波導通風窗在礦用方艙電磁屏蔽中的應用研究

龐 佳，熊書磊，陳貴華，段娜娜，韓衛(wèi)鹓，單琳媛

（1.河南焦煤能源有限公司，河南 焦作 454150；2.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049）

引言

如今，大型方艙設備在軍事、醫(yī)療、電力、礦業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)應用較為廣泛，為了更好地進行戶外獨立性作業(yè)，礦用方艙的艙內(nèi)會攜帶多種電子設備，而礦場周圍環(huán)境中復雜的電磁信號會對其正常工作產(chǎn)生干擾，導致設備數(shù)據(jù)紊亂等后果，因此方艙必須有良好的電磁屏蔽設計[1-3］。同時，方艙還有通風散熱性能的要求，盡管艙體采用金屬材料制作，安裝縫隙和通風窗的存在也會引起干擾信號的孔縫泄漏[4］。此外，艙內(nèi)的各種電子設備在工作中也會產(chǎn)生較多電磁干擾信號，會在其周圍環(huán)境中產(chǎn)生電磁污染[5］。

1 截止波導及屏蔽效能

截止波導可以由鐵、鋁等金屬材料制成，是一種空心管道式結(jié)構(gòu)，由文獻[6］可知，方形波導相比于矩形波導而言，不受電磁波極化方向的影響，本文以方形波導為例，如圖1所示，電磁波可以在波導內(nèi)部沿著z軸方向傳播。

圖1 方形波導Fig.1 Square waveguide

平面波是一種TEM 波，其在方形波導中沿著z軸傳播時，電場和磁場可以分別表示為：

式（1）中的γ為傳播常數(shù)，它滿足：

傳播常數(shù)γ決定了平面波在波導內(nèi)部的傳播特性，當時，傳播常數(shù)γ為虛數(shù)，平面波沿著波導徑向傳播時不會有衰減；當時，傳播常數(shù)γ為實數(shù)，平面波在波導內(nèi)傳播時將會隨著距離的增大而衰減，若方形波導的截面內(nèi)邊長為a，則截止頻率可以由式（3）來計算[7］：

其中，截止頻率fc的單位為GHz，a的單位為mm。

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）是指在采用屏蔽措施前后某一觀測點的電場或磁場強度的比值，公式（4）用于電場的屏蔽效能計算[8］。

其中，E0表示采用屏蔽措施之前的電場強度，Es表示采用屏蔽措施之后的電場強度。

2 方艙電磁屏蔽仿真分析

2.1 方艙模型

方艙壁板的材料為不銹鋼，壁厚為2mm，尺寸大小為410mm×160mm×218mm。側(cè)面安裝有截止波導窗的方艙模型如圖2所示。

圖2 方艙三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-dimensional structure of the square cabin

如圖3 所示，截止波導窗由完全相同的單個方形波導組成陣列的形式，安裝位置位于側(cè)面正中心，單個波導管厚度為1mm，管道長度為20mm，材料為鐵。設置電場強度為1V/m、電場極化方向為x軸、沿著z軸負方向入射的平面波激勵，場監(jiān)測點位于艙體幾何正中心，求解頻段為0-20GHz。

圖3 截止波導窗結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of cut-off waveguide window

2.2 波導通風窗的屏蔽分析

2.2.1 開孔面積的影響

為研究在單個波導結(jié)構(gòu)保持一致的情況下，波導窗的開孔面積對方艙電磁屏蔽的影響，如圖4分別設置了數(shù)量為1×1、3×3和6×6的波導窗結(jié)構(gòu)單個方形波導的尺寸為10mm×10mm×20mm，厚度為1mm。

圖4 不同尺寸的波導窗Fig.4 Waveguide windows of different sizes

監(jiān)測點得到的電磁場強度如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.5 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖5（a）、5（b）中可以看出，隨著波導窗開孔面積的增大，使得電磁場更容易進入到方艙內(nèi)部，因此艙體中心的電場強度及磁場強度幅值都在增大?？梢园l(fā)現(xiàn)波導窗的截止頻率都保持在14GHz附近，由公式（3）可知截止頻率的理論值為15GHz，這是因為每個波導窗的元胞波導是尺寸完全一致的方形波導，而陣列波導的整體截止頻率只取決于元胞波導的結(jié)構(gòu)尺寸。由圖5（c）可知屏蔽效能的變化并不明顯。

2.2.2 開孔數(shù)量的影響

如圖6所示，設置了3種不同的工況，波導窗的總面積保持一致，開孔數(shù)量分別為2×2、3×3 和4×4，元胞波導均為方形波導。

圖6 不同開孔數(shù)量的波導窗Fig.6 Waveguide window with different openings

監(jiān)測點得到的電磁場強度如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.7 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖7（a）、7（b）中可以看出，當開孔數(shù)量增加時，電場強度和磁場強度的幅值都有較大的衰減，并且截止頻率從數(shù)量為2×2時的6GHz上升到數(shù)量為4×4的18GHz，這是因為波導窗的面積不變，當元胞波導數(shù)量增加時其尺寸也在縮小，從而導致截止頻率在增加。而圖7（c）中，數(shù)量為4×4時的屏蔽效能在0-18GHz范圍內(nèi)都保持較高水平，大約為45dB。在18-20GHz范圍內(nèi)的屏蔽效能也高于其他兩種情況。

