大型通風(fēng)孔口組合式通風(fēng)波導(dǎo)窗防護性能研究

李剛 呂芳 郇峰 白剛

（1.96911部隊，北京 100000；2.軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100000；3.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西太原 030032）

0.引言

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對電子信息安全帶來了重大威脅，隨著政府部門、企事業(yè)單位以及大量涉密場所對電子信息安全的重視，屏蔽機房、屏蔽室、保密會議室等電磁屏蔽工程作為防止信息泄露和電磁干擾的關(guān)鍵措施日益被普及[1-3]。從原理上講，電磁屏蔽工程是一個用金屬材料制成的封閉六面體[4]，為了滿足內(nèi)部空間的通風(fēng)需求，不可避免地要在工程結(jié)構(gòu)上設(shè)置通風(fēng)口，而通風(fēng)口的存在破壞了屏蔽體的電連續(xù)性，嚴(yán)重降低了屏蔽體的屏蔽效能[5-7]。

波導(dǎo)窗在滿足通風(fēng)條件的同時兼具電磁屏蔽的功能特性，被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽工程的通風(fēng)系統(tǒng)[6-8]。波導(dǎo)窗由多個波導(dǎo)管組合而成，如圖1所示。電磁波在波導(dǎo)管中經(jīng)過吸收、反射，能量逐漸損耗[9-10]，由此實現(xiàn)電磁屏蔽的功能特性。但是由于輻射源在多個波導(dǎo)管處的泄漏源在監(jiān)測點會發(fā)生干涉效應(yīng)[11]，導(dǎo)致波導(dǎo)窗包含的波導(dǎo)管數(shù)目越多，整個波導(dǎo)窗的屏蔽效能越低，當(dāng)波導(dǎo)管參數(shù)一定時，表現(xiàn)為波導(dǎo)窗面積越大，屏蔽效能越差。這就導(dǎo)致在通風(fēng)需求較大的場景中，采用大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗無法滿足屏蔽效能的要求。

圖1 通風(fēng)波導(dǎo)窗實物圖

本文針對大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗屏蔽效能下降的問題對波導(dǎo)窗的電磁屏蔽特性展開具體分析，首先以單根波導(dǎo)管為研究對象，分析波導(dǎo)孔形狀、大小及波導(dǎo)管長度對屏蔽效能的影響，其次研究陣列波導(dǎo)管中孔距和陣列面積對屏蔽效能的影響特性，然后提出將大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗劃分為多個小波導(dǎo)窗的改進方法，并分析相鄰波導(dǎo)窗間隔的大小對屏蔽效能的影響規(guī)律，最后總結(jié)通風(fēng)波導(dǎo)窗的電磁屏蔽特性，并給出大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗屏蔽效能優(yōu)化的一般性建議，為通風(fēng)波導(dǎo)窗的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1.單根波導(dǎo)的電磁屏蔽特性研究

常見的通風(fēng)波導(dǎo)窗按波導(dǎo)孔形狀主要分為圓形、方形和六邊形，在通風(fēng)面積和波導(dǎo)管長度等其他參數(shù)一定時，圓形和六邊形波導(dǎo)管的屏蔽效能差別很小，而方形波導(dǎo)管的屏蔽效能要好于圓形和六邊形波導(dǎo)管[9]。在通風(fēng)波導(dǎo)窗的實際應(yīng)用中，考慮到制作工藝、結(jié)構(gòu)強度等因素，使用最為廣泛的波導(dǎo)管類型是六邊形波導(dǎo)管，下文均以正六邊形波導(dǎo)管為研究對象展開電磁屏蔽特性研究。

正六邊形波導(dǎo)管參數(shù)包括六邊形孔徑L和長度H，如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)參數(shù)

1.1 孔徑L對屏蔽效能的影響

改變孔徑L的大小，仿真計算不同孔徑下單根波導(dǎo)的屏蔽效能，結(jié)果如圖3所示。波導(dǎo)管表現(xiàn)出高通低阻的電磁屏蔽特性，隨著孔徑的增大，屏蔽效能降低?？讖降拇笮≈苯佑绊懖▽?dǎo)的截止頻率，孔徑越小截止頻率越高，對于六邊形波導(dǎo)，其截止頻率fc可用如下公式估算[11]：fc=15/L，式中截止頻率fc單位為GHz，孔徑L的單位為cm。

圖3 波導(dǎo)孔徑L對屏蔽效能的影響

1.2 長度H對屏蔽效能的影響

改變長度H的大小，仿真求解不同長度下單根波導(dǎo)的屏蔽效能，結(jié)果如圖4所示。波導(dǎo)長度與波導(dǎo)截止頻率無明顯關(guān)系，但是其對屏蔽效能的影響非常明顯，表現(xiàn)為長度越大屏蔽效能越好。

