內(nèi)置金屬板機(jī)箱屏蔽效能研究

郭華棟

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

內(nèi)置金屬板機(jī)箱屏蔽效能研究

郭華棟

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

未來高技術(shù)戰(zhàn)爭在電磁空間的爭奪非常激烈，武器系統(tǒng)和設(shè)備將會(huì)受到電磁輻射的干擾或破壞，屏蔽機(jī)箱是保護(hù)電子設(shè)備不受外來電磁干擾的一種有效方法。研究了機(jī)箱內(nèi)部放置金屬板不同尺寸大小和不同安裝位置對屏蔽效能的影響，對導(dǎo)體機(jī)箱的電磁兼容設(shè)計(jì)具有參考意義。

屏蔽效能；電磁兼容；屏蔽機(jī)箱

未來高技術(shù)戰(zhàn)爭在電磁空間的爭奪非常激烈，武器系統(tǒng)和設(shè)備將會(huì)受到電磁輻射的干擾或破壞，電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)成為越來越重要的一個(gè)方面，直接影響到武器系統(tǒng)的整體性能。

屏蔽機(jī)箱是保護(hù)電子設(shè)備不受外來電磁干擾的一種有效方法，盡管完整的屏蔽殼體屏蔽效能很高，但是為了通風(fēng)、散熱以及導(dǎo)線接口需要，屏蔽腔體上不可避免地存在著孔縫，破壞了屏蔽的完整性，使得屏蔽效能嚴(yán)重下降。在實(shí)際工程應(yīng)用中，導(dǎo)體機(jī)箱內(nèi)部經(jīng)常放置PCB板或其他金屬板將機(jī)箱分成隔間，這些會(huì)影響機(jī)箱屏蔽效能。筆者在有孔、縫的機(jī)箱內(nèi)部放置一塊金屬板來模擬PCB板或其他導(dǎo)體板，仿真分析內(nèi)置金屬板的不同尺寸、不同位置對機(jī)箱屏蔽效能的影響。

1 屏蔽原理

電磁屏蔽是采用低電阻的導(dǎo)體材料或低磁阻的導(dǎo)磁材料形成封閉面，將內(nèi)外兩側(cè)空間進(jìn)行電磁性隔離，當(dāng)電磁場穿越屏蔽體時(shí)，由于介質(zhì)材料的反射和消耗，造成電磁能量的衰減，從而起到屏蔽作用。

機(jī)箱屏蔽性能的好壞一般用屏蔽效能（SE）來衡量。屏蔽效能的定義是：對于給定外來源進(jìn)行屏蔽時(shí)，在某一點(diǎn)上屏蔽體安放前后的電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度之比值，即

由于屏蔽效能數(shù)值范圍很寬，用倍數(shù)表達(dá)不方便，因此在工程上，屏蔽效能一般用分貝（dB）表示，計(jì)算公式見式（2）。

機(jī)箱作為一個(gè)金屬諧振腔，在諧振頻點(diǎn)（f0）附近，機(jī)箱屏蔽效能會(huì)嚴(yán)重下降，矩形諧振腔諧振頻點(diǎn)的計(jì)算公式見式（3）。

內(nèi)置金屬隔板、孔縫會(huì)對機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，導(dǎo)致諧振頻點(diǎn)發(fā)生變化，在機(jī)箱電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮。

對于孔、縫對導(dǎo)體機(jī)箱屏蔽效能的影響，可以采用的數(shù)值算法有矩量法（MOM）、傳輸線矩陣法（TLM）和時(shí)域有限差分法（FDTD）等。筆者采用TLM法來對導(dǎo)體機(jī)箱內(nèi)部加入金屬板后的屏蔽效能仿真模擬。TLM法是一種時(shí)域求解麥克斯韋方程的方法，將求解空間劃分成傳輸線的網(wǎng)格單元，單元之間以節(jié)點(diǎn)相連，采用沖擊脈沖函數(shù)作為激勵(lì)，只要一次求解就可以得到整個(gè)系統(tǒng)在整個(gè)求解空間響應(yīng)，通過傅里葉變化可以得到整個(gè)頻域的響應(yīng)曲線，非常適合導(dǎo)體機(jī)箱的屏蔽效能仿真分析，可以避免頻域算法由于掃頻帶來的誤差。

2 仿真模型

人們對于孔縫的形狀、大小和方向等對機(jī)箱屏蔽效能影響研究開展較多，在此基礎(chǔ)上，筆者對機(jī)箱內(nèi)部仿真金屬隔板對屏蔽效能的影響進(jìn)行研究分析。采用基于傳輸線矩陣法（TLM）的仿真分析軟件FLO／EMC軟件對內(nèi)置金屬隔板機(jī)箱屏蔽效能進(jìn)行仿真建模分析。仿真模型尺寸為300 mm×300 mm×120 mm的一個(gè)矩形導(dǎo)體機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)部放置不同尺寸的理想導(dǎo)體板模擬PCB板或其他金屬隔板，機(jī)箱側(cè)壁有一個(gè)100 mm×10 mm的孔縫，平面波沖－X方向入射，求解頻率范圍設(shè)定為200～1 000 MHz。在該仿真模型中，測點(diǎn)位于機(jī)箱中心位置，屏蔽效能（SE）通過比較機(jī)箱內(nèi)部測點(diǎn)在有、無機(jī)箱2種情況下的場強(qiáng)值得到。仿真模型如圖1所示。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同大小金屬板對屏蔽效能的影響

