車輛電控設(shè)備不規(guī)則腔體的屏蔽效能分析

王宇飛，趙曉暉，溫 泉

(1.吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000;2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022)

車輛電控設(shè)備不規(guī)則腔體的屏蔽效能分析

王宇飛1，趙曉暉2，溫 泉2

(1.吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000;2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022)

為有效抑制電磁損傷，采用TLM(Transmission Line Matrix)算法研究了高空核電磁脈沖作用下線纜孔洞對電子設(shè)備屏蔽效能的影響。根據(jù)回波強(qiáng)度與反射面形狀有關(guān)的現(xiàn)象，提出采用不規(guī)則屏蔽腔體對抗電磁毀傷的方法，通過增強(qiáng)回波減少進(jìn)入屏蔽腔體內(nèi)部的電磁波，并在非屏蔽的車輛中進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，不規(guī)則腔體的電場屏蔽效能高于圓柱形和矩形屏蔽腔體，且諧振較小，驗(yàn)證了該屏蔽腔設(shè)計的合理性和有效性，從而為車輛內(nèi)部電控系統(tǒng)的防護(hù)提供了理論參考。

傳輸線矩陣法;屏蔽效能;不規(guī)則腔體;高空核電磁脈沖;電路板

0 引言

隨著科技發(fā)展和微電子產(chǎn)品的日益集成化，電子系統(tǒng)的電磁敏感度也日趨提高，強(qiáng)電磁環(huán)境下車輛電子設(shè)備的電磁干擾防護(hù)問題也成為當(dāng)前電磁領(lǐng)域研究的熱門話題之一［1］。電磁防護(hù)的有效且簡單的方法是電磁屏蔽，即防止或減小不需要的輻射電磁能量耦合進(jìn)入設(shè)備的技術(shù)，但由于通信、供電和通風(fēng)等需求不可能采用完全的整體屏蔽，電磁脈沖通過這些孔洞會耦合進(jìn)入腔體內(nèi)并對其中的器件產(chǎn)生干擾和破壞作用。因此，對有孔縫腔體電磁屏蔽的研究具有十分重要意義。

影響電磁屏蔽效能的主要因素包括反射損耗和吸收損耗，當(dāng)屏蔽腔體材質(zhì)為金屬時，在高頻條件下，趨膚深度很小，反射損耗成為影響屏蔽效能的主要因素。根據(jù)電磁波的傳播規(guī)律，電磁波入射到物體的直角表面處，容易形成多次反射，產(chǎn)生角反射器效應(yīng)，沿原方向返回的波很強(qiáng)。因此，增加反射效應(yīng)則能減小進(jìn)入腔體內(nèi)部的電磁能量，從而提高屏蔽效能?；夭◤?qiáng)度與反射面的形狀有很大關(guān)系，要增加回波電磁場強(qiáng)度必須在設(shè)計時考慮屏蔽腔體的外形?，F(xiàn)在對腔體屏蔽效能的研究均為規(guī)則腔體，且以矩形腔體居多，筆者在考慮強(qiáng)電磁脈沖輻射范圍廣、強(qiáng)度大、頻譜寬等特點(diǎn)的同時，研究了電控設(shè)備屏蔽腔體上線纜孔洞對屏蔽效能的影響，從腔體形狀、電控設(shè)備在屏蔽體中的位置等方面進(jìn)行分析，為車輛非規(guī)則電控設(shè)備腔體電磁防護(hù)設(shè)計提供了一定的參考。

1 算法

根據(jù)TLM(Transmission Line Matrix)算法并綜合文獻(xiàn)［2-9］，對孔洞耦合的研究方法采用等效傳輸線矩陣法，它是由傳輸線理論發(fā)展而成的，通過求解電壓和電流，得到腔體的屏蔽效能。因?yàn)橹饕紤]反射的影響，高頻時的趨膚深度很小，因此，可假設(shè)腔體壁的電導(dǎo)率足夠高而只研究耦合能量。平面電磁波照射的圓柱形腔體及其對應(yīng)的電路模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 有孔圓柱形腔體模型Fig.1 Cylindrical cavity with holes

