孔縫腔體對(duì)雷電波屏蔽效能的特性研究

李月英，蘇麗敏，周 文

（1.鄭州科技學(xué)院，鄭州 450064； 2.漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河462000；3.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

孔縫腔體對(duì)雷電波屏蔽效能的特性研究

李月英1，蘇麗敏2，周 文3

（1.鄭州科技學(xué)院，鄭州 450064； 2.漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河462000；3.南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

針對(duì)雷電波通過傳輸線在不同孔縫屏蔽腔內(nèi)對(duì)電子設(shè)備造成損壞等問題，通過對(duì)孔縫屏蔽腔體屏蔽效能的理論分析，并采用 （impulse current generated system，ICGS）雷電沖擊平臺(tái)模擬8/20 μs波形的雷電流，對(duì)不同孔徑的屏蔽腔體進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)表明：金屬屏蔽腔體對(duì)1.75 GHz雷電電磁信號(hào)的屏蔽效能與2.5 GHz的雷電電磁波相比，其屏蔽效果更好；當(dāng)屏蔽腔體表面的孔縫直徑為30 mm時(shí)，腔體對(duì)雷電電磁波的屏蔽效果最好，范圍為16.5 dB～18 dB，且當(dāng)雷電波的波長(zhǎng)大于其截止波長(zhǎng)時(shí)，屏蔽腔體對(duì)雷電電磁波的屏蔽效果最佳。為腔體防雷工作提供了理論依據(jù)及數(shù)據(jù)參考。

孔縫腔體；耦合；雷電電磁波；屏蔽效能；截止波長(zhǎng)

0 引言

隨著電子信息市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，人們使用電子設(shè)備的現(xiàn)象已經(jīng)很普遍，然而由于自然環(huán)境或者人為因素對(duì)電子設(shè)備的危害也在不斷增加，其中雷電電磁脈沖就是影響設(shè)備運(yùn)行的自然環(huán)境因素之一[1－2]。雷電發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，通過電力線會(huì)對(duì)附近的設(shè)備造成保護(hù)裝置動(dòng)作延誤、電子器件損壞或著停機(jī)等問題。因此人們通常會(huì)使用屏蔽裝置來減小對(duì)電子設(shè)備的干擾，但在實(shí)際情況中，金屬屏蔽裝置為了通風(fēng)或用來連接電源線不可避免地會(huì)開一些孔縫，而這樣雷電電磁波就有可能進(jìn)入到屏蔽腔體中，因此需要對(duì)金屬腔體因雷電電磁脈沖產(chǎn)生的雷電電磁波的屏蔽效能進(jìn)行研究[3－4]。

關(guān)于孔縫屏蔽腔的屏蔽效能，有多位國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多研究。李凱等[5]針對(duì)矩形孔縫金屬腔體在電磁輻射下的屏蔽效能進(jìn)行研究，證明：孔縫的尺寸、深度、填充介質(zhì)會(huì)衰減進(jìn)入腔體的入射波而在一定程度上影響屏蔽效能；夏昌明等[6]就金屬腔體通過使用FIOELIW軟件進(jìn)行FDTD仿真并通過計(jì)算來預(yù)測(cè)因素源的不同位置，不同頻段范圍對(duì)屏蔽效能的影響。張慧文，史小衛(wèi)[7]為了解決孔縫的耦合問題運(yùn)用了兩種不同的計(jì)算方法并分析了這兩種方法的內(nèi)在聯(lián)系和各自的特點(diǎn)。但以上作者并沒有針對(duì)雷電這種自然因素源對(duì)金屬屏蔽體的屏蔽性能進(jìn)行研究。因此研究雷電電磁脈沖下金屬屏蔽體的屏蔽效能是很有必要的[8－10]。筆者利用孔縫屏蔽體的基本理論，從理論上討論了對(duì)雷電電磁波進(jìn)入孔縫屏蔽腔內(nèi)對(duì)腔體的屏蔽效能。并通過模擬雷電波試驗(yàn)，分別研究不同孔徑下，屏蔽腔體的屏蔽效能，為屏蔽腔體的防雷工作，提供一定的理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 孔縫屏蔽腔對(duì)雷電波的屏蔽效能理論分析

