帶孔縫箱體電磁屏蔽效能的研究*

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帶孔縫箱體電磁屏蔽效能的研究*

周澤倫

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

摘要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的普及與應(yīng)用、電子產(chǎn)品高頻化、數(shù)字化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，使得電子設(shè)備間的電磁屏蔽問(wèn)題更加突出。屏蔽箱技術(shù)是行之有效的屏蔽方法，然而，實(shí)際中常用于散熱、過(guò)電纜等的功能性孔或孔陣必然造成電磁泄漏。因此，現(xiàn)今對(duì)影響電磁屏蔽效能的相關(guān)因素的研究和分析提出了更高的科學(xué)性。在簡(jiǎn)要介紹了電磁屏蔽效能的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)帶孔縫箱體內(nèi)電磁場(chǎng)，詳細(xì)分析了使用電磁仿真軟件HFSS計(jì)算其電磁屏蔽效能的方法及結(jié)果。得出了一般性結(jié)論：箱內(nèi)與孔縫距離不同的點(diǎn)，距離孔縫越遠(yuǎn)，屏蔽效能越好；屏蔽效能圓形孔縫和正方形孔縫大小相仿，三角形孔縫位列次席，而長(zhǎng)方形則居于末位；孔縫越小，屏蔽效能越好；長(zhǎng)方形孔縫的長(zhǎng)短邊的比值越小，箱體屏蔽效能越好；孔陣間距越小，屏蔽效能越好；開孔數(shù)量越多，屏蔽效能越好。

關(guān)鍵詞：屏蔽效能；箱體；孔縫；HFSS

0引言

21世紀(jì)以來(lái)，無(wú)論在軍品市場(chǎng)，抑或是在民品市場(chǎng)，電子、電氣設(shè)備的銷量與日俱增，產(chǎn)品日新月異。在科研領(lǐng)域，設(shè)備與設(shè)備之間變得更加息息相關(guān)，所產(chǎn)生的電磁干擾更為不可忽視。因?yàn)檫@個(gè)原因，人們?yōu)槭蛊湔９ぷ?，通過(guò)使用金屬箱體進(jìn)行屏蔽來(lái)降低設(shè)備間的電磁干擾。然而，由于屏蔽箱上通風(fēng)、散熱、觀察以及過(guò)電纜等孔縫或孔陣的不可或缺，外界信號(hào)通過(guò)這些孔縫對(duì)機(jī)箱內(nèi)部進(jìn)行電磁干擾，會(huì)對(duì)電路中的敏感器件造成一定波動(dòng)，使工作系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

作為電磁兼容性領(lǐng)域的主要內(nèi)容——電磁屏蔽技術(shù)，雖然發(fā)展已有數(shù)十年，國(guó)內(nèi)外在孔縫這一版塊的研究十分多，但是，大部分的研究主要是集中在對(duì)于屏蔽材料的開發(fā)與研究[1]、孔縫對(duì)耦合效應(yīng)的影響[2]、對(duì)屏蔽效能的測(cè)試方法[3]以及對(duì)不同材料屏蔽體屏蔽效能的對(duì)比[4]等，對(duì)改變孔縫各方面要素對(duì)電磁屏蔽效能的影響的考慮很少，只有少量對(duì)有孔箱體屏蔽效能分析的研究[5-6]。對(duì)某些問(wèn)題研究得還不夠深入和全面，沒(méi)有總結(jié)出一般性的結(jié)論。因此，現(xiàn)今對(duì)影響電磁屏蔽效能的相關(guān)因素的研究和分析提出了更高的科學(xué)性。

1屏蔽效能計(jì)算方法

由介質(zhì)材料產(chǎn)生的消耗與反射同時(shí)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)造成的抑制和衰減稱為電磁屏蔽。電磁屏蔽效能(Electromagnetic Shielding Effectiveness，以下簡(jiǎn)稱SE)是一種電磁指標(biāo)，被用以度量電磁屏蔽作用的強(qiáng)弱，SE的定義是在某試驗(yàn)點(diǎn)無(wú)屏蔽存在時(shí)的電磁場(chǎng)E0與H0和在同一試驗(yàn)點(diǎn)加屏蔽抑制后的電磁場(chǎng)E1與H1的比值[7-8]，一般用單位dB表示。公式如下