2.2.3 開孔傾角的影響

考慮到在戶外工作時的惡劣環(huán)境，若將波導窗向上傾斜適當?shù)慕嵌?，可以在保證通風性能和電磁屏蔽性能的基礎(chǔ)上，避免雨水滲入到方艙內(nèi)部。為研究不同傾斜角度對電磁屏蔽性能的影響，設置了3 種不同的角度，分別是30°、45°和60°，如圖8 所示。波導窗采用數(shù)量為6×6 的尺寸結(jié)構(gòu)，且元胞方形波導的尺寸為10mm×10mm×20mm，厚度為1mm。

圖8 不同傾斜角度的波導窗（側(cè)視圖）Fig.8 Waveguide window with different tilt angles（side view）

監(jiān)測點得到的電磁場強度如圖9所示。

圖9 監(jiān)測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.9 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖9（a）和圖9（b）中，當開孔傾角為30°時，艙內(nèi)監(jiān)測點的電磁場強度要比傾角45°和60°時大很多；而開孔傾角為45°和60°時，電磁場強度的幅值幾乎都趨于0，沒有明顯差別。圖9（c）為以電場為例的屏蔽效能曲線，可以發(fā)現(xiàn)：當開孔傾角達到60°時，在頻段0-14GHz頻段內(nèi)，其屏蔽效果相比傾角45°時在最大處的差別為10dB左右，在較高頻段14-20GHz內(nèi)的差別不大，但仍然優(yōu)于后者。

圖9（a）和9（b）中并不能明顯地看出45°和60°兩種情況的差別，這是因為，由公式（4）可以知道，屏蔽效能在本質(zhì)上是將屏蔽前后的電磁場強度幅值取對數(shù)函數(shù)之后放大20倍的結(jié)果，因此屏蔽效能更能明確地表示不同情況下的屏蔽效果，這也是屏蔽效能這一概念的意義所在。

開孔傾角為60°時，在0-20GHz頻段內(nèi)的電磁場幾乎都被有效地屏蔽，且屏蔽效能在0-12GHz頻段內(nèi)始終保持較高水平，達到了60dB。這是由于波導管自身的導波作用，電磁波沿著波導管的內(nèi)壁傳播，當傾斜一定角度時，進入方艙內(nèi)部的電磁波會經(jīng)過多次的折射和反射，當?shù)竭_監(jiān)測點時其幅值已經(jīng)經(jīng)過了多次衰減，因此達到了良好的屏蔽效果。

2.3 方艙電磁屏蔽的數(shù)值分析

現(xiàn)如今在分析帶孔艙體的屏蔽效能問題時，常常會使用Dehkhoda等人提出的等效電路模型[9-12］，如圖10所示。

圖10 開孔艙體及其等效電路模型Fig.10 Open-hole cabin and its equivalent circuit model

將入射的平面波看作電壓源激勵，幅值為V0，內(nèi)阻為Z0；開孔的等效阻抗為Zap，機箱的等效阻抗為Zg。從等效電路可以得出孔陣的阻抗：

式（5）中，n為小孔的總數(shù)量，d為方形孔的邊長。孔陣的總面積S為：

由戴維南定理可以得出孔陣處的等效電壓：

相應的阻抗：

從而觀測點P的電壓也能得出：

通過數(shù)值分析建立起的模型，電場屏蔽效能可以表示為：

由式（5）、（6）可知，當開孔面積固定時，增大開孔數(shù)量，會導致元胞孔的尺寸變小，從而孔陣的整體阻抗會變??；由式（7）到（10）可知，當孔陣阻抗變小時，屏蔽效能會增大，這一結(jié)論和上述仿真得到的保持一致。

2.4 方艙內(nèi)部干擾源的屏蔽分析

本節(jié)考慮方艙內(nèi)部的電子設備對其工作環(huán)境的電磁污染情況，以工作頻率為3GHz的半波偶極子天線作為內(nèi)部干擾源，圖11 為半波偶極子天線示意圖，實際總長度為48mm，橫截圓面半徑為0.1mm，中間端口施加1V的電壓激勵。

圖11 半波偶極子天線Fig.11 Half-wave dipole antenna

將方艙外部一固定點設置為監(jiān)測點，分別研究3種情況，得到該處的電場強度并計算出屏蔽效能，如圖11所示，圖例1表示沒有任何屏蔽措施的情況，圖例2表示采用6×6規(guī)格波導窗時的情況，圖例3表示采用向上傾斜60°、6×6規(guī)格波導窗時的情況。

從圖12可以看出，當不采用波導窗進行屏蔽時，偶極子天線產(chǎn)生的電場強度最高可達15V/m，而采用6×6規(guī)格的波導窗時，屏蔽效果十分明顯，并且傾斜60°的波導窗，其電場的屏蔽效能在0-20GHz頻段內(nèi)始終保持在較高水平，這表明所設計的波導窗結(jié)構(gòu)能夠很好地屏蔽來自方艙內(nèi)部的電磁干擾。

圖12 監(jiān)測點處的電場強度及屏蔽效能Fig.12 Electric field strength and shielding efficiency at monitoring points

3 結(jié)語

經(jīng)過上述的對比研究可以發(fā)現(xiàn)，截止波導窗能有效的屏蔽來自方艙內(nèi)外的電磁干擾，但是在實際設計時需要兼顧通風性能的要求。增大波導窗面積可以提升通風性能，但是會帶來更多的電磁干擾；波導窗面積固定時，當波導孔的數(shù)量增大時，電磁屏蔽效果更好；可以根據(jù)方艙內(nèi)部的設備安放位置，將波導窗適當傾斜一定角度，能夠有效提升屏蔽效能，對設備的安全運行起到一定的保障作用。本文從理論和仿真的角度對截止波導窗結(jié)構(gòu)進行了研究，對方艙結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽設計具有一定的指導意義。