圖2 傳輸線模型Fig.2 Transmission line model

電磁脈沖源在電路中可由電壓V0和電阻Z0等效，從入射面往波源看，等效源電壓Vs和等效阻抗Zs分別為

其中Zap為單個孔縫阻抗，具體解法見文獻(xiàn)［6］。

由于波導(dǎo)中各個傳輸模的完備性，任何模式都可看成橫電波和橫磁波的線性疊加，因此考慮兩種基本模式的線性組合，即可考慮腔體中的其他高次模式。

當(dāng)波導(dǎo)中的傳輸模為TmnE時，假設(shè)腔壁為理想導(dǎo)體，則此模式下傳輸?shù)絧點(diǎn)的電壓為

其中Zlmn和Zrmn分別為從腔內(nèi)一點(diǎn)p向源端和終端看入的阻抗值，Vlmn為從腔內(nèi)p點(diǎn)向源端看入的電壓。

對于腔體內(nèi)不同的模式，p點(diǎn)的總電壓為

當(dāng)無腔體時，p點(diǎn)的電壓為

則電磁場的屏蔽效能

當(dāng)屏蔽腔體中加載電控設(shè)備后，以矩形屏蔽腔體為例，Ls、ds、Ws分別為矩形腔的長、寬、高，R為圓形孔的半徑，電控設(shè)備的厚度為t，位于腔體的一側(cè)(見圖3)，對應(yīng)的電路模型如圖4所示。

圖3 圓孔矩形腔體Fig.3 Rectangular cavity model with cable holes

圖4 傳輸線模型Fig.4 Transmission line model

腔體內(nèi)電壓和電流經(jīng)厚度為t的電路板后在觀測點(diǎn)p的電壓和電阻分別為

其中Zg為腔體的特性阻抗，kg為傳播常數(shù)，Vk和Zk為腔體內(nèi)介質(zhì)板左端的電壓和阻抗，Vk+t和Zk+t為到達(dá)介質(zhì)板右端的電壓和阻抗。

在觀測點(diǎn)p的負(fù)載阻抗和電壓分別為

電磁場的屏蔽效能

2 物理模型

研究的模型在入射方向的橫截面積相同且所開的孔洞面積也相同，模型1采用圓柱形屏蔽腔體，其半徑為0.050 8 m，長度為0.16 m，孔洞為圓孔，半徑為0.009 m，觀察位置選取X軸線上3點(diǎn):位置1(0.05，0，0)，位置2(0.15，0，0)，位置 3(0.25，0，0)，與 X 軸對稱的同一平面上的兩點(diǎn):位置 4(0.15，0，0.08)，位置5(0.15，0，-0.08)。模型2 為矩形屏蔽腔體，尺寸為0.16 m×0.18 m×0.045 m，觀察位置選取 X 軸線上3 點(diǎn):位置1(0.05，0，0)，位置2(0，0，0)，位置3(-0.05，0，0)。模型3 為非規(guī)則矩形屏蔽腔體1(見圖5)，來波方向面為平面，觀察位置選取X軸線上3點(diǎn)同模型2。模型4為非規(guī)則矩形屏蔽腔體2(見圖6)，無電路板，來波方向不規(guī)則，觀察位置同模型2。

圖5 有孔非規(guī)則腔體1Fig.5 Irregular cavity 1 with cable holes

圖6 有孔非規(guī)則腔體2Fig.6 Irregular cavity 2 with cable holes

研究的強(qiáng)電磁脈沖模型即激勵源的電磁脈沖模型采用雙指數(shù)平面波，雙指數(shù)脈沖函數(shù)［10］的表達(dá)式如下

其中k1為峰值修正系數(shù)，E01為脈沖峰值;α，β為表征脈沖前、后沿的參數(shù)，調(diào)整α和β，可得到不同的半寬度電磁脈沖。參數(shù)采用美國軍標(biāo)MIL-STL-461F［10］選取:E01=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k1=1.3，雙指數(shù)脈沖的上升時間為2.5 ns，脈沖寬度為23 ns。

