孔洞對于機箱屏蔽效能的影響

何新文，解國領(lǐng)，吳 迪

孔洞對于機箱屏蔽效能的影響

何新文，解國領(lǐng)，吳 迪

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

通風(fēng)孔是影響機箱電磁屏蔽效能和通風(fēng)能力的重要因素，在保證通風(fēng)能力的前提下提高機箱屏蔽效能是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對工程實際中通風(fēng)孔設(shè)計不合理導(dǎo)致機箱屏蔽效能不達標，在研究孔洞的形狀、尺寸、深度和空占比等因素對機箱屏蔽效能的影響的基礎(chǔ)上，提出了通風(fēng)孔屏蔽設(shè)計方法，以提高設(shè)備屏蔽效能。在CST軟件中建立機箱模型，分析機箱屏蔽效能，并利用CST軟件分別分析機箱上有不同形狀、不同直徑和不同深度的孔洞時機箱的屏蔽效能。在考慮機箱通風(fēng)性能的基礎(chǔ)上，分別仿真孔洞空占比為40%、60%和80%時機箱的屏蔽效能。根據(jù)軟件的仿真結(jié)果確定尺寸和深度為影響機箱屏蔽效能的主要因素，并提出了通風(fēng)孔屏蔽設(shè)計的建議。

通風(fēng)散熱孔；電磁仿真；空占比；屏蔽效能

引用格式：何新文，解國領(lǐng)，吳 迪.孔洞對于機箱屏蔽效能的影響［J］.無線電工程，2016，46（5）：99-102.

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備越來越具有小型化、高集成度的趨勢，這樣就造成了設(shè)備熱流密度高、內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜的特點。為了解決散熱問題，在工程上，經(jīng)常采用在機箱箱體開出散熱孔，通過自然對流或者強迫風(fēng)冷的方式進行散熱。但機箱的孔洞又會造成設(shè)備屏蔽效能下降，因此很有必要研究機箱表面的孔洞對于電磁屏蔽的影響［1］。

目前，對于孔洞電磁泄漏在理論上也有一些計算公式，但在工程中，由于實際問題比較復(fù)雜，進行計算就比較困難，而使用電磁仿真軟件相對比較易于實現(xiàn)。本文使用CST電磁仿真軟件，以常用的2U機箱為模型，分別仿真孔洞的形狀、孔洞尺寸、孔洞深度和空占比等特征對于機箱電磁屏蔽效能的影響［2］。

1 孔洞的形狀

孔洞的形狀常用的一般有圓形、矩形和六邊形等3種，如果采用直接在金屬板上加工出通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)鈑金或者銑削加工結(jié)構(gòu)件的不同，通風(fēng)孔的深度一般在1～3 mm之間。下面將根據(jù)不同的形狀和深度組別進行仿真對比［3］。

屏蔽機箱的外形尺寸為W×H×L=420 mm× 88 mm×360 mm，假設(shè)6個面完全密閉，在+Z面上的一個區(qū)域（200 mm×50 mm）設(shè)置通風(fēng)孔，如圖1所示。機箱中心設(shè)置高44 mm的單極子天線作為發(fā)射源，測試機箱外3 m處的電場場強，頻率范圍設(shè)定在0～4 GHz。

圖1　孔洞仿真模型

首先仿真單個單極子天線在3 m處的電場場強，然后使用屏蔽機箱將天線封閉起來，再得到監(jiān)測點的電場場強。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　機箱屏蔽前后電場場強對比

對無屏蔽機箱時的3 m電場歸一化，得到該機箱的屏蔽效能如圖3所示。

圖3　機箱屏蔽效能

下面將按照通風(fēng)孔面積相同，形狀分為方形、圓形和六邊形3種情況分別進行仿真。以工程中常用的圓形通風(fēng)孔直徑2.5 mm為例，分別計算出相同面積的方形孔的邊長為2.22 mm，六邊形的邊長為1.37 mm。依據(jù)上述數(shù)據(jù)在孔深度2 mm，空占比40%的相同條件下進行仿真計算，結(jié)果如圖4所示。

