脈沖激光發(fā)射模塊電磁屏蔽效能仿真分析

孫文東，霸書紅，陳慧敏

（1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.北京理工大學(xué) 機電動態(tài)控制重點實驗室，北京100081）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，以電子武器裝備作為作戰(zhàn)基礎(chǔ)，武器平臺等應(yīng)用場景越來越密集地使用電子設(shè)備。同時，電磁攻擊武器的發(fā)展，多樣化的電磁干擾方式對信息化武器裝備構(gòu)成巨大威脅[1]。脈沖激光發(fā)射模塊由半導(dǎo)體激光器、激光驅(qū)動電路、光學(xué)系統(tǒng)組成，其在激光引信有著重要應(yīng)用，通常利用發(fā)射模塊發(fā)出的激光束探測目標，并引爆導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部。為防止工作時與其他電子設(shè)備相互干擾，以及在惡劣電磁環(huán)境下工作，需要進行電磁兼容性研究[2]。電磁兼容（EMC）分為電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS），是指電子設(shè)備在設(shè)計的電磁輻射環(huán)境下正常工作，同時又不影響其他電子設(shè)備或系統(tǒng)正常工作的能力。目前電子裝置電磁兼容設(shè)計主要有3 種方法：濾波、接地、屏蔽。其中屏蔽技術(shù)采用屏蔽結(jié)構(gòu)來吸收、反射電磁波，將屏蔽區(qū)域與其他區(qū)域隔離開來。屏蔽技術(shù)因其方便、高效而備受關(guān)注[3]。

針對電子裝置電磁屏蔽問題，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了廣泛研究。Sevgi[4]證明了材料屏蔽效能的主要限制是由于無法避免接縫、孔洞和電纜穿透。Ren 等[5]、Basyigit 等[6]、Kubík 等[7]分別對穿孔屏蔽罩的屏蔽效能進行了數(shù)值模擬。Bachir 等[8]采用多層結(jié)構(gòu) Alepoxy-Ni 來減少屏蔽層的厚度。Chien 等[9]得出六邊形波導(dǎo)、蜂窩狀波導(dǎo)或者雙層屏蔽可提高屏蔽體的屏蔽效能。何勇等[10]得出采用45 號鋼組合屏蔽機制，可有效抑制電磁干擾。馮穎等[11]、宋定宇[12]對屏蔽體的電磁輻射問題進行了研究。張鄭等[13]、于海波等[14]采用 HFSS 軟件對孔縫箱體進行了仿真分析。宋航等[15]得出有孔雙層屏蔽腔體屏蔽效能隨著頻率的增加總體上呈下降趨勢。胡葉青等[16]利用場論方法推導(dǎo)了圓柱殼雙層鐵磁屏蔽體屏蔽效能的計算公式。張巖等[17]得出雙層腔體屏蔽效能隨內(nèi)外層重疊面積的減小而增加。吳剛等[18]得出金屬雙層腔體的屏蔽效能要優(yōu)于單層腔體。為了解決電磁安全問題，我國實行GJB 151B—2013[19]和GJB 573B—2020[20]，分別對電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計目標提出要求。

綜上所述，可見前人對雙層腔體屏蔽效能研究較少，另外發(fā)現(xiàn)以高頻寬帶電磁波作為輻射源，對腔體屏蔽效能的相關(guān)研究也較少。在電磁敏感度方面，為防止模塊意外工作或失效，模塊需要具有抗高頻電磁輻射性能。同時，在電磁干擾方面，為避免模塊工作時影響同一系統(tǒng)下的其他電子設(shè)備正常工作，需要降低模塊內(nèi)部的低頻電磁輻射發(fā)射?；谏鲜鲈颍肏FSS 軟件，建立脈沖激光發(fā)射模塊單雙層腔體模型，采用電磁波寬帶掃頻的方式，對腔體屏蔽效能進行仿真分析，為電磁兼容屏蔽設(shè)計及屏蔽腔體電磁波寬帶掃頻研究奠定基礎(chǔ)。