3 電磁場強(qiáng)度分析

3.1 輸出位置對屏蔽效能的影響

以模型1圓柱形腔體為例，選取HEMP的入射波的傳播方向沿X軸方向，極化方向?yàn)樗綐O化，入射波與xoy面成180°角，即與孔縫的長邊平行，頻率范圍為0～1 GHz，各觀察位置電場屏蔽效能如圖7所示。

從圖7中可看出，腔體本身對電磁脈沖具有一定的屏蔽作用，在 483 MHz，502 MHz，938 MHz，974 MHz左右出現(xiàn)明顯諧振;位置1為腔體中最靠近激勵源的位置，位置2為腔體的中心位置，位置3和位置1距離腔體前后面的距離相等?？煽吹剑^察位置3的電磁場屏蔽效能略好于位置1，位置2的屏蔽效能高于位置1和位置3，最多達(dá)到20 dB，最小也有十幾分貝;位置4和位置5關(guān)于位置2對稱，二者的屏蔽效能均高于孔洞中心位置2的屏蔽效能，位置4的電磁屏蔽效能最高，但其諧振頻率是一致的?？梢娪^察位置對屏蔽效能是有影響的，距離激勵源和孔洞遠(yuǎn)的觀察位置屏蔽效能較好。

圖7 各位置電場屏蔽效能Fig.7 The shielding effectiveness of positions

3.2 孔洞形狀對屏蔽效能的影響

研究的模型仍采用圓柱形腔體模型1，孔洞1選取圓形孔，半徑為0.009 m;孔洞2選取矩形孔，長為0.01 m，寬為0.025 434 m;孔洞3為方形孔，邊長為0.016 m;孔洞4為橢圓形孔，長軸半徑為0.01 m，短軸半徑為0.008 1 m。觀察位置選取X軸線上位置1(0.05，0，0)，選取 HEMP(High-altitude Electromagnetic Pulse)的入射波的傳播方向沿X軸方向，極化方向?yàn)樗綐O化，入射方向與xoy面成180°，平行于孔洞的長邊，頻率范圍為0～1 GHz，對應(yīng)的電場屏蔽效能如圖8所示。

圖8 圓柱形腔體不同孔洞形狀的電場屏蔽效能Fig.8 The shielding effectiveness of cylindrical cavities with different shapes of cable holes

從圖8可看出，在同一模型的相同激勵源、相同輸出位置情況下，方形孔洞與圓形孔洞相比屏蔽效果接近，諧振也最小;當(dāng)入射方向平行于孔洞長邊時，矩形孔洞的屏蔽效果均較其他孔洞好，但諧振頻率增加;在入射方向未知頻率范圍為1 GHz的情況下，圓柱形腔體的孔洞可根據(jù)具體要求選取圓形或者方形孔洞，以減少諧振的產(chǎn)生。

3.3 腔體形狀對屏蔽效能的影響

選取模型1～4進(jìn)行分析，當(dāng)電磁脈沖入射波的傳播方向沿X軸方向，垂直極化，入射方向與xoy面成180°角與孔縫的長邊平行，頻率范圍選取0～1 GHz，圖9為觀測位置1在HEMP作用下不同形狀腔體的屏蔽效能比較。

圖9 不同形狀腔體的電場屏蔽效能Fig.9 The shielding effectiveness of different cavities with cable holes

