楊林峰,丁星星,王培培,楊子合,張景昌

(中原工學(xué)院理學(xué)院,河南鄭州 450007)

網(wǎng)格金屬結(jié)構(gòu)屏蔽電磁輻射效果

楊林峰,丁星星,王培培,楊子合,張景昌

(中原工學(xué)院理學(xué)院,河南鄭州 450007)

網(wǎng)格金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)常替代金屬板進(jìn)行電磁輻射的屏蔽和防護(hù),利用電磁場理論和數(shù)值計(jì)算技術(shù)從理論和數(shù)值模擬2個(gè)方面對金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的屏蔽效果進(jìn)行了深入研究.研究結(jié)果表明:金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的遠(yuǎn)場屏蔽效果,對于距離小于網(wǎng)格中2金屬線間距的近場區(qū)域,電磁輻射的屏蔽質(zhì)量較差.透過金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的電磁輻射在平行于金屬網(wǎng)格的方向周期振蕩,同時(shí)在垂直金屬網(wǎng)格平面的方向快速衰減.該研究結(jié)果對電磁輻射的屏蔽和防護(hù)設(shè)計(jì)及屏蔽材料的選擇具有理論指導(dǎo)意義.

電磁輻射;電磁屏蔽;網(wǎng)格金屬結(jié)構(gòu)

電磁輻射屏蔽技術(shù)是電磁兼容的一個(gè)重要組成部分,是抑制電磁輻射干擾的最有效手段.屏蔽就是用導(dǎo)電導(dǎo)磁材料制成的殼、板、套、筒等形狀的屏蔽體,將電磁能限制在一定空間范圍[1-3].考慮到使用金屬板材屏蔽體的高昂的成本、必須承受的質(zhì)量、加工工藝的難度等,在屏蔽要求不十分精密的情況下,常常應(yīng)用金屬柵極或金屬網(wǎng)格替代金屬板進(jìn)行電磁屏蔽.下面我們研究金屬網(wǎng)格的電磁屏蔽質(zhì)量、它們和金屬板材的差異、及其在什么條件下它們能夠達(dá)到金屬板材的屏蔽效果.

1 理論推導(dǎo)

電磁輻射的屏蔽過程是激勵(lì)-響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程,直接的理論推導(dǎo)將非常復(fù)雜.因此,反過來計(jì)算帶電屏蔽體所激勵(lì)的電磁輻射,探討該電磁場與導(dǎo)體板激發(fā)的電磁場的差異,再由電磁輻射定解的唯一性定理得到屏蔽體的屏蔽特性[4].根據(jù)電磁場的疊加原理,只需研究屏蔽體的1個(gè)側(cè)面的屏蔽性質(zhì),而封閉屏蔽裝置的屏蔽結(jié)果可由幾個(gè)側(cè)面的屏蔽疊加而得到.

設(shè)導(dǎo)體網(wǎng)格邊長為a的正方形,屏蔽體外側(cè)不存在自由電荷,則金屬網(wǎng)格平面上方空間任一點(diǎn)滿足自由空間的拉普拉斯方程作變換,因此Fm,n(z)有下列形式的解因此,導(dǎo)體網(wǎng)格平面激發(fā)的電勢V將按照特征距離z0作指數(shù)式的下降,對于第一諧波(m=1,n=0或m=0,n=1),每當(dāng)z增加1個(gè)柵間距a時(shí),波幅將下降1個(gè)因子e-2π,高次諧波隨z離開柵極時(shí)將下降得更快,遠(yuǎn)離柵極的電磁場是均勻場,因此我們下面的數(shù)值計(jì)算將集中在電磁輻射的低頻諧波.

2 數(shù)值計(jì)算

圖1 金屬柵極上方橫向電場的變化關(guān)系Fig.1 Variation of E x(y)versus position x

利用上述方法,就可以用數(shù)值方法精確地計(jì)算金屬網(wǎng)格平面上方近場和遠(yuǎn)場情況下低頻電場隨空間位置的變化關(guān)系,從而得到金屬柵極電場屏蔽的性質(zhì)[5].在金屬柵極上方的等高位置,即z為定值的平面上,分別計(jì)算了遠(yuǎn)場(較大的z值)和近場(較小的z值)的橫向Ex與Ey以及縱向電場Ez隨空間位置x,y的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示.

在近場區(qū)域中,存在橫向的電場強(qiáng)度Ex,Ey隨空間位置的振蕩.以周期a隨x,y振蕩.橫向電場Ex,Ey隨離金屬柵極的距離更快地衰減到0,在距離為一個(gè)金屬棒間距時(shí),此時(shí)的橫向電場只是縱向場強(qiáng)的0.3%,和縱向電場此時(shí)的波紋度相當(dāng).遠(yuǎn)場時(shí)橫向電場可以忽略,從宏觀上分析,這正是對稱性的結(jié)果.

