冲形式主要有核电磁脉冲(NEMP)、快上升前沿脉冲(FREMP)和超宽带(UWB)电磁脉冲等。其中,UWB电磁脉冲更容易通过目标上的孔缝耦合进入机箱,对电子设备产生的干扰和毁伤效应更为明显。因此选用UWB电磁脉冲作为入射脉冲,用高斯脉冲进行模拟:Einc(t)=E0exp(-4π(t-t0)2τ2)。(2)式中:Einc(t)为脉冲场强大小;E0决定脉冲峰值大小;t0决定脉冲峰值的出现时刻;τ决定脉冲宽度。选择E0=1000V/m,t0=0.16×10-9,τ=0.2×10-9,脉冲频宽为10GHz,由于高斯脉冲的能量集中于低频段,本文考查的频带范围为0～5GHz。设目标在激励源的远场区域,入射波沿+x轴入射,电场极化方向为+y方向。选取时间步Δt=6.7×10-12s,时间步长为4096。1.3屏蔽效能的测试为了评价带孔缝腔体在UWB电磁脉冲耦合下的屏蔽效果,引入屏蔽效能(SE)的概念。屏蔽效能是指未加屏蔽时某一待测点的场强Ei与同一待测点加屏蔽时的场强Es之比:SE=20lg(EiEs)(3)屏蔽效能的值越大,表示耦合进腔体的场强越小,屏蔽效果越好。腔体内不同点所对应的屏蔽效能不同,本文选择腔体的几何中心点来考察屏蔽效能。2孔缝结构对腔体屏蔽效能的影响为了研究电磁脉冲的孔缝耦合效应,笔者以矩形缝腔体为研究目标,在其内部选取孔缝处和中心处进行观察,分别得到电场强度的时域波形如图2所示。可见,UWB电磁脉冲进入腔体后呈现出谐振现象。电磁脉冲通过孔缝耦合进入腔体的短暂过程中,孔缝处的电场强度较大,传播到达腔体中心处的电场强度较小。激励脉冲结束后,腔体内的电磁波通过孔缝向外辐射,导致两个观察点处的电场强度都逐渐衰减。对腔体中心处的电场强度时域波形进行快速傅里叶变换(FFT),即得到如图3实线所示的频域波形。根据谐振腔理论该矩形缝腔体的主模为TE101,对应的主模频率为f101=1.768GHz,这与图3实线所示的第1个谐振频率1.785GHz较符合。该腔体的矩形缝可视为矩形波导截面,TE10波为矩形波导的主模,对应的孔缝耦合共振频率为1.875GHz,这与图3实线所示的第2个谐振频率1.894GHz较符合。第3个、第4个谐振频率分别对应于腔体的TE102和TE112模式,但有一定的误差。误差的产生来自于孔缝的存在,由于均匀网格对高频分量的模拟精度下降,也导致误差随着谐振频率的升高呈现出上升的趋势。根据屏蔽效能的概念,得到矩形缝腔体的屏蔽效能曲线如图3的虚线所示。SE曲线的各个极小值点分别对应于腔体各次谐波的谐振频率。可见,当入射波频率等于腔体谐振频率时,将给电子设备带来严重威胁。对于矩形缝腔体,入射波极化方向的改变会影响电磁脉冲耦合进入腔体的能量,从而影响腔体的屏蔽效能。为研究矩形缝的这一极化特性,将电场极化方向分别设置为平行于矩形缝短边(+y方向)和平行于矩形缝长边(+z方向),得到不同极化方向下腔体屏的蔽效能曲线如图4所示。将腔体上的矩形缝近似为矩形波导截面,其对应的主模截止波长为,其中为垂直于电场方向的孔缝长度。不同于几何结构对称的圆形孔或方形孔,矩形缝情况下改变入射波极化方向会使主模的截止波长发生改变,进而改变孔缝耦合共振频率。当入射波电场的极化方向平行于孔缝的短边时,其孔缝耦合共振频率最低,耦合进入腔体的能量最多,腔体的屏蔽效能最差;当入射波电场的极化方向平行于孔缝的长边时,其孔缝耦合共振频率最高,耦合进入腔体的能量最少,腔体的屏蔽效能最好。其他极化方向都是这2种情况的线性组合,腔体的屏蔽效能介于两者之间。对于腔体表面必需的孔缝,在保持通风效果不变的情况下,笔者讨论了不同的孔缝结构对腔体屏蔽效能的影响。保持孔缝面积为20cm2,在腔体的一侧分别开有矩形缝、圆形孔和方形孔,得到腔体的屏蔽效能曲线如图5所示。可见,腔体开有矩形缝时屏蔽效能最差,开有圆孔和方孔时屏蔽效能较好且非常接近。将单个方孔分解为4个小方孔,对称的排列于腔体开孔壁上,得到腔体的屏蔽效能曲线如图6所示。可见,将单一孔缝分解为多个小孔阵可有效提高腔体的屏蔽效能。考察双层屏蔽结构对屏蔽效能的影响如图7所示,其中腔体的内层与外层相距3cm。由于双层屏蔽构造了几何尺寸稍小的内层腔体,使整个腔体的谐振频率提高,同时适当提高了屏蔽效能。计算机机箱的光驱开口处通常设置有一块塑料挡板,在保持机箱内部清洁的同时也起到了电磁屏蔽的功能。本文选择矩形缝腔体为研究目标,在孔缝处填充相对介电常数为1.5的无耗介质材料,得到对应的腔体屏蔽效能如图8所示。可见在孔缝处填充介质可以有效的提高屏蔽效能,在低频段的改善效果尤为明显。3腔体抗振设计本文利用TDFEM仿真分析了UWB电磁脉冲对金属腔体的孔缝耦合效应,并通过频谱分析研究了影响腔体屏蔽效能的