假定屏蔽殼體是一個(gè)理想導(dǎo)電的無限薄的金屬球殼，其半徑為r0；在殼體上有一個(gè)半徑為ρ的圓孔（ρ遠(yuǎn)小于r0）。假定屏蔽殼體是處在交變磁場(chǎng)中。可以采用標(biāo)量場(chǎng)位概念，并考慮圓孔處的交流磁場(chǎng)分布類似于穩(wěn)定磁場(chǎng)。圓孔外表面的磁場(chǎng)為H0，泄漏到內(nèi)部空間的磁場(chǎng)為Hi，則通過圓孔的傳輸系數(shù)為為[11－12]

為求Hi，可以在圓孔中心設(shè)置一等效磁偶極子，使其在內(nèi)部空間的場(chǎng)位ψi（標(biāo)量）滿足殼體內(nèi)表面磁場(chǎng)垂直分量為零的邊界條件。

先假定偶極子是設(shè)置在離體中心為a處，a＜r0。

M為與磁偶極子成正比的因子。

導(dǎo)入新的坐標(biāo)系統(tǒng)（rm、θm、φ），即

將ψi1按a/rm冪數(shù)展開并以滿足拉普拉斯方程式2ψ=0的特解的形式來表示，即

當(dāng)考慮殼體作用時(shí)，由于殼體的影響產(chǎn)生了反射場(chǎng)位ψi2

因此屏蔽殼體內(nèi)部空間的場(chǎng)位ψi為

當(dāng)洞孔面積S在整個(gè)屏蔽表面積L中顯得極小，而且洞孔的直線尺寸比波長(zhǎng)小很多，于是通過洞孔的傳輸系數(shù)Th1可以用下式大致求出，即

2 雷電波沖擊電壓下試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

金屬腔體屏蔽裝置見圖1。本試驗(yàn)采用沖擊電流發(fā)生器（impulse current generator，ICG）模擬 8/20 μs波形的雷電流，在沖擊電流發(fā)生器的正負(fù)輸出端間串聯(lián)一根長(zhǎng)為1.2 m，直徑為4 cm的金屬桿，當(dāng)雷電流通過金屬桿后，在金屬桿周圍將產(chǎn)生雷電電磁場(chǎng)，作為用于試驗(yàn)場(chǎng)地，ICG產(chǎn)生6～40 kA的雷電流，步長(zhǎng)為2 kA。在距離金屬桿6 m處，放置一個(gè)長(zhǎng)為25 cm，寬為15 cm，高為10 cm的鋁制金屬屏蔽腔體。在屏蔽腔體內(nèi)外的同一水平線上，分別放置兩個(gè)中心頻率與帶寬等參數(shù)相同的天線，并分別數(shù)字示波器相連，用于采集其感應(yīng)的雷電電磁波電壓波形，屏蔽腔體接地。首先，在屏蔽腔體沒有孔洞時(shí)，分別更換兩種不同頻段的天線進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。其次，在金屬腔體表面分別開直徑7 mm、14 mm、30 mm的圓形孔洞進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

圖1 金屬腔體屏蔽裝置Fig.1 Metal cavity shielding device

本次試驗(yàn)為了采集不同頻率下的雷電電磁波產(chǎn)生的信號(hào)，使用了2根中心頻率為1.75 GHz的天線和2根中心頻率為2.5 GHz的天線，為了方便描述試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)這4根天線進(jìn)行了編號(hào)，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)天線數(shù)據(jù)Table 1 Experimental antenna data

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 屏蔽腔體對(duì)不同頻率信號(hào)的屏蔽性能分析

首先，選擇一個(gè)沒有孔洞的金屬屏蔽腔體，分別針對(duì)1.75 GHz和2.5 GHz的天線使用示波器采集數(shù)據(jù)，并分別對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到兩種天線的能量值和屏蔽效能值，見表2。圖2、圖3所示為兩種天線分別在屏蔽腔內(nèi)外的能量趨勢(shì)對(duì)比圖。圖4、圖5所示為兩種天線在屏蔽腔內(nèi)的能量趨勢(shì)對(duì)比圖和屏蔽效能趨勢(shì)對(duì)比圖。