圖2 金屬柵極上方縱向電場的變化關(guān)系Fig.2 Variation of Ez versus position x

近場區(qū)域中,縱向電場Ez隨x,y做周期振蕩,振蕩周期為柵極桿間距a,振蕩幅度占平均場強(qiáng)E0的比例隨z的增加而逐漸減少:z=0.3a時(shí)占30%,z=0.6時(shí)占5%,z=1.0a時(shí)占0.3%,z=2.0a時(shí),幾乎沒有振蕩成分,成為勻強(qiáng)電場,效果和金屬板相同.

圖3 金屬柵極上方的電場分布Fig.3 Electric field over metal lattice

同時(shí)為了研究網(wǎng)格平面上方一給定點(diǎn)的電場強(qiáng)度隨距離平面高度不同的變化關(guān)系,筆者還計(jì)算了固定x,y不變時(shí)縱向電場隨變量z的變化規(guī)律.如圖3所示:為了進(jìn)行比較,選擇y=0時(shí),x=0,x=0.1a, x=0.2a,x=0.3a和x=0.4a5個(gè)典型位置,分別計(jì)算了Ex(y),Ez隨變量z的變化曲線.從圖3可以看出,對于不同的(x,y)的固定值,近場區(qū)域中Ex(y),Ez展現(xiàn)出了豐富的變化特征,但隨著z的增加,Ex(y)逐漸衰減收斂于0,而Ez逐漸收斂于一勻強(qiáng)場,此極限勻強(qiáng)場正好等于大金屬平板產(chǎn)生的電場.

圖4 金屬網(wǎng)格平面上面的電場分布Fig.4 Electric field over metal lattice

3 結(jié)論

金屬網(wǎng)格平面的電場(圖4),在近場區(qū)域(za)時(shí)電場的響應(yīng)規(guī)律與大金屬平板的響應(yīng)規(guī)律相同,有與金屬平板相當(dāng)?shù)碾妼W(xué)性質(zhì),具有良好的電場屏蔽效果.

由電場的線性疊加原理可知,金屬網(wǎng)格電極具有和金屬板相似的性質(zhì),屏蔽設(shè)計(jì)中最好采用多層網(wǎng)格電極,一方面提高了屏蔽層次、另一方面更保證了使屏蔽對象處于遠(yuǎn)場區(qū)域,可大大提高電磁屏蔽質(zhì)量:對于層間距為a的三層網(wǎng)格屏蔽體,近場z=0.3a的波紋度從30%降低為10.7%,較遠(yuǎn)場z= 1.0a的波紋度從0.3%降低為0.092%,遠(yuǎn)場的屏蔽效果會(huì)更好.

[1]劉尚合.靜電理論與防護(hù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999.

[2]米切爾·麥迪圭安.電磁干擾排查及故障解決的電磁兼容技術(shù)[M].劉萍,魏東興,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]CLA YTON R P.Introduction to Electromagnetic Compatibility[M].John Wiley&Sons Inc Publication,2006.

[4]R P FEYNMAN,R B LEIGH TON,M SANDS.The Feynman Lectures on Physics[M].Vo lumeⅡ.Pearson Education Inc Publication,1989.

[5]D M SULL IVAN.Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method[M].New Yo rk:IEEE Press,2000.

Investigation on Results of Electromagnetic Radiation Shielding W ith Metal Lattice

YANGLin-feng,DING Xing-xing,WANG Pei-pei,YANG Zi-he,ZHANGJing-chang
(School of Science,Zhongyuan University of Techno logy,Zhengzhou 450007,China)

The metal lattices are used to rep lace the conducto r cover to screen electromagnetic radiation in actual life.The electromagnetic radiation shielding resultsof metal lattice by using electromagnetic field theo ry and numerical calculation method have been investigated.Our results showed that themetal lattice had great shielding effects in the far field zone but would show oscillations and damp s in the close field zone w hose distance was less than that of metal bars.The results could be used as the guide in electromagnetic radiation shielding design and screening material choosing

electromagnetic radiation;electromagnetic shielding;metal lattice

O 441

A

1000-1565(2010)05-0504-04

2010-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977093;51077134)

楊林峰(1963—),男,河南平頂山人,中原工學(xué)院教授,博士,主要從事靜電防護(hù)技術(shù)與凝聚態(tài)物理的研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)