從圖9可看出，在1 GHz范圍內(nèi)圓柱形腔體的屏蔽效能與矩形腔的接近，但基本無諧振現(xiàn)象;模型3不規(guī)則屏蔽腔1的屏蔽效能略低于其他幾種腔體，但諧振現(xiàn)象較矩形腔小;模型4不規(guī)則腔體2的電場屏蔽效能高于其他兩種形狀的模型，且諧振也很小;屏蔽效能隨著頻率的增加而逐漸降低，在0.96 GHz左右出現(xiàn)的諧振點(diǎn)與矩形腔體主模T100E的諧振頻率相同。因此，在HEMP電磁脈沖為垂直極化時，頻率范圍為1 GHz，線纜孔洞為圓形的情況下，矩形腔體的電磁屏蔽效能與圓柱形腔體接近，但諧振較圓柱形腔體嚴(yán)重，不規(guī)則屏蔽腔體2的屏蔽效能高于矩形腔體和圓柱形腔體，且諧振也比較平緩。由此可見，此屏蔽腔的設(shè)計是合理的。

3.4 屏蔽腔中電控設(shè)備的電場屏蔽效能分析

電控設(shè)備的重要組成部分是電路板［11-13］，它包含金屬平板、金屬線和損耗介質(zhì)等，通常采用簡化的宏觀介質(zhì)板代替，其中 σ =0.22 s/m，εr=2.65［14］。在屏蔽腔中加載PCB板后改變諧振頻率，對腔體也會產(chǎn)生一定的阻尼作用，一般來講，PCB板必須安裝在靠近外殼的內(nèi)壁才有效。因此，采用3種模型進(jìn)行屏蔽效能的研究:模型1圓柱形腔體;模型2矩形腔體;模型4非規(guī)則屏蔽腔體2，具體尺寸如第2節(jié)所述。

從圖10可看出，當(dāng)電路板位于腔體一側(cè)時，HEMP作用下非規(guī)則屏蔽腔體2的屏蔽效能高于圓柱形和矩形腔體，但諧振較明顯;圓柱形腔體的屏蔽效能相對最低，諧振也最少。因此，模型3不規(guī)則腔體1的設(shè)計在裝載PCB電路板后是合理的。其最低屏蔽效能峰值出現(xiàn)的位置相同，與T010E模在矩形腔中的諧振屏蔽相似。

圖10 HEMP作用下的電場屏蔽效能Fig.10 The shielding effectiveness in HEMP

3.5 車輛電控設(shè)備電場屏蔽效能分析

研究的車輛模型采用如圖11所示的三維車輛模型，其幾何尺寸為4.2 m×1.45 m×1.45 m，電控設(shè)備位于前車蓋下方某一位置，且在屏蔽腔無孔洞的一側(cè)［15］。圖11為車輛模型中電子設(shè)備增加矩形，圖12是非規(guī)則屏蔽腔體2時的屏蔽效能。

圖11 車輛模型Fig.11 The model of vehicle

圖12 電子設(shè)備電場屏蔽效能Fig.12 The shielding effectiveness with electric equipment

從圖12可看出，在電子設(shè)備未加屏蔽腔時，車輛自身具有一定的屏蔽效果，約為幾個分貝;當(dāng)增加屏蔽腔后，電路板上的屏蔽效果有明顯改善，至少提高60 dB以上。線纜孔洞為圓形時的屏蔽效果在低頻處略好于矩形時的屏蔽效果，屏蔽效能隨頻率的增加而呈遞減趨勢，在接近1 GHz的高頻處，兩種形狀孔洞的屏蔽效果接近。因此，在車輛不規(guī)則的模型中，在1 GHz的頻率范圍內(nèi)可采用不規(guī)則的屏蔽腔體圓形線纜孔洞，從而提高不同電磁脈沖武器作用下車輛電子設(shè)備的屏蔽效能。

4 結(jié)論

筆者采用等效傳輸線算法對高空核電磁脈沖作用下車輛電子設(shè)備屏蔽腔體的屏蔽效能進(jìn)行研究。針對回波強(qiáng)度與反射面形狀有關(guān)的問題，設(shè)計了一種非規(guī)則的屏蔽腔體，通過增強(qiáng)回波減少進(jìn)入屏蔽腔體內(nèi)部的電磁波。在考慮觀測位置，孔洞形狀，腔體的形狀，加載電控設(shè)備及應(yīng)用到車輛模型的屏蔽效能分析后，可以得出以下的結(jié)論。

