基于有限元法的孔縫結(jié)構(gòu)矩形腔屏蔽效能數(shù)值仿真

黃年龍，吳明贊，李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜的電磁環(huán)境使得電磁干擾變得越來(lái)越嚴(yán)重［1］。微弱信號(hào)檢測(cè)電路中的任何導(dǎo)體都會(huì)像天線一樣拾取電磁輻射噪聲，電路中的有用信號(hào)越微弱，相對(duì)而言電磁輻射噪聲的影響就越嚴(yán)重［2］。研究屏蔽效能的理論方法有時(shí)域有限差分法［3］、傳輸線矩陣法［4］、矩量法［5］和有限元法［6-7］等。本文從電磁屏蔽抑制干擾噪聲的角度分析具有孔縫結(jié)構(gòu)的屏蔽體的屏蔽效能。使用有限元法對(duì)具有孔縫結(jié)構(gòu)的屏蔽體進(jìn)行建模，并對(duì)孔縫的尺寸、形狀對(duì)屏蔽效能的影響以及屏蔽腔內(nèi)不同位置處的屏蔽效能進(jìn)行仿真研究。

1 屏蔽效能

屏蔽是指用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧匣蚣葘?dǎo)電又導(dǎo)磁的材料制成屏蔽體，將電磁能量限制在一定的空間范圍內(nèi)從而抑制輻射干擾的一種方法［8］。通常對(duì)強(qiáng)電磁干擾源進(jìn)行屏蔽以抑制其電磁泄漏，同時(shí)使用屏蔽措施對(duì)比較敏感的電子、電氣設(shè)備進(jìn)行屏蔽保護(hù)以避免外部電磁干擾進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。通過(guò)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁屏蔽能有效解決電磁干擾問(wèn)題，但經(jīng)常要考慮通風(fēng)、散熱以及屏蔽設(shè)備的制造工藝和安裝等因素，這些因素會(huì)在屏蔽設(shè)備上會(huì)留下孔縫，使得屏蔽效果大為降低。

屏蔽體的屏蔽效果可以用屏蔽效能Es表示，屏蔽效能是指加屏蔽措施以后某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Ei和Hi與同一點(diǎn)未加屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)Et和Ht之比。當(dāng)以分貝為單位時(shí)，對(duì)電場(chǎng)Es=20lg(Ei/Et)，對(duì)磁場(chǎng)Es=20lg(Hi/Ht)。采用屏蔽效能計(jì)算屏蔽效果的好處是可以對(duì)多層屏蔽體的屏蔽效能進(jìn)行簡(jiǎn)單相加得到總的屏蔽效能。圖1為電磁波通過(guò)屏蔽體的示意圖。

圖1 電磁波通過(guò)屏蔽體示意圖

2 Ansoft HFSS中屏蔽效能仿真

2.1 建立仿真模型

Ansoft HFSS采用有限元法求解電磁場(chǎng)問(wèn)題，主要用于微波器件和微波天線的設(shè)計(jì)中，也可用于屏蔽室或機(jī)箱的屏蔽效能和諧振特性的仿真等。本文使用Ansoft HFSS對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的屏蔽腔體進(jìn)行屏蔽效能仿真。圖2為Ansoft HFSS中建立含孔縫結(jié)構(gòu)的屏蔽體模型，金屬屏蔽體的尺寸為20 cm×20 cm×12 cm，屏蔽材料為厚度為0.05 cm的理想導(dǎo)體，內(nèi)置PCB板的尺寸為12 cm×6 cm，厚度為0.2 cm。在屏蔽體的正前方開(kāi)一矩形孔縫，孔縫尺寸為10 cm×1 cm。