對于無金屬板的開孔導(dǎo)體機(jī)箱的屏蔽效能曲線如圖2實(shí)線所示。由圖2可知，機(jī)箱在700 MHz頻率附近屏蔽效能為負(fù)值，原因?yàn)榇藭r(shí)殼體發(fā)生諧振。對于TE型波振蕩，最低諧振頻率為TE101模（即m＝1，n＝0，p＝1），利用式（3）可以計(jì)算出該模型的主模諧振頻點(diǎn)f0（101）＝707 MHz，與仿真結(jié)果一致。

導(dǎo)體機(jī)箱內(nèi)部同一位置放置一塊平行于YZ平面的金屬板，金屬板大小分別為100 mm×250 mm，100 mm×200 mm，100 mm×150 mm和50 mm×50 mm，計(jì)算觀測點(diǎn)的屏蔽效能，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 內(nèi)置不同尺寸的金屬板的機(jī)箱屏蔽效能曲線

圖1 內(nèi)置金屬板機(jī)箱仿真模型

由圖2的曲線分析可知，加入導(dǎo)體金屬板后，箱體的諧振頻率從700 MHz下降到540 MHz左右，并在910 MHz附近出現(xiàn)高次模諧振，在機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意金屬隔板的放置導(dǎo)致機(jī)箱諧振頻點(diǎn)的改變，從而使機(jī)箱屏蔽效能在諧振點(diǎn)附近急劇下降，影響電子設(shè)備電磁兼容性能。圖2中的細(xì)實(shí)線為50 mm×50 mm的金屬板，可以看出當(dāng)金屬板相對較小時(shí)，箱體的諧振頻點(diǎn)改變很小，對箱體屏蔽效能的影響幾乎可以忽略。

3.2 內(nèi)置金屬板位置對屏蔽效能的影響

對于同樣大小的金屬板，由于放置位置的不同，會(huì)對箱體的屏蔽效能產(chǎn)生不同的影響。在導(dǎo)體機(jī)箱內(nèi)部放置一塊大小100 mm×200 mm的金屬板，平行于YZ平面，導(dǎo)體板距有縫隙的機(jī)箱側(cè)面的距離為150，100，50 mm，屏蔽效能的仿真曲線如圖3所示。

圖3 內(nèi)置不同位置金屬板的機(jī)箱屏蔽效能曲線

從圖3中可以看到隨著金屬板逐漸靠近機(jī)箱的中心位置，箱體的諧振頻點(diǎn)逐漸降低，同時(shí)在1 GHz以下也出現(xiàn)了高次模的諧振頻點(diǎn)。分析圖中曲線，在400 MHz頻率以下時(shí)，加入金屬板后，機(jī)箱的屏蔽效能有所提高，金屬板越靠近觀測點(diǎn)，屏蔽效能提高越明顯，在200 MHz附近達(dá)到10 dB左右。機(jī)箱內(nèi)部加入金屬板后，機(jī)箱的屏蔽效能在諧振頻點(diǎn)以下部分略有提高，由于諧振頻點(diǎn)的改變，在部分頻段對機(jī)箱屏蔽效能略有提高。

3.3 不同測試點(diǎn)處的屏蔽效能

對箱體內(nèi)部，取不同的測試點(diǎn)，獲得的屏蔽效能曲線是有差距的。在箱體中間安置一塊平行于YZ平面的100 mm×200 mm大小的金屬板，觀測點(diǎn)分別為（100，60，150）和（200，60，150）處仿真得到的屏蔽效能曲線如圖4所示。在導(dǎo)體機(jī)箱的孔縫附近，由于耦合關(guān)系箱體的屏蔽效能要低于其他部位的測試結(jié)果。

圖4 不同觀測點(diǎn)處的屏蔽效能曲線

4 結(jié) 語

在對孔、縫對機(jī)箱屏蔽效能研究的基礎(chǔ)上，在機(jī)箱內(nèi)部加入理想導(dǎo)體板，模擬機(jī)箱內(nèi)部內(nèi)置PCB板或金屬板，通過建模仿真手動(dòng)分析導(dǎo)體機(jī)箱屏蔽效能的變化情況。內(nèi)置金屬板導(dǎo)致機(jī)箱諧振頻點(diǎn)下降，影響機(jī)箱屏蔽效能指標(biāo)發(fā)生變化，內(nèi)置金屬板的大小與放置位置對屏蔽效能有很大影，通過合理內(nèi)置金屬板，在部分頻段內(nèi)可改善機(jī)箱屏蔽效能。

在電子設(shè)備機(jī)箱電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，考慮孔、縫對屏蔽效能影響的同時(shí)，必須考慮內(nèi)部金屬板對機(jī)箱屏蔽效能的影響，避免出現(xiàn)內(nèi)置金屬板而導(dǎo)致機(jī)箱屏蔽效能不達(dá)標(biāo)的情況。利用仿真分析的手段可以提前對機(jī)箱屏蔽效能進(jìn)行分析并改善，提高電子產(chǎn)品電磁兼容性能，有效降低產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。

［1］ 周佩白.電磁兼容問題的計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 何 鳴，劉光斌.孔縫對導(dǎo)彈電子設(shè)備機(jī)箱電磁屏蔽效能的影響［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27（2）：47-52.

［3］ TRENKA V，SCARAMUZZA R.Modelling of arbitray solt structures using transmission line matrix（TLM）method［A］.Proc of the 14th Intern Zurich Symp on EMC 2001［C］.［S.l.］：［s.n.］，2001.784-792.

TM27

A

1008-1542（2011）07-0160-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:張士瑩

郭華棟（1984-），男，山西平定人，碩士，主要從事航天系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證方面的工作。