计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用

矩量法通用性的不足从某种程度上说换来了高精度、高效率。虽然原则上说，三种方法精度相当，然而实际计算表明，矩量法精度最高，有限元次之，时域有限差分最差。其原因是矩量法没有数值色散误差，其他两种都有。时域有限差分不仅有数值色散误差，且模拟复杂几何形状的误差一般也要大于其他两种数值方法。

　　2 计算电磁学在电磁兼容领域的应用

　　航空用电设备电磁兼容问题类主要有天线间的耦合干扰、场线耦合，机箱的屏蔽性能等。若在用电设备设计初期就能考虑电磁兼容性问题，就能比较容易地满足飞行器上电磁兼容性的要求，同时也节约了产品测试成本。因此，利用数值方法对电磁兼容问题进行仿真计算，并对计算结果进行分析，就可以有效地对设备的电磁兼容性进行预测和评估，为设备电磁兼容设计提供可靠的理论依据，并具有重要的实际意义。

　　2.1 天线耦合问题

　　飞行器上的天线形式多样，工作时要求能够与其他天线兼容，因此天线的布局设计尤为重要。若要减小天线间的耦合，就要选择使两天线间耦合系数尽可能小地点放置天线，但又要考虑天线本身的辐射特性最佳等诸多因素。因此实际天线布局设计是一个综合性的调整过程，预先计算天线间的耦合系数，对于系统发挥最大功效并电磁兼容性良好来说，是非常重要的。

　　当天线端口匹配时，天线间的耦合度可以表示为：

　　式中：Pr为接收天线接收到的功率;Pt为发射天线的输入功率。

　　算例分析：两个喇叭天线相对放置，两天线间放置一块金属板，可以有效去除直线上的直接耦合。采用有限元法计算两个喇叭天线的耦合系数。图2为喇叭天线的仿真模型。图3为计算得到天线间的耦合系数。

2.2 开缝箱体屏蔽效能计算

　　一般情况下，航空电子设备都是用金属箱体来屏蔽外界电磁干扰的。机箱上可能在盖板、通风散热孔、电源信号线处存在孔缝隙，电磁能量可通过屏蔽机箱上这些孔缝直接进入电子设备，孔缝耦合作用严重影响了机箱的屏蔽性能，降低设备或系统的可靠性。因此需要对机箱的屏蔽效能进行数值仿真，使敏感器件避开场的峰值区域，提高电子设备的抗干扰能力。

　　屏蔽体的好坏用屏蔽效能来描述，屏蔽效能表现了屏蔽体对电磁波的衰减程度，定义为屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点的场强之比。用公式表示为：

　　式中：E0为屏蔽前某点的电场强度;Es为屏蔽后某点的电场强度。

　　算例分析：某一用电设备机箱，其正面中心处有一缝隙，并面对入射波方向。在小孔面积相同的情况下，考虑了圆形孔、正方形孔和两个尺寸不同的矩形孔四种情况，如图4所示。利用FDTD方法计算四种情况下机箱的屏蔽效能。图5为计算得到的不同尺寸孔缝屏蔽效能的对比。由仿真结果可知，在开孔面积相同的情况下，当入射波电场方向平行于长方形孔的短边时，耦合进箱体的场强最强，相应的箱体屏蔽效果越差，且长边与短边的比值越大，屏蔽效果也越差;当入射波电场方向平行于长方形孔的长边时，耦合场强最弱，箱体的屏蔽效果最好。

　　2.3 场线耦合问题

　　互连电缆通常是航空通信、电力、电子等系统中电磁兼容性能较为薄弱的环节，外部环境对互连电缆的耦合经常造成系统性能的降低，甚至失效。研究其对与外部环境电磁场的耦合机理，对于系统电磁防护及电磁兼容分析有着重要的意义。算例分析：在平面波照射下，采用矩量法，计算得到屏蔽同轴电缆上产生的感应电压，如图6所示，并计算得到不同线型(如平行双线、双绞线)上产生的感应电流，如图7所示。由仿真结果分析可知，双绞线上的耦合电流比平行双线小很多，从抗干扰的角度来讲应尽可能采用双绞线代替平行双线。

　　3 结语

　　随着计算电磁学的高速发展，必将促进多种数值方法的不断涌现，其在电磁兼容领域必将得到更为广泛的应用。为航空用电设备的电磁兼容性设计提供了理论依据，实现了电磁兼容设计的有效性和科学性，从而满足航空通信，电子系统电磁兼容的要求。