通過圖4可知，在單個通風(fēng)孔面積很小時，面積相同的不同形狀的通風(fēng)孔對機箱屏蔽能力影響較小。可以看到在工作頻點160 MHz：圓形通風(fēng)孔機箱屏效78.3 dB，方形通風(fēng)孔機箱屏效77.7 dB，六邊形通風(fēng)孔機箱屏效78.5 dB，相對來說，六邊形孔屏效＞圓形孔＞方形孔，但差距不大，最大差距為0.8 dB。為了進一步驗證當單個孔面積較大時，形狀對屏效的影響，由于在工程中很少會出現(xiàn)直徑大于6 mm的通風(fēng)孔，所以依照直徑6 mm的圓孔面積同時保持其他條件不變，進行3種形狀孔的仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

圖4　3種形狀孔屏蔽效能對比

圖5　3種形狀孔屏蔽效能對比

由圖5可以看出，在主要工作頻率小于4 GHz且單個孔面積較?。―＜6 mm）的情況下，通風(fēng)孔的形狀對于屏效影響較小，開孔形狀可根據(jù)加工工藝需要選擇［4］。

2 孔的面積

通過對孔洞形狀的電磁仿真，可知在單孔面積較小時，其形狀對于機箱屏效影響較小，所以在仿真單孔尺寸對屏效的影響時，選擇了最常見的圓孔為例，進行分析。在孔深2 mm，空占比40%的條件下，分別取圓孔直徑D=2.5 mm、D=4 mm和D=6 mm進行仿真計算，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6　3種不同直徑圓孔屏蔽效能對比

由圖6可以看出，單孔面積大小對于機箱屏蔽效能影響較大，開孔越小，屏蔽能力越高。在本例中，對于工作頻率160 MHz，在D=2.5 mm時，屏效最高為78.3 dB，D=6 mm時，屏效最低為53.4 dB，即當通風(fēng)孔直徑由2.5 mm提高到6 mm時，機箱的屏蔽能力降低了24.9 dB。

3 孔的深度

孔的深度越大，通風(fēng)效果越差，但同時提高了電磁屏蔽效能，因此有必要分析孔深度大小對屏蔽效能的影響能力。以直徑2.5 mm，空占比40%的圓形通風(fēng)孔陣列為基礎(chǔ)進行分析，分別取深度1 mm、2 mm和3mm進行仿真對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7　3種不同深度圓孔屏蔽效能對比

由圖7可知，孔的深度對于機箱屏蔽效能影響較大，深度越小，屏蔽能力越低。在本例中，對于工作頻率160 MHz，在d=3 mm時，屏效最高為91 dB，d=1 mm時，屏效最低為72 dB，即當通風(fēng)孔深度由1 mm提高到3 mm時，機箱的屏蔽能力增加了19 dB。但是也可以發(fā)現(xiàn)當孔深度由1 mm提高到2 mm時，屏效由72 dB增加到了78.3 dB，提升不是特別明顯。因此在工程中，如果設(shè)備對于機箱屏蔽要求不是很高，但是對通風(fēng)要求較大時，可以盡量減小通風(fēng)孔位置的厚度來綜合設(shè)計［5］。

4 陣列孔位置的空占比

電子設(shè)備為了提高通風(fēng)散熱能力，一般都會要求增加通風(fēng)孔區(qū)域的空占比，來降低風(fēng)阻，提高對流換熱能力。但是空占比的不同又會對機箱的屏蔽效果形成影響。因此有必要根據(jù)空占比值的不同，對機箱的屏蔽效果進行仿真分析。繼續(xù)采用同樣的機箱模型，通風(fēng)孔為圓形，直徑D=2.5 mm，深度為2 mm，分別對空占比為40%、60%和80%這3個不同的比例進行仿真分析，如圖8所示。

由圖8可以看出，孔陣列區(qū)域空占比的不同對于機箱的屏蔽效能有一定的影響，空占比越小，屏蔽能力越高。對于本例，在160 MHz的頻點上，通風(fēng)孔區(qū)域為40%空占比的機箱屏蔽為78.3 dB；60%空占比的機箱屏蔽為75.2 dB；80%空占比的機箱屏蔽為73.3 dB。對比屏效值的變化，可以看出空占比發(fā)生較大變化時，其對機箱屏蔽能力的影響較小。因此在工程中，如果機箱的屏蔽余量較高，同時對通風(fēng)要求高時，可以通過提高通風(fēng)孔區(qū)域的空占比來實現(xiàn)［6］。