式中E0，H0分別為空間中，所取試驗(yàn)點(diǎn)在無(wú)任何處理時(shí)的電磁場(chǎng)，E1，H1分別為同一試驗(yàn)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)屏蔽體衰減后的電磁場(chǎng)。

一般來(lái)說(shuō)，近場(chǎng)(nearfield)定義為距離電磁輻射源小于3個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)(或者波長(zhǎng)量級(jí))的電磁場(chǎng)；近場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度比遠(yuǎn)場(chǎng)(farfield)大得多。從這個(gè)角度上說(shuō)，電磁屏蔽的重點(diǎn)應(yīng)該在近場(chǎng)。所以本文主要研究近場(chǎng)電磁屏蔽效能[9]。

箱體的材料特性、箱壁厚度、形狀，箱體上孔縫的形狀、尺寸、數(shù)量，箱體內(nèi)部的印刷電路板，以及輻射源的頻率、入射角和極化形式等因素都對(duì)箱體的SE有很大的影響。在此類計(jì)算對(duì)帶孔縫箱體的SE研究中，除了一般的試驗(yàn)測(cè)試外，常用的方法還有另外2種，即數(shù)值解析法和基于平面波理論的傳輸線解析法。由于傳輸線解析法并不適合對(duì)電磁屏蔽的近場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行解析，在這里不做討論。通常使用的數(shù)值解析法主要有時(shí)域傳輸線矩陣法、時(shí)域有限差分法、矩量法和有限元法這4種[10]。

目前，研究最多的計(jì)算方法是電磁場(chǎng)的有限元法(FEM)，這種計(jì)算方法有廣泛的實(shí)用性，而且具有分析各種復(fù)雜情況和結(jié)構(gòu)的能力，而現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)越發(fā)先進(jìn)，在高速性和大存儲(chǔ)量的使用條件下，能夠得到較為精確的結(jié)果。HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)作為一款基于FEM的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件被業(yè)界廣為認(rèn)可，在本研究中用以解析多種因素和電磁屏蔽效能的關(guān)系。

2仿真模型的建立

HFSS軟件有3種求解類型：模式驅(qū)動(dòng)求解、終端驅(qū)動(dòng)求解和本征模求解。模式驅(qū)動(dòng)求解與終端驅(qū)動(dòng)求解的不同點(diǎn)是散射參數(shù)的矩陣表達(dá)式不同，前者以能量的形式進(jìn)行表示，而后者以電壓和電流的形式來(lái)表示。對(duì)電磁屏蔽效能進(jìn)行研究，主要分析電場(chǎng)或磁場(chǎng)，應(yīng)選用模式驅(qū)動(dòng)求解[11-12]。

研究選取帶有多種不同孔縫的金屬鋁制箱體，圖1以矩形孔縫為例。箱體的幾何尺寸為a×b×c=322mm×285mm×194mm，以箱體其中一角作為坐標(biāo)原點(diǎn)O(如圖1)，按照不同的需求設(shè)立不同的孔縫的形狀以及尺寸，孔縫位于箱體開孔面的中心，箱體壁厚度為3mm，為了方便觀測(cè)，初始試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)定在箱體幾何中心位置與孔縫所在平面相距97mm.現(xiàn)取一具有微帶線的印刷電路板放于箱體底部中心位置，該電路板與XOY平面平行。使用HFSS最基本且最重要的就是正確地認(rèn)識(shí)和使用邊界條件，邊界條件確定場(chǎng)，這是本款軟件能夠較為準(zhǔn)確進(jìn)行仿真計(jì)算的依據(jù)和前提。并且，使用有限元法求解電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，如若不在外邊界確定一種輻射邊界條件，問(wèn)題將難以得到唯一的解[13]。因此，為了實(shí)現(xiàn)建模時(shí)電磁問(wèn)題的完整性，任意添加一長(zhǎng)方體作為輻射的邊界條件(空氣)，將箱體包裹即可。研究將入射波設(shè)定為平面電磁波并沿Z軸負(fù)方向向箱體垂直入射、沿著Y軸正向極化，電場(chǎng)強(qiáng)度為1伏每米。

