Ansoft HFSS在電磁屏蔽設計中的應用

白旭東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,電子設備內(nèi)部的元器件和功率密度不斷增加,再加上各種內(nèi)外干擾源,使得電子設備的應用電磁環(huán)境變得極為惡劣。如何控制和消除電磁干擾成為電磁兼容領域研究的中心課題。對于電子設備的信息輻射泄漏或外部輻射的電磁干擾,屏蔽技術(shù)是最有效的一種手段[1]。同時,因為通風、散熱等要求,系統(tǒng)的孔縫不可避免。通過對孔縫電磁耦合的數(shù)值仿真,計算屏蔽體內(nèi)場的分布,有利于指導電路和器件的合理布局,使敏感器件避開場的峰值區(qū)域,提高電子設備的抗干擾能力。Ansoft HFSS軟件是基于有限元方法原理編制的,可用于對孔縫電磁耦合的數(shù)值仿真,計算屏蔽體內(nèi)場的分布和屏蔽體的屏蔽效能。

1 電磁屏蔽效能

屏蔽是用導電或?qū)Т挪牧?或是既導電又導磁的材料,制成各種形狀的屏蔽體,將電磁能量限制在一定空間范圍內(nèi)從而有效抑制輻射干擾的一種方法。

1.1 屏蔽分類

由于輻射干擾在各個頻段均可能發(fā)生,而各頻段的屏蔽原理卻各不相同,因而要先對屏蔽加以分類。對于不同場源,其電場分量和磁場分量總是同時存在的,只是在較低的頻率范圍內(nèi),干擾一般發(fā)生在近場。高阻抗電場源的近場主要為電場分量,低阻抗磁場源的近場主要為磁場分量。當頻率增高時,干擾趨于遠場,此時其電場分量和磁場分量均不可忽略。對于上述3種情況的屏蔽分別稱為:電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

1.2 屏蔽效能

屏蔽體的屏蔽性能用屏蔽效能度量,屏蔽效能是指未加屏蔽時某一測點的場強E0和H0與同一測點加屏蔽時的場強ES和HS之比,當以dB為單位時,屏蔽體屏蔽效能的數(shù)學表達式為:

屏蔽效能表征了屏蔽體對電磁波衰減程度,其關系如表1所示。

表1 屏蔽效能與場強衰減的關系

1.3 孔縫對屏蔽效能的影響

沒有任何孔洞和縫隙的連續(xù)金屬板具有很高的電磁屏蔽效能。電磁輻射對電子設備的干擾主要通過電子設備上的孔縫耦合進入機殼內(nèi)部[2]。對孔洞而言,影響其電磁能量泄漏的因素很多,其中最主要的是孔洞的面積和形狀。實驗證明,對于某一個固定場源,電磁泄漏隨孔洞面積增加而增加,孔洞面積相同的情況下,矩形孔泄漏大于圓形孔。關于縫隙對屏蔽體屏蔽效能的影響,可從縫隙對入射電磁波的屏蔽作用入手來分析?？p隙的屏蔽作用由兩部分構(gòu)成:①由于縫隙開口處的阻抗與自由空間的阻抗不同而造成的反射損耗;②當電磁波投入縫隙后,在縫隙內(nèi)傳輸時產(chǎn)生的傳輸損耗。

電磁波照射到屏蔽機殼的孔縫,會發(fā)生電磁散射和透射現(xiàn)象。為表征孔縫對微波的耦合特性,定義電場屏蔽效能:

2 有限元原理

當前流行的電磁仿真軟件種類比較多,主要有HFSS、FEKO、EMC2000、CST[3]。采用的計算方法主要是有限元法、矩量法,時域差分法,有限體積法,物理光學,一致性繞射理論,以及一些混合算法。HFSS軟件由美國Ansoft公司研制,采用的主要算法是有限元法。

由麥克斯韋方程組中的旋度方程可以得出無源空間中電場的波動方程。有限元法引入一個包圍該物體的虛構(gòu)面,將無限的區(qū)域截斷為有限的體積。應用變分原理,得到波動方程的泛函。加入邊界條件和源項后,把四面體棱邊元作為子域劃分的基本離散單元,建立方程組,最終求解得到電磁場的數(shù)值解。

有限元法的基本思想是將一個連續(xù)域離散化為有限個單元,并通過有限個結(jié)點相連接的等效集合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合,且單元本身可以有不同形狀,因此可以模型化幾何形狀復雜的求解域。有限元法利用在每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場函數(shù)在單元各個結(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達。這樣一來,一個有限元分析的問題中,未知場函數(shù)在各個結(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量,從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量,就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值。從而得到整個求解域上的近似解。如果單元是滿足收斂要求的,近似解最后將收斂于精確解。文獻[4]中詳細介紹了有限元法的計算求解過程。

HFSS軟件主要應用于微波器件和微波天線設計中,也可仿真機箱機柜的屏蔽效能、諧振特性和PCB系統(tǒng)的輻射特性。

3 實例分析

下面給出了一個用HFSS軟件仿真電子設備孔縫耦合的實例。通過這個算例,可以了解HFSS軟件在電磁屏蔽分析中的具體應用。

電子設備所處的電磁環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)都比較復雜,所以在建立模型時,需要把握主要電磁泄漏和結(jié)構(gòu)特征建立合理的數(shù)學模型。為了提高設計效率,應用電磁仿真軟件HFSS進行建模。仿真分析的過程可分為五個步驟:選擇求解類型、建立三維模型、求解設置、運行計算、數(shù)據(jù)后處理。