1 腔體屏蔽效能理論分析

屏蔽效能（ηSE）是評價屏蔽體屏蔽效果的指標，等于屏蔽前后一點的電磁場強度之比，以分貝（dB）表示：

屏蔽模型分為單層屏蔽和多層屏蔽。單層屏蔽是最常用的屏蔽結(jié)構(gòu)，材料的屏蔽效能由3 種機制影響，分別為反射、吸收和材料內(nèi)部的多次反射（如圖1 所示），可表示為式（2）[8,11,21]。

圖1 單層屏蔽原理Fig.1 Single layer shielding principle

式中：R為表面反射損耗，dB；A為吸收損耗，dB；B為多次內(nèi)反射損耗，dB。

式中：μr為相對磁導(dǎo)率；σr為相對電導(dǎo)率；d為屏蔽體厚度；f為頻率；δ為趨膚深度；Zs為屏蔽阻抗；Z0為自由空間固有阻抗。

由式（3）—（5）可知，屏蔽低頻磁場時，由于頻率低，吸收損耗小，而且波阻抗低，導(dǎo)致反射損耗小，需要用磁導(dǎo)率高的材料提供磁通路實現(xiàn)屏蔽效果。屏蔽高頻電磁波時，主要利用材料的吸收損耗，即金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)實現(xiàn)屏蔽效果，其主要機理是在屏蔽體表面產(chǎn)生抗磁渦反磁場抵消原有磁場。當電磁波輻照頻率越高，材料趨膚效應(yīng)就越明顯，所需厚度就越低，此時屏蔽效能與材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和材料厚度成正比。

多層屏蔽機制是利用多層不同材料的反射損耗和吸收損耗，以及屏蔽材料之間的多次反射。多層結(jié)構(gòu)屏蔽效能的理論模型是基于遠場區(qū)域的發(fā)射波矩陣，如圖2 所示。其中多層屏蔽反射損耗等于各層材料反射損耗之和，多層屏蔽的吸收損耗等于各層材料吸收損耗之和，多次反射損耗與屏蔽材料之間的距離有關(guān)[8,22-23]。

圖2 多層屏蔽原理Fig.2 Multi-layer shielding principle

2 脈沖激光發(fā)射模塊電磁敏感度仿真分析

電磁仿真技術(shù)的本質(zhì)是利用麥克斯韋方程、場邊界條件和介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系來求解電磁場分布。HFSS 軟件基于有限元法，使用四面體網(wǎng)格單元來解決特定的電磁問題，利用計算機求解直至滿足指定的收斂要求值。

2.1 脈沖激光發(fā)射模塊腔體模型建立

由圖3 所示，脈沖激光發(fā)射模塊由脈沖尾纖半導(dǎo)體激光器、激光驅(qū)動電路、濾波器、屏蔽腔體組成。激光驅(qū)動電路PCB 尺寸為φ20 mm×20 mm，如圖3a所示；半導(dǎo)體激光器尺寸為φ26 mm×10 mm，如圖3b 所示。激光發(fā)射模塊工作時，需要從外界引入電源線、信號線，模塊內(nèi)部需引出光纖，需要在腔體上開孔。在實際操作中，若電源線、信號線進出腔體未經(jīng)過濾波，腔體的屏蔽效能將大大降低，因此需要在電源線、信號線輸入端口安裝濾波器。

圖3 脈沖激光發(fā)射模塊Fig.3 Internal parts of laser transmitting module:a)Laser drive circuit PCB; b)Laser embedded in PCB; c)Composition of transmitting module

在此基礎(chǔ)上，在HFSS 軟件中分別建立激光發(fā)射模塊單層、雙層腔體模型，尺寸為φ40 mm×80 mm。為保證模塊具有良好的抗靜電屬性，屏蔽腔體采用金屬良導(dǎo)體作為屏蔽材料。在腔體的上表面中心設(shè)置直徑為1 mm 的孔洞，用于光纖引出，在腔體的下表面設(shè)置2 個直徑為4 mm 孔洞，分別用于電源線、信號線的引入。考慮激光器和濾波器的安裝位置后，在腔體內(nèi)建立尺寸φ20 mm×20 mm 的PCB 板。模型建立后，在腔體外設(shè)置輻射邊界條件。發(fā)射模塊單雙層屏蔽腔體模型如圖4 所示。

