CN101344417A - 油量表抗电磁耦合干扰的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，包括步骤：1)确定需要屏蔽的干扰源的频谱特性；2)确定油量表的敏感特性，对实际受扰的油量表进行敏感度测试，拟合出敏感特性曲线；3)根据截止波导的相关理论，根据实际的屏蔽需求和油量表的工作环境要求，计算屏蔽体的的圆孔尺寸；4)在计算机中建立仿真模型，并进行数值仿真运算，比对屏蔽效果；5)结合上述计算结果，指导加工实物。本发明解决了机载油量表受电磁干扰问题，使其可以在电磁辐射下正常工作，同时又不影响油量表的正常工作，所设计的屏蔽体重量轻，具有良好的透油性，使得油量表传感器的工作不受影响。

Description

油量表抗电磁耦合干扰的设计方法

技术领域

本发明是一种油量表抗电磁干扰的屏蔽体的设计方法，属于应用基础领域。

背景技术

当今电子设备及电子系统的发展趋势是多功能、高灵敏度、小型化、集成化，由此伴随而来的系统电磁兼容性问题异常复杂。飞机拥有众多的电子设备，信号繁多，线路复杂，电磁环境十分苛刻。其中电磁耦合干扰是机载设备出现电磁兼容问题的一个很重要的原因。机载设备中，油量表是众多电子设备之一，其能否稳定工作，是确保飞机安全飞行的一个重要原因。实际测试中发现，当电台进行通信时，油量表的油量值会无序跳变，严重影响了飞机的安全飞行。

图3为受干扰油量表的简单结构示意图，图4为油量表前端传感器的简单示意图。根据油量表前端传感器的物理特征，在两极板间加载电压源，图6～图7为采用数值算法计算出传感器的在某一频点辐射方向图。由于机腹天线为全向天线，与传感器的相对位置如图9所示，可知油量表前端传感器很容易受电磁耦合干扰(频率依据机载电台)。又由于油量表的工作环境的特殊性，即其前端传感器需浸入油中，所以需要针对上述特殊情况设计屏蔽体，用来较好的屏蔽外界电磁波的干扰。

发明内容

本发明的目的是针对这一技术问题提出一种针对油量表的抗电磁干扰的屏蔽体的设计方法。该方法解决问题简便明了，工程可实施性好，具有一定的扩展性。

本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：

一种油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定需要屏蔽的干扰源的频谱特性；

2)确定油量表的敏感特性，对实际受扰的油量表进行敏感度测试，拟合出敏感特性曲线；

3)根据截止波导的相关理论，根据实际的屏蔽需求和油量表的工作环境要求，计算屏蔽体的圆孔尺寸；

4)在计算机中建立仿真模型，并进行数值仿真运算，比对屏蔽效果；

5)结合上述计算结果，指导加工实物。

进一步地：

在所述步骤1)中，可以根据需要屏蔽的干扰源给出的频率和功率技术指标，确定其频谱特性。

在所述步骤1)中，也可通过实际测试的方法确定需要屏蔽的干扰源的频谱特性，这时采用不同接收频段的天线和接收机来测量实际干扰源的频率及幅值。

在所述步骤2)中，依据军标RS103的规定，使用所需频率的发射天线、功率放大器、信号源、场强计、场强探头对实际受扰的油量表进行敏感度测试。

本发明的优点在于：

1解决了机载油量表受电磁干扰问题。该方法为机载油量表前端传感器提供一个可以抵御电磁干扰的屏蔽体，使其可以在电磁辐射(根据机载设备的频率)下正常工作，同时又不影响油量表的正常工作。

2可实施性好，易于工程实践。本方法基本从系统的外围考虑，没有更改系统内部电路，方法简便，易于工程实践。其中所设计的屏蔽体采用合成材料表面镀铜以及屏蔽体打孔的方法，大大减小了屏蔽体的重量，既满足机载设备对重量严格限制的要求，又具有良好透油性，从而不影响传感器的工作。

附图说明

图1为测量仪器布置图；

图2为设计的屏蔽体结构样图；

图3为受干扰油量表的简单结构示意图；

图4为油量表前端传感器的简单示意图；

图5表示圆波导的前几个TE模和TM模的截止频率；

图6～图7为油量表前端传感器的等效天线方向图；

图8为油量表系统的敏感特性曲线；

图9为机腹天线与传感器的相对位置图；

图10为电磁屏蔽体的屏蔽效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明是一种机载油量表的抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，基于截止波导的相关理论，包括数学建模和数值运算，根据计算结果进行屏蔽体的合理设计。该方法的具体步骤为：

(1)确定干扰源的频谱特性：确定需要屏蔽的干扰源的频谱特性，一般机载电台会给出相应的技术指标，如频率和功率。若实际电磁环境不清楚，采用实际测试的方法确定机载干扰源的特性，测试方法有许多种，可采用不同接收频段的天线和接收机来测量实际干扰源的频率及幅值；

(2)确定油量表的敏感特性。对实际受扰的油量表进行敏感度测试，拟合出敏感特性曲线；测试时，一般可依据军标的规定RS103进行。即使用所需频率的发射天线、功率放大器、信号源、场强计、场强探头等构成，具体测量时的仪器布置如图1所示。

根据测试所得的离散点，可拟合出油量表系统的敏感特性曲线，如图8所示。

(3)根据实际测试的敏感度曲线，确定所设计的屏蔽体应提供的屏蔽效能值。由于设计屏蔽体时，应以系统敏感门限最低值为基础，以图8为例，敏感门限最小值为20v/m，若达到军标规定要求，屏蔽体至少需提供20dB的屏蔽效能值。