圖1　矩形孔縫HFSS仿真模型實(shí)例Fig.1　HFSS simulation model of retangular aperture

通過(guò)使用HFSS軟件驗(yàn)證屏蔽效能研究的合理性時(shí)，必須先進(jìn)行求解設(shè)置，然后才能再啟動(dòng)軟件內(nèi)求解器進(jìn)行解算。設(shè)置100 ΩHz為起始頻率，1 000 ΩHz為終止頻率，50 ΩHz為步長(zhǎng)，掃頻類型為離散。收斂的迭代次數(shù)為15次，計(jì)算精度為0.02[12]。以下圖1以孔縫為矩形的箱體為例，根據(jù)每一小節(jié)變換孔縫形狀。

3帶孔縫的箱體的SE分析

3.1　箱體內(nèi)部不同點(diǎn)與孔縫的距離和SE的關(guān)系

研究箱體內(nèi)部不同點(diǎn)的屏蔽效能，這一部分研究選用孔縫水平面為圓形的模型進(jìn)行探討，改變?cè)囼?yàn)點(diǎn)與孔縫的距離作為變量，此處取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，該點(diǎn)和孔縫下沿所在水平面的垂直距離分別為120，80和40 mm，根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　3個(gè)不同試驗(yàn)點(diǎn)的箱體SE曲線Fig.2　Box SE graph of 3 different test point

根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果分析可得，位于中軸線的屏蔽箱內(nèi)的某試驗(yàn)點(diǎn)和孔縫所在平面的距離與SE呈負(fù)相關(guān)。因此，若箱體內(nèi)存在敏感元件，應(yīng)使箱體內(nèi)該元件盡量遠(yuǎn)離孔縫。

3.2　孔縫形狀和SE的關(guān)系

分析孔縫水平面形狀和箱體SE的關(guān)系，研究選取箱體上孔縫面積幾乎相同的長(zhǎng)方形、正方形、圓形和等邊三角形進(jìn)行對(duì)比來(lái)探討。根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3為3種面積相同、孔縫形狀不同時(shí)，HFSS仿真計(jì)算所得的箱體SE.根據(jù)仿真結(jié)果分析，孔縫水平面積相同，箱體SE排序?yàn)椋簣A形和正方形大小相仿，三角形位列次席，而長(zhǎng)方形則居于末位。因此，開孔時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮圓或正方形孔縫而非長(zhǎng)方形或三角形的孔縫。

圖3　孔縫形狀不同情況下的箱體SE曲線Fig.3　Box SE graph of different aperture shapes

3.3　孔縫尺寸和SE的關(guān)系

研究選取圓形孔縫為例來(lái)探討孔縫水平面尺寸和SE的關(guān)系。改變圓的半徑作為變量，分別使用5，10和20 mm作為圓形孔縫的半徑，根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　圓形孔縫半徑不同情況下的箱體的SE曲線Fig.4　Box SE graph of circular apertureswith different radius

圖4說(shuō)明了形狀相同時(shí)，不同尺寸的孔縫和箱體SE的關(guān)系。由圖可見，在同等其他條件下，孔縫尺寸和SE呈負(fù)相關(guān)。

研究矩形(長(zhǎng)方形)孔縫長(zhǎng)寬比(L/W)不同情況，文中選取孔縫為矩形為例進(jìn)行探討。根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　帶不同長(zhǎng)寬比的長(zhǎng)方形孔縫的箱體SE曲線Fig.5　Box SE graph of rectangular apertureswith different length-width ratio

同時(shí)比較13 mm×12 mm，25 mm×6 mm和50 mm×3 mm的3種情況可以看到，三者的SE依次降低，研究說(shuō)明，在長(zhǎng)方形孔縫的長(zhǎng)邊與入射平面電磁波的極化方向垂直的情況下，長(zhǎng)方形孔縫的長(zhǎng)短邊的比值和箱體的SE呈負(fù)相關(guān)。從側(cè)面可以看出，在選取孔縫形狀時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮正方形而非長(zhǎng)方形。

3.4　孔陣的屏蔽效能分析

3.4.1孔陣間距和SE的關(guān)系

研究孔陣間距和屏蔽效能的關(guān)系，選取孔陣為圓形孔陣，對(duì)不同的孔陣間距進(jìn)行探討。圓形孔陣的HFSS電磁仿真模型如圖6所示，對(duì)孔陣內(nèi)圓形的圓心距進(jìn)行改變，間距分別為3，6和9 mm.根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6　圓形孔陣的HFSS仿真模型Fig.6　HFSS simulation model of circular aperture arrays