由圖2和圖3可看出，當(dāng)沖擊電流小于20 kA時(shí)，1.75 GHz的天線在屏蔽腔外接收到的能量隨著沖擊電流的增大而增大，即：沖擊電流與能量呈正比例關(guān)系；當(dāng)沖擊電流大于20 kA時(shí)，沖擊電流與能量呈反比例關(guān)系，但腔內(nèi)接收的能量變化趨勢(shì)較小。根據(jù)2.5 GHz天線接收到的雷電電磁波的能量變化趨勢(shì)可以得出：當(dāng)沖擊電流小于34 kA時(shí)，屏蔽腔外能量隨著沖擊電流增大而緩慢增加，當(dāng)沖擊電流大于34 kA時(shí)，天線感應(yīng)到的能量值驟然增加，屏蔽腔內(nèi)的能量隨著沖擊電流的增大也有較大的浮動(dòng)。且屏蔽腔外的能量比屏蔽腔內(nèi)的能量大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表2 無孔時(shí)兩種頻段的雷電電磁波的能量和屏蔽效能Table 2 Energy and shielding effectiveness of lightning electromagnetic waves in two frequency bands without holes

圖2 無孔時(shí)1.75 GHz天線腔內(nèi)外能量圖Fig.2 Shows the internal and external energy of the 1.75 GHz antenna

圖3 無孔時(shí)2.5 GHz天線腔內(nèi)能量圖Fig.3 Shows the intracavity energy of 2.5 GHz antenna without holes

圖4 無孔時(shí)兩種天線的能量圖Fig.4 Energy diagram of two antennas without holes

圖5 無孔時(shí)兩種天線的屏蔽效能圖Fig.5 Shows the shielding effectiveness of two antennas without holes

從圖4中可看出：中心頻率在2.5 GHz的天線接收到雷電電磁波的能量比中心頻率在1.75 GHz的天線接收到的雷電電磁波的能量要大，感應(yīng)到的雷電波電壓波頻率小。從圖5可看出：金屬屏蔽腔體對(duì)1.75 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能比2.5 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能要高，即：屏蔽效果更好。從圖6可以看出，將屏蔽效能曲線通過一次線性擬合可以得到1、2號(hào)天線與3、4號(hào)天線的擬合直線公式分別為 m：y=－0.02x+14.83和 n：y=－0.04x+11.16。m、n兩條趨勢(shì)線的斜率分別為－0.02和－0.04。由此可見，屏蔽腔體對(duì)所研究的頻率下的屏蔽效能具有隨著沖擊電流的增大而減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槔纂婋姶挪ㄟM(jìn)入金屬屏蔽腔后，在屏蔽腔內(nèi)發(fā)生多次反折射，使得屏蔽效能減小。由于兩條擬合直線的斜率較小，因此上述變化不是很大，從曲線的變化趨勢(shì)可以得出：當(dāng)沖擊電流達(dá)到一定值時(shí)，金屬腔體的屏蔽效能將趨于零。

圖6 沖擊電流為6 kA的典型波形Fig.6 The typical current waveform 6 kA

從所研究的模擬雷電流幅值來看，金屬屏蔽腔體對(duì)2.5 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能在14～16 dB，而金屬屏蔽腔體對(duì)1.75 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能在10 dB～12 dB。

2.2.2 孔徑不同時(shí)屏蔽腔體的屏蔽效能分析

在金屬屏蔽腔體表面分別開直徑7 mm、4 mm、30 mm的圓形單孔洞，用中心頻率為1.75 GHz的天線在屏蔽腔體內(nèi)外，作為接受電磁波信號(hào)的裝置，在其他條件不變的情況下，使用數(shù)字示波器采集天線感應(yīng)到的雷電電磁波電壓波形，并計(jì)算屏蔽腔體內(nèi)外天線感應(yīng)電磁波能量與屏蔽效能，見表3。3種不同直徑下的屏蔽腔體內(nèi)部接收到的能量對(duì)比趨勢(shì)圖及屏蔽效能對(duì)比趨勢(shì)圖，見7和圖8。