圖8　3種不同空占比孔陣列屏蔽效能對比

5 仿真結(jié)果分析

通過對通風(fēng)孔相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對機箱電磁屏蔽能力影響的仿真分析，可以看出在工程中常用的單個小面積通風(fēng)孔的形狀對機箱的屏蔽能力影響很小，一般選用圓形，易于加工；而單個通風(fēng)孔的面積對機箱屏蔽能力影響最大；通風(fēng)孔深度的變化對于機箱的屏蔽能力有一定的影響，但在1～2 mm之間變化時，對屏蔽效能影響不大，而對通風(fēng)能力影響最大的空占比對機箱的屏蔽能力影響也不是很大［7］。所以如果需要大通風(fēng)量而電磁屏蔽要求也較高時，可以將通風(fēng)區(qū)域設(shè)計成小通風(fēng)孔高空占比的通風(fēng)孔陣列，同時在通風(fēng)區(qū)域位置的選擇上既要滿足散熱的要求，又要盡量將開孔區(qū)域離開機箱邊緣［8］。

6 結(jié)束語

綜上所述，孔洞對電子設(shè)備散熱性和屏蔽性能影響很大，僅依靠傳統(tǒng)理論計算無法適應(yīng)復(fù)雜的實際情況，因此屏蔽設(shè)計中僅憑以往的經(jīng)驗和實驗驗證。通過文章可以看出，使用CST等仿真軟件分析孔洞對設(shè)備屏蔽性能的影響，能驗證屏蔽設(shè)計的有效性，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，值得在結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣應(yīng)用［9］。同時，應(yīng)積極掌握并運用仿真軟件輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計，它能幫助查找結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低試驗成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量［10］。

［1］ 聶 磊，王迎節(jié)，汪 洋.屏蔽對電子設(shè)備EMC性能影響分析［J］.無線電工程，2011，41（10）：61-64.

［2］ 瞿 丹，陳 瑜，樊友文.基于CST的金屬腔體電磁環(huán)境仿真分析［J］.船電技術(shù)應(yīng)用研究，2014，34（10）：66-69.

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

［4］ 石 丹.平面波斜入射到有孔腔體的屏蔽效能分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2011，26（4）：678-682.

［5］ 姚建明，吳建汪，謝擁軍，等.內(nèi)置PCB板電路的電子設(shè)備的屏效研究［J］.微波學(xué)報，2005，27（增刊1）：31-34.

［6］ 李新峰，魏光輝，潘曉東，等.開孔不規(guī)則金屬腔體電磁耦合實驗研究［J］.高電壓技術(shù)，2013，39（10）：2 415-2 421.

［7］ 王連坡，茅文深.電磁屏蔽技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2009，29（1）：173-177.

［8］ 田建學(xué)，魏俊淦，趙 波.機載設(shè)備機箱的電磁屏蔽設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2012，20（7）：187-189.

［9］ 張 敏.CST微波工作室用戶全書［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

［10］PRASAD Kodali V.工程電磁兼容［M］.陳淑鳳，高攸綱，蘇東林，等，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

Influence of Ventilation Holes on Cabinet Shielding Effectiveness

HE Xin-wen，XIE Guo-ling，WU Di
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Ventilation holes greatly influence cabinet shielding effectiveness and ventilation capability，and improving cabinet shielding effectiveness is the key of structure design.Considering that improper design of ventilation holes will make the cabinet shielding effectiveness fail to meet the requirement，a shielding design method of ventilation holes is proposed by studying the influence of holes’shape，size，depth and duty ratio on cabinet shielding effectiveness.A model is set up and the cabinet shielding effectiveness is analyzed by CST.The shielding effectiveness of cabinet with holes of different shapes，diameters and depths are analyzed by CST too. Considering the ventilation capability of cabinet，the shielding effectiveness of cabinet with 40%duty ratio，60%duty ratio and 80% duty ratio are analyzed.The main factors influencing the shielding effectiveness of cabinet are size and depth of holes according to the analysis results.The recommendation for ventilation holes characteristics in shielding design is provided.

ventilation hole；electromagnetic simulation；duty ratio；shielding effectiveness

TH122

A

1003-3106（2016）05-0099-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.25

2016-01-05

何新文 女，（1973—），工程師。主要研究方向：電子通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

解國領(lǐng) 男，（1979—），高級工程師。主要研究方向：電子通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。