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POSI-59
闪电对机载超短波天线的影响
王建强1，谢书国2，郭回3
1北京航空航天大学EMC技术学院北京市海淀区学园路37号100191，3704302390ne@gmail.com
2北京航空航天大学电磁技术学院，中国北京市海淀区薛园路37号100191，xgxie888@163.com
3哈尔滨工程大学信息与通信工程学院中国黑龙江哈尔滨150001南岗街道南通街145号，
chinamengh823 @ 126.com
摘要：雷击在飞机上引起严重的表面电流并耦合到机载航空电子设备产生较高的峰值电流。本研究分析了直接雷击对机载超短波天线的间接影响。雷击信号和初始闪电附着区域是以GJB 1389A-2005为基础的。使用CST MICROSTRIPEStrade;模拟表面电流密度在机身和天线端口的感应电压和电流并使用模拟结果计算端口中的电力。分析结果：雷击耦合的能量足以破坏接收器，特别是工作在遭受雷击的天线旁边的发动机。
关键词：雷击感应电压和电流; 表面电流; 超短波天线; 能流密度
- 引言
- 研究表明，商业客机[1]每年至少会遭受一次雷击，防雷保护对于飞机和机载航空电子设备至关重要。固定在飞机上的实体天线，它们对高强度EMP如闪电非常敏感，因此研究雷击对其的影响至关重要。
- 孔径耦合的研究是目前雷电防护研究的主流[2]。因此，本文主要研究分析固定在飞机上的天线的端口耦合和表面电流分布情况。在[3]中，曽进行过类似的研究，本文对原来的方法进行了改进。对于雷电附着区的一般分析，模拟了五种情况。 测量电场和磁场强度，并计算引入接收机的功率。
2. 雷击数学模型
图1.闪电电流信号
根据GJB 1389A-2005，雷击电流模型如下：
其中，I0是当前峰值，alpha;是前衰减系数，beta;是末衰减系数，本文中，图一表明了雷击强度，所以：I0=218810，alpha;=11354, beta;=647265。
3.飞机和天线模型
使用CATIA进行飞机模型创建，并用AN8Y8软件二次优化。飞机模型的机身是空心的，为模仿实际情况它的材料选择的是铝。 本文不涉及机身的屏蔽效能，所以飞机上的门窗并未考虑建模。飞机的尺寸：长38.5米，宽38.8米，高10米。超短波天线工作的中心频率为120MHz。 它固定在机身上下方（左侧）：
图2.天线固定在左翼下
图3和图4是其端口反射特性和方向：
图三：天线的S11曲线 图4：天线的三维方向图
如图 3所示，天线的中心频率约为120MHz，频率低、衰减严重。S11曲线频率在100MHz时大约为0.7，所以VSWR(电压驻波比)的值为5.67，这对接受信号来说是非常不利的。图4是通过仿真软件FEKO，将天线三维方向图固定在飞机上的三维方向图。这将是理想的完美的全向定向天线条件。然而，由于机身的作用，方向图变得不对称，如何解决这个问题还需要继续研究。
4.仿真与分析
4.1表面电流分布
当雷电闪击到飞机时，飞机的表面感应电流将通过机内路线放电。在本文中，模拟了五种可能的放电路线，如图5所示。由于试验中，有一个超短波天线固定在飞机左翼下方，使飞机不对称。因此，需要进行五种放电路线的模拟而不是三种。
图5.五种放电路径
如图5所示，箭头指向的方向被设置为闪电输入点和箭头出来的方向设置为输出方向。闪电放电通过导线流入和放电。图6显示了飞机表面电流分布最大的区域。
图6.表面电流分布
如图6所示，对整个机身而言，机身头部被直接雷击的影响是最严重的。这种情况下，相对较高强度的表面电流遍布机身。 相比之下，当机翼上的发动机被击中时，表面电流分布被限制在比其他条件小得多的区域。
4.2感应电压和电流
此外，在端口的中心设置3个电场和3个磁场探测器，以得到用于计算能量流密度S的E和H。图7和8可得出由探针测量的EX，Ey，Ez和HX，Hy，Hz。 （以第一种放电路线测定的数据为例）
图7.端口中心的电场 图8.端口中心的磁场
通过 图7和图8所示，我们可看出接收器接收到的电场和磁场的瞬态值达到很高的水平。电场达到2.8兆伏特/米，磁场4.1千伏安/米。 大约五微秒后，信号上升到最大值，然后保持在约七微秒的值。
计算天线耦合了雷击的多少能量，可用以下公式计算能流密度：
S=Etimes;H
S，E和H都是向量，它们符合右手定则，拇指指向S的方向，右手的手指表示E和H的方向[4]。 那么，如果某一点的电场强度E和磁场强度H是已知的，则可以从上述公式中求出能流密度的矢量。
在本文中，为使天线端口能够传输S的方向必须指向 z方向。 考虑到最不利的条件，E和H的最大值如表1所示：
表1 端口中心的E，H和S的最大值
然后可以分别计算出在五种放电方式中端口中心的最大能流密度向量S。我们发现在路径3中S没有指向 z方向，并只有两组E和H满足要求。假设在端口中心处的S均匀分布在端口上，则在最不利条件下传输到接收机的能量可以用以下表达式计算：
其中A表示圆形端口的表面，其半径为1.15mm; 则上述表达式可以转化为：
其中alpha;表示矢量Etimes;H和d S之间的角度; 在本研究的情况下，alpha;为0°，Etimes;H为是最大的。向量S的模可由表1得出，所以上述表达式可以转换为：
其中SA表示圆形端口的面积; 然后通过天线端口从雷击接收的能量的计算结果如表2所示。（这是在能流密度最大的情况下。）
表2 天线端口通过五种路径耦合到的能量
5.结论
直接雷击是威胁飞机飞行安全的一种自然现象。在最严重的情况下，接收机将遭受瞬态功率为66.536 d Bm W的电流冲击，其电场强度高达百万每伏特。尽管超短波天线降低了雷电的头部和前部的低频能量，但耦合到的雷电能量仍严重超过了接收机的承受范围，。 如果天线旁边的发动机受到攻击，其影响将是最严重的。
通过分析飞机上的表面感应电流分布，发现当机身头部受到雷击时对整个机身的影响是最大的。
致谢
在我的老师谢博士和刘博士的帮助下，使得这项工作顺利能完成。在此要感谢他们给我的建议。
参考文献
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[10] CST Gmb H, Germany, CST MICROSTRIPES Reference Manual, 2009, WWW.cst.com.
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