截止波導(dǎo)管在腔體屏蔽中的應(yīng)用研究

劉志堅(jiān)，涂志章，羅靈琳，陳瀟雅，王暢

截止波導(dǎo)管在腔體屏蔽中的應(yīng)用研究

劉志堅(jiān)1，涂志章1，羅靈琳1，陳瀟雅2，王暢1

（1. 昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237300）

依據(jù)波導(dǎo)管的高通濾波性能，設(shè)計(jì)了一種帶有波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽腔體。采用HFSS有限元仿真軟件，分別仿真了矩形孔和加了一段矩形波導(dǎo)管的腔體模型，分析了在1.0~2.0 GHz頻率范圍內(nèi)屏蔽效能和電磁場強(qiáng)度變化。并進(jìn)一步研究了平面波不同極化方向以及波導(dǎo)管長度對(duì)腔體屏蔽效能的影響，得出0沿軸（沿短邊）極化整體屏蔽效能最好，波導(dǎo)管長度與腔體屏蔽效呈正相關(guān)。研究結(jié)果表明，加裝波導(dǎo)管能夠提高帶孔腔體的屏蔽效能，在波導(dǎo)長度為6 mm時(shí)，金屬腔體截止頻率從原有1.16 GHz提高至1.5 GHz，并且腔體諧振頻率明顯減小、諧振次數(shù)也相對(duì)減少。

波導(dǎo)管；屏蔽效能；截止頻率；腔體諧振

0 引言

現(xiàn)如今，電氣產(chǎn)品種類繁多，已經(jīng)深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。這些電氣產(chǎn)品改善了日常生活，同時(shí)也帶來了大量的電磁污染。機(jī)箱電磁屏蔽是一種非常直觀且有效地防止電磁輻射的方法，在機(jī)箱設(shè)計(jì)過程中為散熱、通風(fēng)、連接線端口等設(shè)置的孔縫是機(jī)箱電磁屏蔽效能降低的主要原因[1-2]。通過對(duì)腔體屏蔽效能研究，一方面能夠?qū)Σ煌O(shè)備采取最合理的屏蔽措施；另一方面能夠盡早發(fā)現(xiàn)問題，縮短研發(fā)周期，節(jié)省人力物力[3]。

目前，腔體屏蔽特性研究多以開孔的矩形屏蔽空腔為研究模型，通常采用實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)值仿真和解析分析3種方法[4]。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)分析的局限性、離散性等缺陷，數(shù)值分析方法能靈活有效地反映腔體隨外界磁場環(huán)境變化后屏蔽效能的變化趨勢，從而能夠更好地為各類型屏蔽腔體屏蔽性能頂層設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐[5-6]。Robinson基于波導(dǎo)理論和等效電路原理推導(dǎo)出計(jì)算帶孔腔體諧振頻率和寬頻帶屏蔽效能的等效電路算法[7]。文獻(xiàn)[8]利用TLM數(shù)值方法研究孔縫腔體分別在近場和遠(yuǎn)場情況下，影響SE的關(guān)鍵因素并對(duì)實(shí)際機(jī)箱屏蔽特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9]研究了頻率、孔徑以及孔陣列對(duì)泡沫鋁材料屏蔽效能的影響。

本文基于Robinson數(shù)值方法將孔縫腔體模型等效的原理，通過HFSS建模，在小孔上增設(shè)一節(jié)波導(dǎo)管，利用波導(dǎo)管的高通濾波特點(diǎn)，對(duì)射入波導(dǎo)管內(nèi)的電磁能量進(jìn)行反射、吸收損耗，從而達(dá)到提升屏蔽效能的作用。

1 開孔腔體數(shù)值模型分析

1.1 屏蔽效能定義

屏蔽性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)是屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）：在電磁干擾源下，屏蔽體安放前后電場強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度的比值[10]。

1.2 Robinson方法

該方法的總體思想是將帶矩形孔的腔體等效為終端短路的波導(dǎo)，將孔等效為左右兩端短路的共面帶狀傳輸線，利用等效電路的原理解決電磁場耦合問題[11-12]，如圖1所示。

圖1 等效電路研究模型

如圖1所示，激勵(lì)被等效成電壓源0，自由空間波阻抗≈377 Ω。傳播系數(shù)和特征阻抗分別為g和g，自由空間波數(shù)為0=2π/，矩形開孔被等效為兩端短路的共面帶狀傳輸線[12-14]，根據(jù)Gupta理論，其特征阻抗為：