1)屏蔽腔體對低頻段的屏蔽效果明顯高于高頻段，當(dāng)脈沖武器源為頻率較高電磁波時，產(chǎn)生的屏蔽效能近似穩(wěn)定在50 dB。

2)當(dāng)頻率低于主諧振頻率時，離孔縫越近，耦合進(jìn)的電磁能量越大;當(dāng)處于諧振頻率時，屏蔽腔與孔形成共振，屏蔽效能很低，且腔體內(nèi)任何空間都如此。

3)對于相同面積的孔洞，圓形孔縫的屏蔽效能比矩形孔孔縫的屏蔽效能要好。因此，對無法避免的腔壁開口，應(yīng)盡可能采用圓形孔。

4)筆者設(shè)計的不規(guī)則腔體2的電場屏蔽效能高于圓柱形和矩形屏蔽腔體，且諧振較小，由此可驗(yàn)證此屏蔽腔設(shè)計的合理性。

5)在考慮電控設(shè)備后對幾種模型的屏蔽效能進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計的非規(guī)則屏蔽腔體2屏蔽效果的有效性。

6)把非規(guī)則屏蔽腔體應(yīng)用于捷達(dá)車模型的電子設(shè)備，未加屏蔽腔時，車輛自身具有一定的屏蔽效果，約為幾個分貝。增加屏蔽腔后，電路板上的屏蔽效果有明顯改善，提高60 dB以上。因此在車輛這樣不規(guī)則的模型中，在1 GHz的頻率范圍內(nèi)可采用此非規(guī)則的屏蔽腔體圓形線纜孔洞，從而提高其電子設(shè)備的屏蔽效能，驗(yàn)證模型的可行性。

［1］周佩白，魯君偉，傅正財，等.電磁兼容問題的計算機(jī)模擬與仿真技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2006.HOU Peibai， LU Junwei， FU Zhengcai， et al. Computer Simulation and Simulation Technology of Electromagnetic Compatibility［M］.Beijing:Electric Power of China，2006.

［2］XIA Nenghong，YI Xueqin，SONG Wenwu.Shielding Effectiveness and Coupling Characteristic of Metallic Enclosures with Apertures under EMP［C］//Power and Energy Engineering Conference.Piscataway，USA:［s.n.］，2009:27-31.

［3］FARHANA AHMAD PO'AD，MOHD ZARAR MOHD JENU.Shielding Effectiveness of Rectangular Metallic Enclosure with Apertures［C］//2005 Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics.Johor，Malaysia Piscataway，United States:［s.n.］，2005:167-171.

［4］汪柳平，高攸綱.有孔矩形腔的屏蔽效能及其對諧振抑制研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2008，23(3):560-564.WANG Liuping，GAO Yougang.Analysis of Shielding Effectiveness for Rectangular Cavity with Apertures and Resonance Suppression［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23(3):560-564.

［5］鄧小斌，侯朝楨.有孔矩形腔屏蔽效能的傳輸線分析［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2004，16(3):341-344.DENG Xiaobin，HOU Chaozhen.Analysis on Shielding Effectiveness of Rectangular Cavity with Apertures by Transmission Line Method［J］.High Power Laser and Particle Beam，2004，16(3):341-344.

［6］ROBINSON M P，BENSON T M，CHRISTOPOULOS C，et al.Analytical Formulation for the Shielding Effectiveness of Enclosure with Apertures［J］.IEEE Transition Electromagnetic Compatibility，1998，40(8):240-248.

［7］路宏敏，劉國強(qiáng)，余志勇，等.加裝印刷電路板的圓孔陣矩陣機(jī)殼屏蔽效能［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21(1):108-112.LU Hongmin，LIU Guoqiang，YU Zhiyong，et al.Shielding Effectiveness of PCB Loaded Rectangular Enclosure with Circular Aperture Array［J］.Hign Power Laser and Particle Beam，2009，21(1):108-112.

