基于HFSS電磁仿真優(yōu)化地基DOAS設(shè)備結(jié)構(gòu)及布局

李光旭，湯 詠

（1.成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，成都610225；2.合肥中科環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室有限公司，合肥230031）

地基DOAS 設(shè)備是合肥中科環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室有限公司最新研發(fā)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先的污染氣體監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。其具有監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。為適應(yīng)室外負(fù)責(zé)的監(jiān)測(cè)條件，排除周圍電磁干擾，要求設(shè)備具有較高電磁屏蔽功能[1]。

目前，電磁屏蔽領(lǐng)域的研究已經(jīng)從基礎(chǔ)理論研究發(fā)展到了預(yù)測(cè)和實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]一方面，總結(jié)了預(yù)防電磁干擾的材料，描述了屏蔽金屬、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電復(fù)合材料對(duì)控制電磁干擾的效果，為本文選材提供了指導(dǎo)方向；另一方面，又分析了4 種測(cè)試電磁屏蔽效果的方法；文獻(xiàn)[3]對(duì)帶有矩形開孔的腔體使用等效傳輸線原理計(jì)算該腔體的屏蔽效能，該理論已經(jīng)擴(kuò)展到解決帶有圓形孔的屏蔽效能問題；文獻(xiàn)[4]更是針對(duì)航空電子產(chǎn)品電磁環(huán)境效應(yīng)提出了模塊化設(shè)計(jì)方法。

隨著文獻(xiàn)[5]中總結(jié)出的電磁數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，有限元法、矩量法、有限積分法、差分法、傳輸線法等方法都被提出并豐富起來，由此研發(fā)出了各種工程應(yīng)用軟件：ANSYS HFSS 是基于有限元法研發(fā)出的；CTS 是基于有限積分法研發(fā)出來的，Microwave OfficeADSFEKO 等是基于矩量法研發(fā)出的；文獻(xiàn)[6]應(yīng)用CTS 仿真了在0～1 GHz 下，帶有矩形孔徑的箱體的電磁屏蔽效能；文獻(xiàn)[7]應(yīng)用ANSYS HFSS 分析了孔縫對(duì)箱體的電磁屏蔽影響。以上兩種軟件都展現(xiàn)了強(qiáng)大的電磁場(chǎng)精確仿真能力；文獻(xiàn)[8]展示了HFSS 軟件分析細(xì)節(jié)，文中HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，成為三維電磁仿真設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

以上研究都是針對(duì)電磁屏蔽效能的評(píng)估，隨研究的全面，在文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]的研究中，除分析電磁屏蔽效果之外，還重點(diǎn)關(guān)注了電磁諧振現(xiàn)象，對(duì)抑制電磁諧振提出了很多優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[11]結(jié)合HFSS 仿真評(píng)估與優(yōu)化設(shè)備的電磁屏蔽和電磁諧振。HFSS 優(yōu)秀的場(chǎng)后處理功能能為設(shè)計(jì)人員提供豐富的場(chǎng)結(jié)果，整個(gè)空間的場(chǎng)分布情況可以以顏色云圖的方式直觀展現(xiàn)電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱點(diǎn)位。

1 相關(guān)理論

電磁兼容性設(shè)計(jì)要素在于干擾源、干擾路徑和受擾設(shè)備3 方面。為此，提高設(shè)備電磁兼容性的措施必然從這3 方面入手：通過屏蔽干擾源或降低干擾功率等措施來限制干擾源主動(dòng)干擾，加大設(shè)備距離等方式切斷干擾路徑，控制設(shè)備孔隙等措施提高設(shè)備受擾閾值。