式中：e為孔的等效寬度；和′為橢圓積分，即：

通過對(duì)矩形孔終端阻抗進(jìn)行/2變化至中心位置，結(jié)合孔與腔體耦合系數(shù)，得孔的等效阻抗為：

根據(jù)戴維南定理，可得矩形孔處的等效電壓1=0ap/(0+ap)以及等效阻抗1=0ap/(0+ap)。根據(jù)特性阻抗和傳播系數(shù)g，g，可得觀測點(diǎn)處的等效電壓、源阻抗以及負(fù)載阻抗分別為：

式中：0和S分別為屏蔽前后的電場強(qiáng)度；0和S分別為屏蔽前后的磁場強(qiáng)度。

2 截止波導(dǎo)管的屏蔽效能

當(dāng)電磁波通過波導(dǎo)管時(shí)，截止波導(dǎo)管利用其高通濾波的特性，使電磁波頻率在波導(dǎo)截止頻率以下時(shí)被截止或者衰減，通常要求其長度要比橫截面積直徑或最大線性尺寸至少大3倍[15]。金屬波導(dǎo)管的最低截止頻率c只與波導(dǎo)管橫截面積內(nèi)尺寸有關(guān)[15-16]，其中矩形波導(dǎo)管最低截止頻率為：

式中：表示矩形波導(dǎo)管橫截內(nèi)直徑，cm。對(duì)應(yīng)為：

當(dāng)<

通常在設(shè)計(jì)截止波導(dǎo)管時(shí)，以干擾源max確定波導(dǎo)管c的值，應(yīng)使<

3 基于HFSS有限元方法仿真

3.1 腔體仿真模型

帶孔屏蔽腔體的幾何模型如圖2所示。屏蔽腔體尺寸為462 mm×212 mm×488 mm，壁厚2 mm，材料為鋁，激勵(lì)設(shè)置為平面波，開孔位于前側(cè)中心，矩形孔尺寸90 mm×10 mm，孔輻射邊界尺寸為800 mm×500 mm×850 mm。場強(qiáng)監(jiān)測點(diǎn)位于腔體中心，電場強(qiáng)度為1 V/m，求解頻率為1.5 Hz，掃描頻率設(shè)置1.0~2.0 GHz，求解步長設(shè)置10 MHz。

圖2 矩形波導(dǎo)孔腔體三維模型

3.2 矩形波導(dǎo)管與矩形孔對(duì)比仿真分析

在腔體正面開設(shè)一小孔，分別對(duì)加/不加波導(dǎo)管兩種情況進(jìn)行討論，0沿軸方向，波導(dǎo)管厚度=1 mm，長度=6 mm。

由圖3（a）可知，加裝矩形波導(dǎo)管腔體的屏蔽效能明顯高于矩形孔腔體。在1.0~2.0 GHz整段頻率范圍下，加裝矩形波導(dǎo)管的曲線基本位于矩形孔曲線的正上方。

圖3 腔體中心SE/電磁場強(qiáng)度圖

由電磁場曲線圖3可知，加裝矩形波導(dǎo)管后腔體監(jiān)測點(diǎn)電磁場強(qiáng)度要更低。因?yàn)椴▽?dǎo)管具有高通濾波性，能使電磁波頻率在波導(dǎo)截止頻率以下時(shí)被衰減，在1.5 GHz之前，幾乎沒有電磁波能量進(jìn)入矩形波導(dǎo)管腔體中（監(jiān)測點(diǎn)處電磁場強(qiáng)度幾乎均為0）。但是，矩形孔腔體在1.16 GHz時(shí)發(fā)生腔體諧振，監(jiān)測點(diǎn)電場強(qiáng)度急劇增大，屏蔽效能值也低于–15 dB。

加裝矩形波導(dǎo)管的腔體在頻段1.0~2.0 GHz內(nèi)，腔體諧振次數(shù)明顯較少。同時(shí)，也可以看到兩者所發(fā)生諧振頻率點(diǎn)是基本一致的，這是因?yàn)榍惑w諧振是由腔體本身尺寸決定，與是否加入波導(dǎo)管無關(guān)。

從圖4中可以看到，在頻率1.16 GHz時(shí)矩形波導(dǎo)管腔體內(nèi)部發(fā)生明顯諧振，電磁波能量通過小孔耦合進(jìn)入腔體內(nèi)部。而加裝矩形波導(dǎo)管的腔體內(nèi)部電磁波能量明顯較弱，大多集中在腔體外部。