圖4 波導(dǎo)長度H對屏蔽效能的影響

2.陣列波導(dǎo)的電磁屏蔽特性研究

以陣列波導(dǎo)為研究對象，分析陣列波導(dǎo)孔距D和陣列面積S（見圖5）對屏蔽效能的影響規(guī)律。

圖5 陣列波導(dǎo)參數(shù)

2.1 陣列波導(dǎo)孔距D對屏蔽效能的影響

改變相鄰波導(dǎo)間孔距D的大小，仿真求解不同孔距下陣列波導(dǎo)的屏蔽效能，結(jié)果如圖6所示。在截止頻率以下，隨著孔徑D的增大屏蔽效能提高，這是因為孔徑的增大會降低窗口的開孔率，使得電磁波的耦合路徑變少，從而提高了屏蔽效能。

圖6 孔距對屏蔽效能的影響

2.2 陣列波導(dǎo)面積S對屏蔽效能的影響

截取不同面積的陣列波導(dǎo)，仿真求解不同面積下陣列波導(dǎo)的屏蔽效能，如圖7所示。隨著陣列面積的增大，屏蔽效能降低。這是由于輻射源在多個波導(dǎo)管處的泄漏源在監(jiān)測點發(fā)生同相位疊加的干涉效應(yīng)，導(dǎo)致監(jiān)測點場強變大，面積越大波導(dǎo)管數(shù)目越多，干涉效應(yīng)越明顯，所以表現(xiàn)為陣列面積的增大導(dǎo)致了屏蔽效能的下降。

圖7 陣列面積對屏蔽效能的影響

3.大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗屏蔽效能改進設(shè)計

根據(jù)上文的分析結(jié)果并結(jié)合實際應(yīng)用情況可知通風(fēng)波導(dǎo)窗屏蔽效能隨窗口面積的增大而下降，而增加、減小孔徑、增加波導(dǎo)長度、增加孔距和減小陣列面積的方法雖然能夠提高屏蔽效能，但均會對窗口的通風(fēng)效果造成影響。為了在保證通風(fēng)量的前提下提高大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗的屏蔽效能，提出將大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗分隔為由多個小波導(dǎo)窗組合而成的組合模型，如圖8所示，相鄰小波導(dǎo)窗的橫向間隔為x，縱向間隔為y。

圖8 大面積通風(fēng)波導(dǎo)窗的分隔組合模型

通過仿真計算不同間隔下組合模型的屏蔽效能，結(jié)果如圖9所示，其中x=y=0為分隔之前的計算結(jié)果。從圖中可以看出，分隔之前的屏蔽效能（紅色曲線）低于分隔之后，相鄰小波導(dǎo)窗之間間隔的存在使屏蔽效能譜線形成了新的諧振點（圖9中的A、B、C、D點），且隨著間隔的增大諧振點向低頻移動。諧振點的存在使屏蔽效能譜線看來雜亂無章，但是從300MHz～700MHz的頻率區(qū)間依然可以看出，隨著相鄰小波導(dǎo)窗間隔的增大屏蔽效能越來越高。

圖9 不同間隔下分隔模型的屏蔽效能

4.結(jié)論

通過對單根波導(dǎo)及陣列波導(dǎo)電磁屏蔽特性的研究，得出了波導(dǎo)各參數(shù)對屏蔽效能的影響規(guī)律，然后針對大面積通風(fēng)波導(dǎo)屏蔽效能下降的問題，提出分隔組合模型的改進方法，并研究了相鄰小波導(dǎo)窗間隔的大小對組合模型屏蔽效能的影響。具體結(jié)論總結(jié)如下：

（1）對于單根波導(dǎo)：在孔徑和波導(dǎo)管長度一定時，圓形波導(dǎo)和六邊形波導(dǎo)的屏蔽效能接近，方形波導(dǎo)的屏蔽效能優(yōu)于圓形波導(dǎo)和六邊形波導(dǎo)；波導(dǎo)管孔徑越大屏蔽效能越差，且孔徑的大小直接影響波導(dǎo)孔的截止頻率，孔徑越小截止頻率越高；波導(dǎo)管長度越長屏蔽效能越好。

（2）對于陣列波導(dǎo)：相鄰波導(dǎo)管孔距增大會降低整體結(jié)構(gòu)的開孔率，使電磁波的耦合路徑變少，進而提高屏蔽效能；波導(dǎo)管參數(shù)一定時，陣列面積的增大意味著波導(dǎo)管數(shù)目增多，更多的波導(dǎo)管泄漏源在監(jiān)測點發(fā)生干涉疊加效應(yīng)，使得監(jiān)測點場強變大，即屏蔽效能下降。

（3）針對大面積通風(fēng)波導(dǎo)屏蔽效能下降的問題，可將大面積波導(dǎo)窗劃分為多個小波導(dǎo)窗分隔排布來提高屏蔽效能，且相鄰小波導(dǎo)窗間隔越大屏蔽效能越高。