由于机载油量表前端传感器工作于飞机油料中，所以根据传感器的物理特征设计出开有圆孔的金属筒状屏蔽体。金属筒上的圆孔可以较好使油料顺畅通过而不会影响传感器的工作。

圆孔的大小主要是依据截至波导的性质。现将相关理论陈述如下：

假定电磁波沿e^-jβz传播，其中 $k_c^2=k^2-{\mathrm{\β}}^2.$ 我们知道圆波导支持TE、TM型电磁波，对于TE模，E_z＝0，而H_z是波方程：

${\▿}^2{H}_z+k^2{H}_z=0---\left(1\right)$

的解。若H_z(ρ，φ，z)＝h_z(ρ，φ)e^-jβz，则式(1)可以用圆柱坐标系表示成：

$(\frac{{\∂}^2}{{\∂\mathrm{\ρ}}^2}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ρ}}+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂\mathrm{\φ}}^2}+k_c^2)h_z(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})=0---\left(2\right)$

这样可得：

h_z(ρ，φ)＝[Asin(nφ)+Bcos(nφ)]J_n(k_cρ)    (3)

由波导壁上的边界条件E_tan＝0，以及圆波导在圆柱坐标系中的横向场的关系式可得：

$E_{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ},z)=\frac{\mathrm{j\ω\μ}}{k_c}[A\sin \left(\mathrm{n\φ}\right)+B\cos \left(\mathrm{n\φ}\right)]J_n^{\′}\left(k_c\mathrm{\ρ}\right)e^{-\mathrm{j\βz}}---\left(4\right)$

J′_n(k_cρ)是J_n对其自变量的微商，假如J′_n(x)的根定义为p′_nm，则可得截止波数 $k_c=\frac{p_{\mathrm{nm}}^{\′}}{a},$ a为圆波导的半径。表1为圆波导TE模前几项的p′_nm值。

N	p′n1	p′n2	p′n3
				0	3.832	7.016	10.174
1	1.841	5.331	8.536
				2	3.054	6.706	9.970

表1

可得截止频率为：

$f_{\mathrm{Cmn}}=\frac{k_c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}=\frac{p_{\mathrm{mn}}^{\′}}{2\mathrm{\πa}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}---\left(5\right)$

同理对于TM模，其截止频率为：

$f_{\mathrm{Cmn}}=\frac{k_c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}=\frac{p_{\mathrm{nm}}}{2\mathrm{\πa}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}---\left(6\right)$

图5为TE和TM模的截止频率的相对值。从图中可见，TE₁₁模的截止频率最低。由于TE₁₁模的截止频率最低，遂设计时以其截止频率为基准。求得截止频率后，依据下面的公式计算屏蔽效能：

$\mathrm{SE}=1.823\×f_{\mathrm{Cmn}}\×L\×{10}^{-9}\sqrt{1-{\left(\frac{f}{f_{\mathrm{Cmn}}}\right)}^2}---\left(7\right)$

其中L为波导的长度，f是干扰信号频率。

除上述原理外，金属筒开孔时还有以下三个原则：

a、开同等面积的孔时，尽量用圆孔代替方形孔；

b、孔阵列的排列要规则；

c、金属线尽量不要从孔中穿过。

依据上述原则，设计的屏蔽体如图2所示：即具有一定厚度的筒状结构，在筒的柱面开有许多圆孔，筒的材料为表面镀铜的合成材料。

(4)在计算机中建立仿真模型，并进行数值仿真运算，比对屏蔽效果，图10为屏蔽效果图。图中显示了在开孔直径为1cm，厚度为2cm的电场的分布图，其中浅色区域为屏蔽体的包围空间，可以看出屏蔽效果很显著，图中所用辐射源为平面波，考虑到屏蔽体的屏蔽效能随外界干扰频率的升高而降低的特性，所选频率为电台最高工作频率，幅值为1v/m。

(5)结合上述计算结果，指导加工实物。

Claims (6)

1.一种油量表抗电磁耦合干扰的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定需要屏蔽的干扰源的频谱特性；

2)确定油量表的敏感特性，对实际受扰的油量表进行敏感度测试，根据测试所得的离散点，拟合出敏感特性曲线；

3)根据截止波导的相关理论，实际的屏蔽需求和油量表的工作环境要求，设计抗电磁干扰的屏蔽体；

4)在计算机中建立仿真模型，并进行数值仿真运算，比对屏蔽效果；

5)结合上述计算结果，指导加工实物。

2.如权利要求1所述的油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于：

在所述步骤1)中，根据需要屏蔽的干扰源给出的频率和功率技术指标，确定其频谱特性。

3.如权利要求3所述的油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于：

在所述步骤1)中，采用不同接收频段的天线和接收机来测量实际干扰源的频率及幅值。

4.如权利要求1所述的油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于：

在所述步骤2)中，依据军标RS103的规定，使用所需频率的发射天线、功率放大器、信号源、场强计、场强探头对实际受扰的油量表进行敏感度测试。

5.如权利要求1所述的油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于：

在所述步骤3)中，根据传感器的物理特征设计出开有圆孔的金属筒状屏蔽体，依据截至波导的性质设计圆孔的大小。

6.如权利要求6所述的油量表抗电磁干扰屏蔽体的设计方法，其特征在于：

设计圆孔的大小时，以圆波导的截止频率最低的截止频率为基准，求得截止频率后，依据下面的公式计算屏蔽效能：

$\mathrm{SE}=1.823\×f_{\mathrm{Cmn}}\×L\×{10}^{-9}\sqrt{1-{\left(\frac{f}{f_{\mathrm{Cmn}}}\right)}^2}$

其中SE为屏蔽效能，L为波导的长度，f是干扰信号频率。

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