圖7顯示了圓形孔陣排列一定和圓形孔縫面積相同時(shí)，不同的孔陣間距和箱體的屏蔽效能的關(guān)系。由圖7可見，當(dāng)圓形孔陣排列形式一定，圓形孔縫面積相同時(shí)，孔陣間距和屏蔽效能呈負(fù)相關(guān)。所以在排列孔陣時(shí)孔縫應(yīng)盡量縮短間距。

圖7　孔陣間距不同情況下的箱體的SE曲線Fig.7　Box SE graph of aperture arrays with different spacing

3.4.2孔陣中孔縫數(shù)量和SE的關(guān)系

研究孔陣中孔縫數(shù)量和屏蔽效能的關(guān)系，選取孔陣總面積不變，對(duì)單孔、雙孔和四孔的模型進(jìn)行探討。根據(jù)HFSS軟件仿真結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)曲線可得，選取孔陣的總面積作為不變量，孔縫數(shù)量作為變量時(shí)，在屏蔽箱體上開單個(gè)孔縫的SE明顯差于屏蔽箱體上開多個(gè)孔縫時(shí)的SE.因此，對(duì)于擁有較高靈敏度的設(shè)備，為了達(dá)到較高的屏蔽效果，在屏蔽體表面應(yīng)適當(dāng)增加孔縫的數(shù)量。

圖8　改變孔陣孔縫數(shù)量的箱體的SE曲線Fig.8　Box SE graph of aperture arrays withdifferent quantity of apertures

4帶孔縫電磁屏蔽箱的設(shè)計(jì)建議

1)確保通風(fēng)面積不變，應(yīng)盡可能使用圓形或正方形的孔縫而不是矩形孔縫[14]；

2)最大限度的使過(guò)電纜孔縫或通風(fēng)孔的尺寸減?。?/p>

3)若使用矩形孔縫時(shí)，可以縮短長(zhǎng)寬比來(lái)提高屏蔽效能；

4)同等面積下盡量使用孔陣，增加開孔數(shù)量，并且盡可能減小通風(fēng)孔間的距離；

5)將需進(jìn)行屏蔽保護(hù)的設(shè)備妥善放置距離孔縫越遠(yuǎn)越好。

5結(jié)論

在闡述電磁屏蔽效能計(jì)算方法的同時(shí)，運(yùn)用HFSS三維電磁仿真軟件計(jì)算孔縫電磁屏蔽效能的結(jié)果。并根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)并且全面的分析了多種因素對(duì)電磁屏蔽效能的影響，得出了一般性結(jié)論：箱內(nèi)與孔縫距離不同的點(diǎn)，距離孔縫越遠(yuǎn)，屏蔽效能越好；圓形孔縫和正方形孔縫的屏蔽效能大小相仿，三角形孔縫位居次席，而長(zhǎng)方形則居于末位；孔縫越小，屏蔽效能越好；長(zhǎng)方形孔縫的長(zhǎng)短邊的比值越小，箱體屏蔽效能越好；孔陣間距越小，屏蔽效能越好；開孔數(shù)量越多，屏蔽效能越好。根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)出了針對(duì)帶孔縫電磁屏蔽箱的設(shè)計(jì)建議。

參考文獻(xiàn)References

[1]王睿.連續(xù)碳纖維表面金屬化及其復(fù)合材料電磁屏蔽性能研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

WANG Rui.Research on surface metallization of continuous carbon fiber and the electromagnetic shielding property of its composite[D].Tianjin：Tianjin University，2012.

[2]周飛.電磁脈沖通過(guò)屏蔽體孔縫的耦合特性研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2011.

ZHOU Fei.Couping Characteristics Research of the EMP through the Shield’s Aperture[D].Zhengzhou：Zhengzhou University，2011.

[3]劉暢.防電磁輻射服裝屏蔽效能測(cè)試方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

LIU Chang.Test method for shielding effectiveness of anti-electromagnetic radiation clothing[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2009.

[4]李嬋虓，余占清，曾嶸，等.沖擊電場(chǎng)作用下屏蔽體屏蔽效能實(shí)驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù)，2014，40(9):2 849-2 854.

LI Chan-xiao,YU Zhan-qing,ZENG Rong,et al.Experimental research of shielding effectiveness against impluse eclectric field for shielding enclosure[J].High Voltage Engineering,2014，40(9):2 849-2 854.

XU Yun-zhi.The effect of apertures on the electromagnetic shielding effectiveness of electronice case[J].Industry and Mine Automation，2008(1):36-37.