圖2 Ansoft HFSS中屏蔽體的仿真模型

2.2 孔縫尺寸對(duì)屏蔽效能的影響

在Ansoft HFSS中設(shè)置孔縫寬度為1 cm，長(zhǎng)度分別為8 cm、10 cm和12 cm，取屏蔽腔體的中心位置觀察屏蔽效能值。圖3為孔縫長(zhǎng)度變化時(shí)的屏蔽效能曲線。從屏蔽效能曲線可以看出隨著孔縫長(zhǎng)度的增加，屏蔽效能值逐漸下降。長(zhǎng)度增加4 cm，在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能值下降了10dB～25 dB。屏蔽腔體在1.05 GHz附近發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)屏蔽體的屏蔽效能為負(fù)值，屏蔽效能急劇惡化，所以應(yīng)盡量避免電子設(shè)備工作在此頻率附近。圖4為孔縫長(zhǎng)度為10 cm時(shí)，寬度分別為1 cm、2 cm和3 cm情況下在屏蔽腔體的中心位置觀察到的屏蔽效能曲線。從圖中可以看出隨著孔縫寬度的增加，屏蔽效能值逐漸下降，寬度增加 2 cm，在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)，屏蔽效能值下降了5 dB～10 dB。所以在設(shè)計(jì)屏蔽體時(shí)，在機(jī)箱加蓋處理的地方可以用金屬物料對(duì)長(zhǎng)縫隙進(jìn)行填塞處理，阻斷長(zhǎng)縫隙以提高屏蔽效能。

圖3 孔縫長(zhǎng)度變化對(duì)屏蔽效能的影響

圖4 孔縫寬度變化對(duì)屏蔽效能的影響

圖5 P1、P2、P33 點(diǎn)位置示意圖

2.3 腔內(nèi)不同位置處的屏蔽效能

在Ansoft HFSS中對(duì)腔體內(nèi)不同位置處的屏蔽效能進(jìn)行仿真研究。設(shè)置孔縫寬度為1 cm，長(zhǎng)度為10 cm，取Z軸上到孔縫距離分別為2 cm、8 cm和14 cm的P1、P2、P33點(diǎn)進(jìn)行屏蔽效能仿真。圖5為P1、P2、P33點(diǎn)到孔縫之間距離示意圖。圖6為P1、P2、P33點(diǎn)的屏蔽效能曲線。從仿真曲線可以看出，到孔縫距離越近，屏蔽效能值越小，屏蔽效果越差。到孔縫距離越遠(yuǎn)，屏蔽效能值越大，屏蔽效果越好。所以微弱信號(hào)檢測(cè)電路以及敏感器件盡量放在遠(yuǎn)離孔縫的位置。

圖6 腔內(nèi)不同位置處的屏蔽效能曲線

2.4 孔縫形狀對(duì)屏蔽效能的影響

屏蔽體在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到通風(fēng)、散熱等因素，所以需要在屏蔽體上開(kāi)孔縫。在Ansoft HFSS中研究孔縫面積相同的情況下，形狀分別為10 cm×1 cm的矩形縫隙、1 cm×1 cm的10個(gè)方孔、單個(gè)面積為1 cm2的10個(gè)圓孔和單個(gè)面積為0.25 cm2的40個(gè)小圓孔的不同情形下的屏蔽效能。圖7為總面積相同，不同形狀孔洞的示意圖。圖8為Ansoft HFSS中建立的含多排小孔屏蔽體模型。