3.1 求解類型的選擇及模型的建立

HFSS軟件有3種求解類型:模式驅(qū)動求解、終端驅(qū)動求解和本征模求解。模式驅(qū)動求解與終端驅(qū)動求解的區(qū)別在于S矩陣的表示形式不同,前者采用入射和反射能量的形式,而后者采用電壓和電流的形式。該工程主要分析場,所以采用模式驅(qū)動求解的形式。

電子設備矩形金屬機殼的尺寸為300mm×120 mm×300 mm,壁厚2mm,為理想導電體。PCB板的面積為120 mm×60 mm,厚度為3 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。將PCB板放置在機殼內(nèi)部,PCB板與XOY平面平行。以圖1的方式建立坐標系,在機殼的XOY面開孔縫,孔縫尺寸為100 mm×10 mm,且孔縫中心位于殼體表面的中心。金屬機殼按理想導體考慮,即不考慮電磁能量對腔體的直接穿透。設定入射波為平面波,沿縫隙面即Z軸負方向垂直入射。平面波電場強度為1 000(V/m),沿著Y軸正向極化。

圖1 平面波入射開縫機殼模型

3.2 求解設置計算

啟動HFSS軟件求解器開始解算之前,要先求解設置。HFSS軟件有3種求解算法:離散、快速和插入。離散可在頻率范圍內(nèi)特定頻率點上產(chǎn)生場解,快速為每一個小頻率范圍產(chǎn)生唯一的全場解,插入用來評估全部頻率范圍內(nèi)的解。設置起始頻率0.1 GHz,終止頻率1 GHz,步長2.5,掃頻方式設為離散。收斂的迭代次數(shù)為6次,計算精度0.02。迭代次數(shù)越多,計算越精確,占用計算機內(nèi)存越大,計算時間越長。在滿足計算精度條件下,選取適當次數(shù)即可。

3.3 數(shù)據(jù)后處理

求解結(jié)束后,要想獲得電場屏蔽效能曲線,查看具體的電場分布以及電流分布等,就需要進行后處理。HFSS軟件具有強大的后處理功能。完成對輸出變量的設置后,如圖2所示,系統(tǒng)會生成如圖2虛線部分的電場屏蔽效能曲線。設置參數(shù)分析,改變孔縫的寬度值,來觀察屏蔽機殼中心的屏蔽效能隨寬度的變化情況。圖2實線部分的電場屏蔽效能曲線是孔縫寬度設定為3 cm時得到的。分別設定頻率為0.5 GHz、0.7 GHz,對機殼內(nèi)電場分布進行比較,圖3為顯示結(jié)果。平面波入射到PCB板上,PCB板上的微帶線會有感應電流產(chǎn)生,在0.55 GHz時電流密度分布圖如圖4所示。

圖2 電場屏蔽效能曲線顯示結(jié)果

圖3 機殼內(nèi)電場分布圖

圖4 0.55GHz PCB板微帶線電流密度分布圖

3.4 結(jié)果分析

圖2表明隨著頻率的增加,外殼的屏蔽效能減小。因為越接近孔隙E場電平就越高,屏蔽效能隨著離開孔隙的距離而增加。在PCB上的敏感電路應盡可能放置在遠離孔隙的位置。外殼大約在0.7 GHz諧振,此時屏蔽效能是負的,即場得到加強,影響電子設備的正常工作,這是由于外殼對電磁波的反射造成的。圖2還表明孔縫寬度由1 cm增加到3cm時,屏蔽效能下降約10 dB,孔縫寬度的改變對諧振頻率的影響并不明顯。圖3可直觀表明在外殼的諧振頻點處.腔內(nèi)場強顯著增加,而在0.5 GHz處腔內(nèi)場強微弱,屏蔽效能明顯。圖4表明平面波入射到PCB板上,PCB板上的微帶線在0.55 GHz會有感應電流產(chǎn)生。

因此,適當改變孔縫的尺寸可以提高低頻段屏蔽效能,對于機殼內(nèi)的不同位置,應該根據(jù)實際情況,放置不同的元件或電子設備。敏感元件或設備既要離孔縫較遠.還要考慮屏蔽體反射等因素。若反射比較大,則應適當遠離屏蔽體。但是要盡力避免使電子設備工作在諧振頻率附近。

4 結(jié)束語

上述實例的建模、分析及優(yōu)化過程,完整的展現(xiàn)了利用Ansoft HFSS軟件進行電子設備屏蔽效能分析的過程,為電子設備的電磁兼容仿真提供了參考。同時,也體現(xiàn)了在產(chǎn)品設計階段利用現(xiàn)有電磁仿真軟件對殼體的屏蔽效能和電磁特性進行分析的好處?？梢栽谠缙诎l(fā)現(xiàn)電磁兼容問題并低成本進行設計方案修改和選擇,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。擺脫以往工程中更多依賴于對設備的電磁兼容測試來發(fā)現(xiàn)問題,或采用經(jīng)驗公式進行粗略估算的局限性。所以,對電子設備機殼進行電磁屏蔽仿真是提高系統(tǒng)電磁兼容性能的一種有效方法,是電子設備行業(yè)必然的趨勢。

[1]韋斯頓.電磁兼容原理與應用[M].王守蘭,楊自佑,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2]劉 韜,章 蕾.孔縫對電磁屏蔽效能的影響[J].電子元器件應用,2010(7):90-92.

[3]肖衛(wèi)東,潘 涵.國外電磁兼容仿真軟件發(fā)展概述[J].裝備環(huán)境工程,2010(2):55-60.

[4]曹善勇.Ansoft HFSS磁場分析與應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2010.