在實(shí)際工作中，對(duì)受擾設(shè)備而言，屏蔽受擾設(shè)備是控制電磁兼容的重要手段。通常，電子設(shè)備的屏蔽效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是電磁屏蔽效能SE，其定義為指空間某點(diǎn)屏蔽前的電場(chǎng)強(qiáng)度E0、磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和屏蔽后該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)Es，Hs的比值。其電場(chǎng)屏蔽效能：SEe=20lg（E0/Es）；磁場(chǎng)屏蔽效能：SEm=20lg（H0/Hs）。對(duì)電子設(shè)備來說，按照QJ3035-1998 標(biāo)準(zhǔn)中電子機(jī)柜電磁屏蔽要求和測(cè)試方法的要求，該設(shè)備內(nèi)部電磁屏蔽效能要求為二類屏蔽：>30～40 dB。

HFSS 作為電磁仿真軟件，其仿真流程如下：

（1）創(chuàng)建設(shè)計(jì)工程，選擇求解類型。在HFSS 中共有3 種模式，分別為模式驅(qū)動(dòng)、終端驅(qū)動(dòng)、本征模求解。本次仿真選用模式驅(qū)動(dòng)求解；

（2）創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型病情指定模型中材料屬性，分配邊界條件和端口激勵(lì)；

（3）求解設(shè)置。設(shè)置求解頻率、收斂誤差、最大迭代次數(shù)等信息。本次仿真是掃頻分析，還需要設(shè)置掃頻方式；

（4）運(yùn)算仿真并對(duì)數(shù)據(jù)做后處理，查看計(jì)算結(jié)果，包括屏蔽效能曲線、電場(chǎng)強(qiáng)度圖等等。

地基DOAS 設(shè)備是基于成像光譜技術(shù)與差分吸收光譜技術(shù)，完成區(qū)域內(nèi)污染物分布的觀測(cè)。其內(nèi)部有高精密光譜儀設(shè)備。光譜儀工作中數(shù)據(jù)量大，信息處理過程復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)信噪比有較為嚴(yán)格的要求，而電磁兼容特性是影響系統(tǒng)信噪比，進(jìn)而影響光譜復(fù)原準(zhǔn)確度的重要因素之一。因此，針對(duì)地基DOAS 設(shè)備，提高其電磁屏蔽性能是非常有意義的研究。

2 模型簡(jiǎn)化

按照設(shè)備小型化和高電磁屏蔽性要求，該地基DOAS 設(shè)備采用鋁合金5052 材質(zhì)制成，結(jié)構(gòu)分內(nèi)外兩層，外層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為394 mm×394 mm×382 mm；內(nèi)層為異形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為234 mm×250 mm×344 mm；凸起結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為104 mm×144 mm×160 mm。設(shè)備正前方有直徑40 mm 的光路出口貫穿內(nèi)外層兩個(gè)面。仿真中，在模型最外側(cè)建立600 mm 的真空區(qū)間作為仿真邊界條件。本次仿真忽略安裝螺釘帶來的屏蔽影響。因此，直接建模為BOX 形態(tài)，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model

3 地基DOAS 屏蔽效能分析

為驗(yàn)證該雙層結(jié)構(gòu)的屏蔽能力，在模型中選4個(gè)分布在內(nèi)外殼中的參考點(diǎn)：P1（190，100，300）；P2（150，100，150）；P3（-50，100，50）；P4（-150，100，100），其中P1，P4 在外層與內(nèi)層結(jié)構(gòu)之間，P2，P3 在內(nèi)層結(jié)構(gòu)內(nèi)。

仿真中取離散掃頻范圍為0.2 GHz～2 GHz，步進(jìn)100 MHz，共計(jì)18 個(gè)離散頻率做分析，入射波為500 V/m。為避免假收斂，預(yù)設(shè)置最小Pass 為3，最大delta energy 為0.1，使用HFSS 仿真后的收斂如圖2所示。

圖2 模型仿真收斂Fig.2 Model simulation convergence picture

可見，在循環(huán)計(jì)算11 次后，delta energy<0.1，計(jì)算結(jié)果快速收斂。觀察不同參考點(diǎn)處，材料厚度分別為2 mm，3 mm，4 mm 時(shí)不同的屏蔽效能曲線如圖3～圖6所示。