[5]劉韜，章蕾，曹麗萍，等.孔縫對(duì)電磁屏蔽效能的影響[J].電子元器件應(yīng)用，2010，12(7):90-92.

LIU Tao，ZHANG Lei，CAO Li-ping，et al.The effect of apertures on the electromagnetic shielding effectiveness[J].Electronic Component & Device Applications，2010，12(7):90-92.

[6]何鳴.孔縫對(duì)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):262-267.

HE Ming.Influence of apertures in the electronic equipment of missile on electromagnetic shielding effectiveness[J].Journal of Astronautics，2006，27(2):262-267.

[7]Celozzi S，Araneo R，Lovat G.Electromagnetic shielding[M].Beijing：China Machine Press，2010.

[8]孟培雯，劉云飛，顧敏明.機(jī)箱孔縫對(duì)電磁屏蔽效能的影響研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(13):155-158.

MENG Pei-wen，LIU Yun-fei，GU Min-ming.Influence of enclosure holes or slots on the electromagnetic shielding effectiveness[J].Modern Electronics Technique，2012，35(13):155-158.

[9]陳新平，楊顯清.基于HFSS的有孔屏蔽體的屏蔽效能分析[J].信息技術(shù)，2012(10)：36-37.

CHEN Xin-ping，YANG Xian-qing.Analysis of shielding effectiveness for rectangle cavity with apertures based on HFSS[J].Information Technology，2012(10)：36-37.

[10]何林濤.基于HFSS的孔陣機(jī)殼近場(chǎng)屏蔽效能分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18(4):255-259.

HE Lin-tao.Analysis of near-field shielding properties for aperture arrays based on HFSS[J].Journal of Engineering Design，2011，18(4):255-259.

[11]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.

BAI Xu-dong.Application of Ansoft HFSS in electromagnetic shielding design[J].Radio Engineering，2011，41(8):41-43.

[12]Bouwkamp C J.On bethe 5 theory of diffraction by small holes[J].Philips Research Reports,1950,5(5):321-332.

[13]陳新平，楊顯清.基于HFEE的有孔屏蔽體的屏蔽效能分析[J].信息技術(shù)，2012(10)：140-143.

CHEN Xin-ping,YANG Xian-qing.Analysis of shielding effectiveness for rectangle cavity with apertures based on HFSS[J].Information Technology,2012(10)：140-143.

[14]董鵬娜，李愛(ài)琴.電子設(shè)備屏蔽箱體對(duì)抗電磁干擾研究[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(2)：30-32.

DONG Peng-na,LI Ai-qin.The study of shielding box of electronic equipment against electromagnetic interference[J].Journal of Luohe Vocational Technology College，2012(2)：30-32.

Research on the sheilding effectiveness of the box with apertures

ZHOU Ze-lun

(Xi’anElectronicEngineeringResearchInstitute，Xi’an710100，China)

Abstract：With the popularity and applications of Radio Communications Technology，and the trends of high frequency，digitization and miniaturization of electronic products，electromagnetic shielding problems of electronic equipment become more prominent.Electromagnetic shielding box techniques are effective shielding methods.However in practical cases，functional apertures or aperture arrays which are usually used in radiating and passing cables will inevitably result in electromagnetic leakage.Therefore，higher scientification of studies and analysis on the related affecting factors to the electromagnetic shielding effectiveness is required.Based on the brief introduction of the principle of the calculation methods of shielding effectiveness，the calculation and method of shielding effectiveness(SE) of the inside field of boxes with apertures by the electromagnetic simulating software HFSS is studied.This paper draws a general conclusion: the farther away the points in the box from apertures，the better the shielding effectiveness(SE) is;SEof circular apertures and square apertures is the best，triangle the third and the rectangle follows; the smaller apertures is，the better theSEis; the smaller the ratio of the length and width of the rectangular apertures is，the betterSEis; the smaller the aperture spacing of array is，the better theSEis; the more the apertures are，the betterSEis.

Key words：shielding effectiveness；box；aperture；HFSS

中圖分類號(hào)：TM154

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：周澤倫(1991-)，男，陜西扶風(fēng)人，碩士研究生，E-mail:jasonpatrick@126.com

收稿日期：*2015-07-25責(zé)任編輯：高佳

文章編號(hào)：1672-9315(2016)01-0122-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0121