白旭東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,電子設(shè)備內(nèi)部的元器件和功率密度不斷增加,再加上各種內(nèi)外干擾源,使得電子設(shè)備的應(yīng)用電磁環(huán)境變得極為惡劣。如何控制和消除電磁干擾成為電磁兼容領(lǐng)域研究的中心課題。對(duì)于電子設(shè)備的信息輻射泄漏或外部輻射的電磁干擾,屏蔽技術(shù)是最有效的一種手段[1]。同時(shí),因?yàn)橥L(fēng)、散熱等要求,系統(tǒng)的孔縫不可避免。通過(guò)對(duì)孔縫電磁耦合的數(shù)值仿真,計(jì)算屏蔽體內(nèi)場(chǎng)的分布,有利于指導(dǎo)電路和器件的合理布局,使敏感器件避開(kāi)場(chǎng)的峰值區(qū)域,提高電子設(shè)備的抗干擾能力。Ansoft HFSS軟件是基于有限元方法原理編制的,可用于對(duì)孔縫電磁耦合的數(shù)值仿真,計(jì)算屏蔽體內(nèi)場(chǎng)的分布和屏蔽體的屏蔽效能。

1 電磁屏蔽效能

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧?或是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁的材料,制成各種形狀的屏蔽體,將電磁能量限制在一定空間范圍內(nèi)從而有效抑制輻射干擾的一種方法。

1.1 屏蔽分類(lèi)

由于輻射干擾在各個(gè)頻段均可能發(fā)生,而各頻段的屏蔽原理卻各不相同,因而要先對(duì)屏蔽加以分類(lèi)。對(duì)于不同場(chǎng)源,其電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量總是同時(shí)存在的,只是在較低的頻率范圍內(nèi),干擾一般發(fā)生在近場(chǎng)。高阻抗電場(chǎng)源的近場(chǎng)主要為電場(chǎng)分量,低阻抗磁場(chǎng)源的近場(chǎng)主要為磁場(chǎng)分量。當(dāng)頻率增高時(shí),干擾趨于遠(yuǎn)場(chǎng),此時(shí)其電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量均不可忽略。對(duì)于上述3種情況的屏蔽分別稱(chēng)為:電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

1.2 屏蔽效能

屏蔽體的屏蔽性能用屏蔽效能度量,屏蔽效能是指未加屏蔽時(shí)某一測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)E0和H0與同一測(cè)點(diǎn)加屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)ES和HS之比,當(dāng)以dB為單位時(shí),屏蔽體屏蔽效能的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

屏蔽效能表征了屏蔽體對(duì)電磁波衰減程度,其關(guān)系如表1所示。

表1 屏蔽效能與場(chǎng)強(qiáng)衰減的關(guān)系

1.3 孔縫對(duì)屏蔽效能的影響

沒(méi)有任何孔洞和縫隙的連續(xù)金屬板具有很高的電磁屏蔽效能。電磁輻射對(duì)電子設(shè)備的干擾主要通過(guò)電子設(shè)備上的孔縫耦合進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)部[2]。對(duì)孔洞而言,影響其電磁能量泄漏的因素很多,其中最主要的是孔洞的面積和形狀。實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)于某一個(gè)固定場(chǎng)源,電磁泄漏隨孔洞面積增加而增加,孔洞面積相同的情況下,矩形孔泄漏大于圓形孔。關(guān)于縫隙對(duì)屏蔽體屏蔽效能的影響,可從縫隙對(duì)入射電磁波的屏蔽作用入手來(lái)分析?？p隙的屏蔽作用由兩部分構(gòu)成:①由于縫隙開(kāi)口處的阻抗與自由空間的阻抗不同而造成的反射損耗;②當(dāng)電磁波投入縫隙后,在縫隙內(nèi)傳輸時(shí)產(chǎn)生的傳輸損耗。

電磁波照射到屏蔽機(jī)殼的孔縫,會(huì)發(fā)生電磁散射和透射現(xiàn)象。為表征孔縫對(duì)微波的耦合特性,定義電場(chǎng)屏蔽效能:

2 有限元原理

當(dāng)前流行的電磁仿真軟件種類(lèi)比較多,主要有HFSS、FEKO、EMC2000、CST[3]。采用的計(jì)算方法主要是有限元法、矩量法,時(shí)域差分法,有限體積法,物理光學(xué),一致性繞射理論,以及一些混合算法。HFSS軟件由美國(guó)Ansoft公司研制,采用的主要算法是有限元法。

由麥克斯韋方程組中的旋度方程可以得出無(wú)源空間中電場(chǎng)的波動(dòng)方程。有限元法引入一個(gè)包圍該物體的虛構(gòu)面,將無(wú)限的區(qū)域截?cái)酁橛邢薜捏w積。應(yīng)用變分原理,得到波動(dòng)方程的泛函。加入邊界條件和源項(xiàng)后,把四面體棱邊元作為子域劃分的基本離散單元,建立方程組,最終求解得到電磁場(chǎng)的數(shù)值解。