圖4 屏蔽腔體模型Fig.4 Shielded cavity model:a) single layer; b) double layer

電磁波入射激勵源設(shè)置為平面波，大小為200 V/m。激勵源設(shè)置為距離腔體下底面中心20 mm，平面波垂直于腔體底面照射，傳播方向沿Z軸正半軸傳播，電場矢量方向沿X正半軸傳播。激勵源位置與腔體內(nèi)部觀測點如圖5 所示。平面波輻照頻率設(shè)置為0.2～18 GHz，為保證仿真結(jié)果精度，采用離散式掃頻，間隔為0.2 GHz，迭代次數(shù)為10 次，迭代精度為0.01。

圖5 激勵源位置與觀測點Fig.5 Excitation source location and observation point

2.2 單層屏蔽腔體屏蔽效能仿真分析

為了探究腔體厚度對其屏蔽效能的影響，使用金屬銅作為屏蔽材料，保證腔體內(nèi)部尺寸不變，在不同厚度下，腔體屏蔽效能如圖6 所示。由圖6 可知，在電磁波頻率為0.2～18 GHz 時，隨著電磁波輻照頻率的增大，腔體屏蔽效能逐漸減小。進一步分析得出，由于腔體設(shè)置的孔洞引起電磁泄露，導(dǎo)致腔體屏蔽效能極度降低。在某些頻點處，腔體屏蔽效能達到極小值，此時腔體內(nèi)部發(fā)生諧振效應(yīng)，腔體孔洞形成耦合輻射源，使得腔體內(nèi)部輻射場強迅速增強。還可得出，腔體的屏蔽效能與材料厚度呈正比關(guān)系。對于高頻電磁波，屏蔽效能主要取決于屏蔽材料的吸收損耗，當屏蔽材料厚度增加時，吸收損耗增大。

圖6 不同厚度下銅腔體的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of copper cavity with different thickness

探究了高電導(dǎo)率材料和高磁導(dǎo)率材料作為屏蔽材料的屏蔽效果，當使用金屬鋁、金屬鐵作為屏蔽材料，厚度設(shè)置為1.0 mm 時，腔體屏蔽效能如圖7 所示。由圖7 可知，當腔體厚度為1.0 mm 時，銅的屏蔽效能高于鋁。這是由于銅的電導(dǎo)率高于鋁，高電導(dǎo)率材料具有較強的趨膚效應(yīng)，同時也具有較高的吸收損耗效能。相較于銅和鋁，鐵的屏蔽效能較低。根據(jù)理論分析，金屬鐵具有高磁導(dǎo)率的特點，屏蔽高頻電磁輻射也應(yīng)具有良好的屏蔽效果，但隨著電磁波的頻率逐漸增大時，鐵的磁導(dǎo)率越來越小，逐漸失去屏蔽效果[24-25]。由圖7 中還可得知，鐵腔體與銅、鋁腔體的諧振頻率有所區(qū)別，這是因為腔體的諧振頻率與腔體內(nèi)部磁導(dǎo)率、介電常數(shù)和腔體尺寸有關(guān)[26]。

圖7 1.0 mm 厚度不同材料下腔體屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of cavity under 1.0 mm thickness with different materials

由于腔體設(shè)置的孔洞隨著電磁波頻率增大，腔體屏蔽效能越來越低，在特定頻率下發(fā)生的諧振反應(yīng)，使腔體屏蔽效能不足10 dB。另外，高電導(dǎo)率材料對低頻電磁輻射屏蔽效果較差。為進一步提高腔體的屏蔽效能，本文利用雙層屏蔽的機理對腔體屏蔽效能進行仿真分析。

2.3 雙層屏蔽腔體屏蔽效能仿真分析

當腔體實現(xiàn)高低頻段電磁屏蔽時，通常在高磁導(dǎo)率材料表面電鍍高電導(dǎo)率材料或使用雙層屏蔽機理。在圖4b 基礎(chǔ)上，建立外層銅，內(nèi)層鐵的腔體模型，每層厚度均為0.5 mm，并保持上下層平行，之間間距0.5 mm 分別設(shè)置為空氣和環(huán)氧樹脂，腔體內(nèi)部尺寸為φ40 mm×80 mm，其他參數(shù)設(shè)置不變。當電磁波頻率0.2～18 GHz 時，腔體的屏蔽效能如圖8 所示。

