機(jī)箱通風(fēng)孔屏蔽效能仿真研究

朱薇　陳業(yè)剛　時(shí)強(qiáng)

摘要：隨著系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率不斷提高，目前許多產(chǎn)品的內(nèi)部工作頻率已經(jīng)達(dá)到了數(shù)十吉赫茲。為了改善產(chǎn)品的電磁屏蔽性能，大多數(shù)產(chǎn)品使用了金屬機(jī)箱來屏蔽?？紤]到散熱性能，金屬機(jī)箱上必須要有一些通風(fēng)孔。該文用全波仿真軟件CST仿真分析了在1～10GHz頻率范圍內(nèi)，機(jī)箱面板上不同形狀通風(fēng)孔的屏蔽性能。比較了相同出風(fēng)面積下，不同孔洞形狀對(duì)屏蔽效能的影響。從而可以在滿足通風(fēng)散熱的要求下，快捷地設(shè)計(jì)出電磁屏蔽性能較好的通風(fēng)孔形狀。

關(guān)鍵詞：全波仿真軟件CST 通風(fēng)孔 屏蔽效能

中圖分類號(hào)：TM937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）04（a）-0049-02

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電子、電氣、信息設(shè)備的數(shù)量和種類越來越多，性能越來越先進(jìn)，其使用場(chǎng)合和數(shù)量密度也越來越高。這就使得電子設(shè)備工作時(shí)，常受到各種電磁干擾，包括自身干擾和來自其他設(shè)備的干擾，同時(shí)也對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在這種情況下，要保證設(shè)備在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就必須認(rèn)真考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)。如果忽視了這一問題，在新產(chǎn)品使用時(shí)，干擾問題就會(huì)暴露出來。因此，及早地解決電磁干擾問題是機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要環(huán)節(jié)。由于機(jī)箱內(nèi)部電子器件需要與外部設(shè)備連接以及通風(fēng)散熱，屏蔽機(jī)箱不可避免地開有孔洞，如果孔洞的大小和形狀不合理就會(huì)造成嚴(yán)重的電磁能量泄漏。機(jī)箱機(jī)柜作為電子設(shè)備中工作單元，電子部件的載體，其電磁屏蔽效能（SE-Shielding Effectiveness）的高低對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行有重大的影響。因此，機(jī)箱屏蔽效能的測(cè)試分析也變得越來越重要。通過仿真軟件獲得機(jī)箱的屏蔽效能相對(duì)實(shí)際測(cè)試來說是一種既簡(jiǎn)便快捷又節(jié)約成本的有效途徑。更重要的是，軟件還能夠提供優(yōu)化機(jī)箱屏蔽效能的思路和相對(duì)直觀的洞察力。

1.機(jī)箱通風(fēng)孔模型設(shè)計(jì)

電磁屏蔽指的是使用金屬外殼來抑制或削弱電場(chǎng)和磁場(chǎng)。通常采用屏蔽效能定量分析和表示。其中，電場(chǎng)屏蔽效能，其定義如下：

SE=2010g（E1/E2）

式中：E1為入射平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度；E2為機(jī)箱內(nèi)部耦合電場(chǎng)的強(qiáng)度。

該文研究對(duì)象為相同通風(fēng)孔面積，金屬機(jī)箱面板上的方孔，圓孔，正六邊形孔的屏蔽效能。方孔邊長(zhǎng)為1 cm，圓孔半徑為0.56cm，正六邊形邊長(zhǎng)為0.62cm，厚度為1.2mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.模擬結(jié)果及討論

在全波電磁仿真軟件CST中建模并仿真該機(jī)箱面板結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。用平面波來激勵(lì)，邊界條件為周期邊界條件，仿真頻率為1～10GHz。

圖2為屏蔽效能的仿真模擬結(jié)果。由圖2可以看出，正六邊形孔機(jī)箱面板的屏蔽效能最好，其次是圓孔機(jī)箱面板，最差的是方孔機(jī)箱面板。

圖2結(jié)果是使用CST撒波工作室仿真得到的。CST微波工作室是基于FDlD（時(shí)域有限積分法）電磁場(chǎng)求解算法的仿真器，適合仿真電大尺寸寬帶頻譜結(jié)果。HFSS是基于FEM（有限元法）電磁場(chǎng)求解算法的仿真器，適合仿真電小尺寸三維復(fù)雜結(jié)果。

為了驗(yàn)證仿真的正確性和仿真軟件之間的一致性。用HFSS仿真同樣結(jié)構(gòu)的方孔機(jī)箱面板，屏蔽效能模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，CST和HFSS的仿真結(jié)果的一致性很好。在設(shè)計(jì)機(jī)箱面板的通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械工程師希望通風(fēng)孔盡量多、盡量大來滿足機(jī)箱散熱的要求，EMC工程師則希望通風(fēng)孔盡量小，來減少電磁輻射，滿足電磁兼容測(cè)試的要求。為了達(dá)到最優(yōu)結(jié)果，我們希望在通風(fēng)孔尺寸相同的情況下，優(yōu)化通風(fēng)孔的形狀，使得在相同的通風(fēng)面積下電磁泄漏最少。在機(jī)箱量產(chǎn)前，使用電磁仿真工具來模擬機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，找出最優(yōu)機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)，是一種快速、便捷降低成本的方法。

3.結(jié)語

該文用全波仿真軟件CST模擬了不同形狀機(jī)箱面板通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。結(jié)果顯示在通風(fēng)面積相同的情況下，正六邊形通風(fēng)孔機(jī)箱面板的屏蔽效能最好。并使用仿真軟件HFSS仿真了相同形狀機(jī)箱面板的屏蔽效能，模擬結(jié)果一致。在機(jī)箱量產(chǎn)前，使用電磁仿真工具來模擬機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，找出最優(yōu)機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)是一種很快速、便捷、降低成本的方法。