圖7 總面積相同，不同形狀孔洞的示意圖

圖8 屏蔽體含多排小孔模型圖

圖9為單個(gè)面積1 cm×1 cm的10個(gè)方孔，方孔間距d分別為0.25 cm、0.5 cm和0.75 cm時(shí)的屏蔽效能曲線。比較圖3中形狀為10 cm×1 cm的矩形縫隙的屏蔽效能曲線，可以看出，將長(zhǎng)的矩形縫隙分成十個(gè)間距為0.25 cm的方孔時(shí)，在頻率為0.1 GHz～0.8 GHz范圍內(nèi)，屏蔽效能值提高了8 dB～13 dB。在頻率為0.8 GHz～1 GHz范圍內(nèi)，屏蔽效能值提高了20 dB以上。從圖9的屏蔽效能曲線可以看出，隨著方孔間距的增大，屏蔽效能值逐漸下降。通過(guò)進(jìn)一步仿真顯示，將面積為1 cm2的圓孔代替方孔時(shí)，屏蔽效能會(huì)得到進(jìn)一步的提高。所以將多個(gè)圓孔代替面積相同的矩形縫隙可以使得屏蔽效能得到顯著提高，且圓孔之間的間距不應(yīng)過(guò)大，隨著間距的增大，屏蔽效能會(huì)下降。

圖9 方孔間距不同時(shí)的屏蔽效能曲線

圖10為單個(gè)面積為0.25 cm2的40個(gè)小圓孔，間距d分別為0.05 cm、0.1 cm和0.15 cm時(shí)的屏蔽效能曲線。從屏蔽效能曲線可以看出，采用多排小圓孔以后，屏蔽體的屏蔽效能較之前有很大的提高。表1列出了以上幾種情形的屏蔽效能數(shù)據(jù)。多排小孔情形下間距d為0.15 cm時(shí)的屏蔽效能值與方孔距離d為0.25 cm時(shí)相比較，在0.1GHz～1GHz頻率范圍內(nèi)屏蔽效能提高了10 dB。較之前采用矩形縫隙屏蔽效能在0.1 GHz～0.8 GHz頻率范圍內(nèi)提高了20 dB以上，在0.8 GHz～1 GHz范圍內(nèi)提高了35 dB。通過(guò)仿真得到在孔縫面積相等的情況下，采用多排小圓孔并且合理選取圓孔的間距可以顯著提高屏蔽體的屏蔽效能。

圖10 圓孔間距不同時(shí)的屏蔽效能曲線

表1 總面積相同，不同形狀孔縫的屏蔽效能

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)含孔縫結(jié)構(gòu)的矩形屏蔽腔體進(jìn)行屏蔽效能仿真，得到屏蔽體內(nèi)不同位置處的屏蔽效能以及孔縫的尺寸、形狀對(duì)屏蔽效能影響的規(guī)律。根據(jù)屏蔽效能仿真結(jié)果，提出增強(qiáng)屏蔽效能的相應(yīng)措施，這些措施可以使得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期發(fā)現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題，并且可以低成本地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和修改。通過(guò)仿真得到的結(jié)論有利于微弱信號(hào)檢測(cè)電路和設(shè)備的合理布局，提高微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的抗電磁干擾能力。本文的不足之處是沒(méi)有考慮內(nèi)置PCB板產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)電路的影響，這部分還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入分析。

［1］汪柳平，高攸綱.有孔矩形腔的屏蔽效能及其對(duì)諧振抑制研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(3):560-564.

［2］王衛(wèi)勛.微電流檢測(cè)方法的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，2007.

［3］焦超群，李琳，崔翔.計(jì)算含窗薄壁腔體屏蔽效能的時(shí)域有限差分法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20(5):619-621.

［4］毛湘宇，杜平安，聶寶林.基于TLM的機(jī)箱孔縫電磁屏蔽效能數(shù)值分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(23):7493-7497.

［5］吳剛，張新剛，劉波.有孔矩形金屬腔體屏蔽效能的估算［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2011，23(3):743-747.

［6］安靜，武俊峰，吳一輝.孔縫對(duì)內(nèi)置電路板殼體屏蔽效能的影響［J］.微波學(xué)報(bào)，2011，27(2):34-37.

［7］石崢，杜平安.孔陣結(jié)構(gòu)近場(chǎng)屏蔽特性有限元數(shù)值仿真［J］.電子學(xué)報(bào)，2009，37(3):634-639.

［8］白旭東.Ansoft HFSS在電磁屏蔽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.無(wú)線電工程，2011，41(8):41-43.