圖8 雙層腔體屏蔽效能Fig.8 Double-layer cavity shielding effectiveness

對比圖6、圖8 可知，當腔體厚度為1.5 mm 時，雙層屏蔽的屏蔽效能高于單層屏蔽，且雙層材料之間的介質(zhì)層為環(huán)氧樹脂時，腔體的屏蔽效能較高。通常來說，當腔體使用雙層屏蔽時，屏蔽效果并不能達到理想效果。這是由于電磁波穿過第1 層屏蔽材料時，剩余電磁波會在2 層材料之間發(fā)生多次反射，內(nèi)層屏蔽材料多次遭受電磁侵擾，導(dǎo)致腔體屏蔽效能降低。在2 層屏蔽材料之間填充環(huán)氧樹脂是為了改善材料之間的多重反射。當電磁波輻照雙層屏蔽腔體時，第1 層金屬銅對該電磁波進行吸收損耗，部分電磁波穿過屏蔽，在傳播過程中，絕緣物質(zhì)環(huán)氧樹脂具有高滲透率的特點，剩余電磁波被第2 層金屬鐵吸收。由于存在阻抗不匹配特性，雙層屏蔽可以衰減更多的電磁波。故選擇外層0.5 mm 厚度銅，內(nèi)層0.5 mm 厚度鐵，間距0.5 mm 填充環(huán)氧樹脂作為脈沖激光發(fā)射模塊屏蔽腔體。

由2.2 節(jié)得出，由于孔洞的設(shè)置導(dǎo)致腔體屏蔽效能急劇降低，為進一步增強腔體的屏蔽效能，通過連接器實現(xiàn)腔體內(nèi)外電源信號的傳輸。母線連接器嵌入尺寸為8 mm×6 mm×3 mm，外圍尺寸設(shè)置為12 mm×10 mm×3 mm。為了耦合公線連接器，在母線連接器上設(shè)置8 mm×6 mm×3 mm 孔洞，將連接器材質(zhì)設(shè)置為鋼，其他參數(shù)設(shè)置不變，建立激光發(fā)射模塊屏蔽腔體模型，如圖9 所示。模型建立后，其他參數(shù)設(shè)置不變。當電磁波輻照頻率為0.2～18 GHz 時，腔體的屏蔽效能如圖10 所示。

圖9 發(fā)射模塊屏蔽腔體模型Fig.9 Model of the transmitting module’s shielding cavity

圖10 發(fā)射模塊屏蔽腔體屏蔽效能Fig.10 Effectiveness of the transmitting module's shielding cavity

由圖10 可知，當電磁波輻照頻率在0.2～18 GHz時，腔體屏蔽效能達到47 dB。由于連接器的設(shè)置，使得腔體表面孔洞面積減少，有效解決了由于孔洞引起的電磁泄露現(xiàn)象。與圖8 對比可知，當腔體添加電纜連接器后，屏蔽效能增加約26 dB，腔體內(nèi)部觀測點場強如圖11 所示。當電磁波輻照頻率為12.8、17.2 GHz 時，腔體內(nèi)部PCB 板的場強如圖12 所示。

圖11 觀測點場強Fig.11 Field intensity at observation point

圖12 腔體內(nèi)部PCB 板場強Fig.12 PCB field intensity inside the cavity

由圖11、圖12 可知，在電磁波頻率為0.2～18 GHz時，腔體內(nèi)部場強降低到1.5 V/m 以下，腔體內(nèi)部得到有效屏蔽。另外，當有電纜直接穿入屏蔽腔體時，會導(dǎo)致腔體的屏蔽效能急劇降低。因此，在電磁兼容設(shè)計中，除要對模塊的屏蔽腔體進行設(shè)計外，還需選用相應(yīng)信號、電源濾波器，并與模塊進行搭接，同時需考慮電路版的放置問題，避開腔內(nèi)場強高的區(qū)域。