［8］王宇飛，趙曉暉，溫泉.線纜孔洞對車輛電子設(shè)備屏蔽效能分析［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2013，31(3):235-242.WANG Yufei，ZHAO Xiaohui，WEN Quan.Shielding Effectiveness Analysis of Vehicle Electronic Equipment with Cable Holes［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(3):235-242.

［9］閆潤卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001:230-247.YAN Runqing，LI Yinghui.The Foundation of Microwave Technology［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2001:230-247.

［10］DoD，USA.MIL-STD-461F:Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment［S/OL］.Re10 December 2007.http://www.dtbtest.com/PDFs/MIL-STD-461F.pdf.

［11］SCOGNA A C，SCHAUER M.EMC Simulation of Complex PCB inside a Metallic Enclosure and Shielding EffectivenessAnalysis［C］//18th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility.Piscataway，United States:［s.n.］，2007:91-94.

［12］石立華，張琦，周穎慧，等.線束干擾響應(yīng)的精簡計算模型［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2013，25(2):531-536.SHI Lihua，ZHANG Qi，ZHOU Yinghui，et al.Reduced Model for Disturbance Analysis of Cable Bundles［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25(2):531-536.

［13］史記元，羅建書，倪谷炎，等.孔縫腔體內(nèi)多導(dǎo)體傳輸線的耦合響應(yīng)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2011，23(3):849-850.SHI Jiyuan，LUO Jianshu，NI Guyan，et al.Coupling onto Wires Enclosed in Cavity with Aperture［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23(3):849-850.

［14］THOMAS D W P，KONEFAL T，BENSON T M.Characterisation of the Shielding Effectiveness of Loaded Equipment Enclosures［C］//IEEE Int Sym Electromagnetic Compatibility York.Stevenage，UK:IEEE，1999:89-94.

［15］高印寒，樊寬剛，楊開宇，等.時域有限差分法在汽車EMC分析中的應(yīng)用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2009，39(1):210-214.GAO Yinhan，F(xiàn)AN Kuangang，YANG Kaiyu，et al.Application of Finite-Difference Time-Domain in Analysis of EMC in Automotive［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2009，39(1):210-214.

(責(zé)任編輯:張潔)

Analysis of Irregular Cavity Shielding Effectiveness in Vehicles

WANG Yufei1，ZHAO Xiaohui2，WEN Quan2
(1.College of Information and Technology，Jilin Normal University，Siping 136000，China;2.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

In order to effectively suppress electromagnetic injury，the electronic products shielding effectiveness of the cable holes was studied by TLM(Transmission Line Matrix)method in HEMP(High-altitude Electromagnetic Pulse).In view of the echo strength and the reflecting surface shape，an irregular shielding cavity was designed for the first time to resist electromagnetic destruction which can reduce the electromagnetic wave entering cavity by enhancing echo and it was tested in non-shielded vehicles.The simulation results show that the electric shielding effectiveness of irregular cavity is higher than that of the cylindrical and rectangular cavity and the resonator is also small hence rationality and effectiveness of the design were verified which can provide a theoretical reference to the protection of the electronic control system for vehicles.

transmissionlinematrix(TLM);shieldingeffectiveness;irregularcavity;high-altitude electromagnetic pulse;circuit board

TN97

A

1671-5896(2014)02-0181-07

2013-06-06

“十二五”裝備預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目(40407030202)

王宇飛(1978— )，女，吉林四平人，吉林師范大學(xué)講師，博士，主要從事電磁兼容研究，(Tel)86-13504466387(E-mail)yufei-522@163.com;趙曉暉(1957— )，男，北京人，吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事自適應(yīng)信號處理、無線移動通信理論及電磁防護(hù)研究，(Tel)86-431-85095079(E-mail)xhzhao@jlu.edu.cn;通訊作者:溫泉(1977— )，男，四川高縣人，吉林大學(xué)講師，博士，主要從事電磁兼容防護(hù)研究，(Tel)86-13504464996(E-mail)wenquan@jlu.edu.cn。