圖4 1.16 GHz下XY平面電場強(qiáng)度分布圖

通過矩形孔與波導(dǎo)矩形孔腔體對(duì)比仿真研究，驗(yàn)證了加裝波導(dǎo)管能夠提高帶孔腔體的屏蔽效能，為下面分析波導(dǎo)矩形孔腔體屏蔽效能影響因素做鋪墊。

3.3 極化方向?qū)匦尾▽?dǎo)管腔體仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證平面波不同極化方向?qū)ζ帘涡艿挠绊?，采?種平面波極化方向：0沿軸方向；0沿軸方向；0沿45°方向，其它條件不變，仿真分析如圖5所示。

圖5 不同極化方向下SE圖

由圖5可以看出，矩形波導(dǎo)在1.7 GHz前，0沿軸（沿短邊）極化的絕大部分屏蔽效能值是高于0沿軸（沿長邊）和45°方向極化，說明在1.0~1.7 GHz時(shí)，平面波0沿軸極化通過小孔耦合進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部的能量最少。在1.7~2.0 GHz內(nèi)，0沿軸極化的屏蔽效能相對(duì)較好。相比較而言，當(dāng)0沿45°方向極化時(shí)，電磁波能量（相當(dāng)于沿著矩形孔斜邊進(jìn)入）最容易進(jìn)入腔體內(nèi)部。因此，電磁波能量沿著長邊方向最容易進(jìn)入腔體內(nèi)部，極化方向可作為設(shè)計(jì)矩形孔尺寸的依據(jù)。

3.4 不同長度的波導(dǎo)管腔體仿真分析

為了研究波導(dǎo)管長度對(duì)屏蔽效能的影響，選擇6 mm，14 mm，22 mm 3種不同長度矩形波導(dǎo)管。0極化方向默認(rèn)沿軸，其它條件不變，仿真分析如下：

由圖6可知，當(dāng)波導(dǎo)管從6 mm增長至22 mm時(shí)，整體上看是波導(dǎo)管越長腔體屏蔽效能越好。但考慮到腔體開孔主要是為了散熱，波導(dǎo)管長度過長會(huì)影響腔體的散熱效果。所以在設(shè)計(jì)波導(dǎo)管長度時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備所需的屏蔽效能等級(jí)，在不影響散熱效果情況下適當(dāng)增加波導(dǎo)管長度。

圖6 不同矩形波導(dǎo)長度下SE圖

4 結(jié)論

通過上述研究表明，加裝波導(dǎo)管的腔體屏蔽效能明顯優(yōu)于矩形孔腔體，隨著波導(dǎo)管長度增加屏蔽效果也逐漸變好。但是，由于腔體開設(shè)小孔要考慮散熱效果，因此波導(dǎo)管的長度應(yīng)在不影響散熱前提下適當(dāng)增加。因?yàn)榫匦尾▽?dǎo)管濾波性，波導(dǎo)矩形孔腔體相比于矩形孔腔體的截止頻率c有所提高，腔體諧振強(qiáng)度也在一定程度上被削弱，在性能上優(yōu)于矩形孔腔體。

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Application Research of Cut off Waveguide in the Shielding Cavity

LIU Zhijian1, TU Zhizhang1, LUO Linglin1, CHEN Xiaoya2, WANG Chang1

(1. Faculty of Electrical Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2. Anhui Jinzhai Pumped Storage Co., Ltd., Lu’an 237300, China)

Based on the high pass filter performance of waveguide, a metal shielding enclosure with waveguide structure is designed. The HFSS finite element simulation software is used to simulate the rectangular holes andcavity models with a section of rectangular waveguide respectively, and analyzes their shielding effectiveness and electromagnetic field strength changes in the frequency range of 1.0~2.0 GHz. Furthermore, the effects of different polarization directions of plane wave and waveguide length on the shielding effectiveness of the cavity are studied, and it is found that0polarization along theaxis (along the short side) has the best overall shielding effectiveness, and the waveguide length is positively correlated with the cavity shielding effectiveness. The results show that the shielding effectiveness of the cavity with holes can be improved by adding waveguide. When the waveguide length is 6mm, the cut-off frequency of the metal cavity is increased from 1.16 GHz to 1.5 GHz; the resonant frequency of the cavity is obviously reduced, and the resonant times is relatively reduced as well.

waveguide; shielding effectiveness; cut-off frequency; cavity resonance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.02.010

TM15

A

1672-0792(2021)02-0073-06

2020-07-01

劉志堅(jiān)（1975—），男，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制；

涂志章（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒菖c機(jī)箱電磁屏蔽；

羅靈琳（1983—），女，講師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。