3 脈沖激光發(fā)射模塊電磁干擾仿真分析

脈沖激光發(fā)射模塊工作頻率為1～100 kHz，當發(fā)射模塊工作時，需要由PCB 板產(chǎn)生頻率在1～100 kHz的脈沖電流，因此模塊內(nèi)部易產(chǎn)生1～100 kHz 電磁輻射，干擾同系統(tǒng)下的電子設(shè)備正常工作。在圖9 所示屏蔽腔體模型的基礎(chǔ)下，將腔體內(nèi)部PCB 板設(shè)置為理想輻射激勵源，方向沿Z軸負半軸傳播，如圖13所示。

圖13 電磁波傳播方向Fig.13 Electromagnetic wave propagation direction

將電磁波工作頻率設(shè)置為1～100 kHz，掃頻間隔為1 kHz，其他參數(shù)設(shè)置如上。為了探究雙層屏蔽腔體材質(zhì)不同對內(nèi)外屏蔽效能的影響，在腔體外部設(shè)置電磁波激勵源，工作頻率設(shè)置為1～100 kHz，掃頻間隔為1 kHz，腔體屏蔽效能如圖14 所示。

由圖14 可知，當電磁波頻率在1～100 kHz 時，隨著頻率的增加，腔體的屏蔽效能逐漸變大。當輻射源在外部激勵時，腔體屏蔽效能較高，為28 dB。此時，腔體外層為銅材料，內(nèi)層為鐵材料。進一步分析得出，當屏蔽幅值較高的低頻電磁場時，金屬鐵易被飽和磁化，失去屏蔽效果，而金屬銅不易飽和。當銅作為第1 層屏蔽材料時，可以進一步衰減電磁波，再由鐵進一步吸收衰減。當電磁波輻照頻率較低時，腔體屏蔽效能主要依靠材料反射損耗。電磁波頻率越低，材料磁導(dǎo)率越高，反射損耗效能越高，此時主要由腔體內(nèi)層金屬鐵屏蔽電磁波。當電磁波頻率逐漸增大時，材料的反射損耗逐漸降低，吸收損耗逐漸增大，電磁波頻率越高，材料磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大，此時腔體外層金屬銅與內(nèi)層金屬鐵對電磁波屏蔽均起良好作用。仿真結(jié)果表明，屏蔽腔體的設(shè)置可有效減弱激光發(fā)射模塊工作時帶來的電磁干擾問題。

圖14 腔體屏蔽效能Fig.14 Cavity shielding efficiency

4 結(jié)論

為提高脈沖激光發(fā)射模塊電磁兼容性能。本文基于HFSS 仿真軟件，以電磁敏感度、電磁干擾2 個方面對脈沖激光發(fā)射模塊腔體屏蔽效能進行仿真分析，主要得出以下結(jié)論：

1）當電磁波輻照頻率為0.2～18 GHz 時，腔體屏蔽效能隨頻率的增大而減小。腔體使用單層屏蔽時，使用高電導(dǎo)率材料腔體屏蔽效能較高，屏蔽效能與腔體厚度成正比。當腔體厚度相等時，雙層屏蔽的屏蔽效能高于單層屏蔽。孔洞是導(dǎo)致腔體屏蔽效能下降的主要原因，當使用連接器代替孔洞信號傳輸時，腔體屏蔽效能增加。

2）當電磁波輻照頻率為1～100 kHz 時，腔體屏蔽效能隨頻率的增大而增加。當輻射源在外部激勵時，雙層屏蔽腔體使用外層鐵內(nèi)層銅屏蔽效能較高。

3）使用外層0.5 mm 厚度銅，內(nèi)層0.5 mm 厚度鐵，間距0.5 mm 填充環(huán)氧樹脂作為脈沖激光發(fā)射模塊屏蔽腔體，當電磁波輻照頻率為1～100 kHz 時，腔體屏蔽效能達到28 dB；當電磁波輻照頻率為0.2～18 GHz 時，腔體屏蔽效能達到47 dB。

該仿真結(jié)果對工程實踐電磁兼容屏蔽腔體設(shè)計具有很好的參考價值與借鑒意義。在實際工程實踐屏蔽腔體設(shè)計中，除了利用上述進行優(yōu)化，還應(yīng)考慮局部屏蔽、濾波、接地、板內(nèi)合理布線等提高模塊電磁兼容性。