圖3 P1 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.3 Shielding effectiveness curve at P1

圖4 P2 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.4 Shielding effectiveness curve at P2

圖5 P3 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.5 Shielding effectiveness curve at P3

圖6 P4 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.6 Shielding effectiveness curve at P4

可見，各參考點(diǎn)及厚度參數(shù)對(duì)應(yīng)的屏蔽效能均大于40 dB，符合QJ3035-1998 標(biāo)準(zhǔn)要求，其中在小于0.5 GHz 時(shí)候，處于內(nèi)外殼之間的P1 和P4 點(diǎn)都能維持在54 dB；而處于內(nèi)殼的P2 和P3 點(diǎn)在可以在大于0.5 GHz，小于1 GHz 時(shí)候，仍位于54 dB 的較高屏蔽效能指數(shù)。可見雙層殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部更符合高屏蔽要求，因此核心模塊優(yōu)選安裝在內(nèi)殼中。

再看雙殼體內(nèi)部的P2 和P3 處的屏蔽效能曲線，P2 點(diǎn)附近的電磁屏蔽效能曲線往下波動(dòng)最小，在2 GHz 以內(nèi)的掃頻中，屏蔽效能均在50 dB 以上，因此，P2 點(diǎn)附近的屏蔽效能更好。對(duì)比圖4中不同厚度下的屏蔽效能曲線，其中紅色線條在1 GHz 時(shí)該點(diǎn)屏蔽效能出現(xiàn)明顯下降，而其他顏色線條此現(xiàn)象，因此優(yōu)選其他顏色線條代表的壁厚，考慮整體減重，設(shè)計(jì)中選擇壁厚3 mm 作為結(jié)構(gòu)厚度尺寸。

4 地基DOAS 電磁諧振場(chǎng)強(qiáng)分析

從圖3～圖6中可以看出，部分頻率下，對(duì)應(yīng)位置的電磁屏蔽效能急劇下降，這極有可能是電磁諧振引起的變化，對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)也叫諧振點(diǎn)。極端情況下的電磁諧振會(huì)導(dǎo)致電磁屏蔽效能為負(fù)值，即金屬結(jié)構(gòu)未消除電磁干擾，反而加大了電磁干擾。因此從結(jié)構(gòu)布局需要避開電磁諧振。

觀察3 mm 壁厚下，在1.4 GHz 時(shí)，外殼屏蔽效能有突降，因此在HFSS 軟件中仿真1.4 GHz 下內(nèi)外殼中的場(chǎng)強(qiáng)分布情況如圖7和圖8所示。

觀察圖7，外殼體邊角處場(chǎng)強(qiáng)較中間大，可見，考慮電磁諧振的影響，裝配在外殼的電子元器件需要避開邊角，盡量安裝在中間區(qū)域；觀察圖8，除底部外，內(nèi)殼體場(chǎng)強(qiáng)較小，且接近均勻分布，因此雙層屏蔽對(duì)外部磁場(chǎng)起到了良好的屏蔽效果，電子設(shè)備可根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)先在內(nèi)殼排布，且盡量遠(yuǎn)離底部。

圖7 外殼場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.7 Field strength distribution of shell

圖8 內(nèi)殼場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.8 Field strength distribution of inner shell

5 結(jié)語(yǔ)

高可靠性的電子產(chǎn)品需要綜合電磁兼容性、加工制造及功能需求來設(shè)計(jì)，本文從電磁屏蔽和電磁諧振角度為材料厚度的選擇和內(nèi)部元件的布局提供了指導(dǎo)，設(shè)計(jì)的內(nèi)外殼結(jié)構(gòu)符合高電磁兼容性設(shè)計(jì)要求。在后期的工作中可通過試驗(yàn)的方式對(duì)此結(jié)果做進(jìn)一步驗(yàn)證。