根據(jù)圖7和圖8可看出：當(dāng)孔徑為30 mm時(shí)，雷電電磁波進(jìn)入金屬屏蔽腔內(nèi)的能量最小，當(dāng)孔徑為14 mm和7 mm時(shí)，雷電電磁波進(jìn)入屏蔽腔內(nèi)的能量變化不大，即：屏蔽效能相仿。如圖9所示，當(dāng)孔徑為30 mm時(shí)，天線耦合到的雷電電磁波電壓小于孔徑為7 mm時(shí)的。從孔徑大小對(duì)屏蔽效能角度分析，孔徑為30 mm時(shí)的屏蔽效能是最大的，屏蔽效能在16.5 dB～18 dB?？锥粗睆綖?4 mm與7 mm時(shí)的屏蔽效能明顯比孔徑為30 mm時(shí)的屏蔽效能要差，范圍在13.5 dB～15 dB。這是因?yàn)槔纂娏鞯念l譜隨著電流的變化在不斷地改變，波段的頻率也在變化，屏蔽腔體孔徑為30 mm時(shí)的截止波長(zhǎng)為0.05 m，當(dāng)雷電波的波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)大時(shí)，雷電波無法進(jìn)入腔體，所以屏蔽腔體孔縫直徑在30 mm時(shí)的屏蔽效能為最大，此時(shí)的屏蔽效果做好。

表3 單孔時(shí)不同直徑圓孔的能量Table 3 The energy of round hole with different diameter in single hole

圖7 不同孔洞直徑能量圖Fig.7 Energy spectra of different pore diameters

圖8 不同孔洞直徑屏蔽效能圖Fig.8 Effectiveness of shielding effectiveness for different hole diameters

3 結(jié)論

圖9 沖擊電流為18 kA時(shí)的典型電壓波形Fig.9 The typical current waveform when the impact of current 18 kA

1）屏蔽腔體上無孔時(shí)，當(dāng)沖擊電流小于20 kA，1.75 GHz的天線在屏蔽腔外接收到的能量隨著沖擊電流的增大而增大，即：沖擊電流與能量呈正比例關(guān)系；當(dāng)沖擊電流大于20 kA時(shí)，沖擊電流與能量呈反比例關(guān)系。且中心頻率在2.5 GHz的天線接收到雷電電磁波的能量比中心頻率在1.75 GHz的天線接收到的雷電電磁波的能量要大。

2）屏蔽腔體上無孔時(shí)，金屬屏蔽腔體對(duì)2.5 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能在14～16 dB，金屬屏蔽腔體對(duì)1.75 GHz頻段雷電電磁波的屏蔽效能在10～12 dB。

3）當(dāng)屏蔽腔體上孔徑為30 mm時(shí)，雷電電磁波進(jìn)入金屬屏蔽腔內(nèi)的能量最小，且屏蔽效能最好；當(dāng)孔徑為14 mm和7 mm時(shí)，雷電電磁波進(jìn)入屏蔽腔內(nèi)的能量變化不大，即：屏蔽效能相仿。

4）在雷電波的波長(zhǎng)大于其截止波長(zhǎng)時(shí)，屏蔽腔體對(duì)雷電電磁波的屏蔽效果最佳。

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Study on Characteristics of Shield Effectiveness of Cavity to Lightning Wave

LI Yueying1， SU Limin2， ZHOU Wen3
（1.Zhengzhou College of Science&Technology， Zhengzhou 450064， China； 2.Luohe Food Vocational College， Luohe 462000，China； 3.Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

According to the lightning wave through a transmission line in different aperture cavity damage problem of electronic equipment，theoretical analysis of shielding effectiveness of the shielding cavity with apertures， and using Impulse Current Generated System （ICGS） lightning impulse simulation platform 8/20 μs lightning current waveform， to test and analyze the shielding cavity with different aperture.The experiment shows that compared with 2.5 GHz signal lightning electromagnetic shielding effectiveness of metal shielding of 1.75 GHz lightning electromagnetic signal，the shielding effect is better； when the surface of the shielding cavity aperture diameter is 30 mm， cavity on the shielding effect of lightning electromagnetic wave the best range is between 16.5 dB－18 dB， and when the lightning wave is greater than the cutoff wavelength when the lightning shielding effect of shielding electromagnetic wave of the best.It provides a theoretical basis and data reference for the work of the cavity.

apertures cavity； coupling； lightning electromagnetic wave； shield effectiveness； cutoff wavelength

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.005

2016－10－20

李月英 (1982—)，女，碩士，講師，研究方向：電工理論與新技術(shù)，控制理論與控制工程。

河南省產(chǎn)學(xué)研合作科技攻關(guān)項(xiàng)目 （編號(hào)：162107000011）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目 （編號(hào).：16A470015）。