有限元法的基本思想是將一個(gè)連續(xù)域離散化為有限個(gè)單元,并通過(guò)有限個(gè)結(jié)點(diǎn)相連接的等效集合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合,且單元本身可以有不同形狀,因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限元法利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場(chǎng)函數(shù)在單元各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。這樣一來(lái),一個(gè)有限元分析的問(wèn)題中,未知場(chǎng)函數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量,從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。一經(jīng)求解出這些未知量,就可以通過(guò)插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值。從而得到整個(gè)求解域上的近似解。如果單元是滿足收斂要求的,近似解最后將收斂于精確解。文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)介紹了有限元法的計(jì)算求解過(guò)程。

HFSS軟件主要應(yīng)用于微波器件和微波天線設(shè)計(jì)中,也可仿真機(jī)箱機(jī)柜的屏蔽效能、諧振特性和PCB系統(tǒng)的輻射特性。

3 實(shí)例分析

下面給出了一個(gè)用HFSS軟件仿真電子設(shè)備孔縫耦合的實(shí)例。通過(guò)這個(gè)算例,可以了解HFSS軟件在電磁屏蔽分析中的具體應(yīng)用。

電子設(shè)備所處的電磁環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,所以在建立模型時(shí),需要把握主要電磁泄漏和結(jié)構(gòu)特征建立合理的數(shù)學(xué)模型。為了提高設(shè)計(jì)效率,應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模。仿真分析的過(guò)程可分為五個(gè)步驟:選擇求解類(lèi)型、建立三維模型、求解設(shè)置、運(yùn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理。

3.1 求解類(lèi)型的選擇及模型的建立

HFSS軟件有3種求解類(lèi)型:模式驅(qū)動(dòng)求解、終端驅(qū)動(dòng)求解和本征模求解。模式驅(qū)動(dòng)求解與終端驅(qū)動(dòng)求解的區(qū)別在于S矩陣的表示形式不同,前者采用入射和反射能量的形式,而后者采用電壓和電流的形式。該工程主要分析場(chǎng),所以采用模式驅(qū)動(dòng)求解的形式。

電子設(shè)備矩形金屬機(jī)殼的尺寸為300mm×120 mm×300 mm,壁厚2mm,為理想導(dǎo)電體。PCB板的面積為120 mm×60 mm,厚度為3 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。將PCB板放置在機(jī)殼內(nèi)部,PCB板與XOY平面平行。以圖1的方式建立坐標(biāo)系,在機(jī)殼的XOY面開(kāi)孔縫,孔縫尺寸為100 mm×10 mm,且孔縫中心位于殼體表面的中心。金屬機(jī)殼按理想導(dǎo)體考慮,即不考慮電磁能量對(duì)腔體的直接穿透。設(shè)定入射波為平面波,沿縫隙面即Z軸負(fù)方向垂直入射。平面波電場(chǎng)強(qiáng)度為1 000(V/m),沿著Y軸正向極化。

圖1 平面波入射開(kāi)縫機(jī)殼模型

3.2 求解設(shè)置計(jì)算

啟動(dòng)HFSS軟件求解器開(kāi)始解算之前,要先求解設(shè)置。HFSS軟件有3種求解算法:離散、快速和插入。離散可在頻率范圍內(nèi)特定頻率點(diǎn)上產(chǎn)生場(chǎng)解,快速為每一個(gè)小頻率范圍產(chǎn)生唯一的全場(chǎng)解,插入用來(lái)評(píng)估全部頻率范圍內(nèi)的解。設(shè)置起始頻率0.1 GHz,終止頻率1 GHz,步長(zhǎng)2.5,掃頻方式設(shè)為離散。收斂的迭代次數(shù)為6次,計(jì)算精度0.02。迭代次數(shù)越多,計(jì)算越精確,占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存越大,計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。在滿足計(jì)算精度條件下,選取適當(dāng)次數(shù)即可。

3.3 數(shù)據(jù)后處理

求解結(jié)束后,要想獲得電場(chǎng)屏蔽效能曲線,查看具體的電場(chǎng)分布以及電流分布等,就需要進(jìn)行后處理。HFSS軟件具有強(qiáng)大的后處理功能。完成對(duì)輸出變量的設(shè)置后,如圖2所示,系統(tǒng)會(huì)生成如圖2虛線部分的電場(chǎng)屏蔽效能曲線。設(shè)置參數(shù)分析,改變孔縫的寬度值,來(lái)觀察屏蔽機(jī)殼中心的屏蔽效能隨寬度的變化情況。圖2實(shí)線部分的電場(chǎng)屏蔽效能曲線是孔縫寬度設(shè)定為3 cm時(shí)得到的。分別設(shè)定頻率為0.5 GHz、0.7 GHz,對(duì)機(jī)殼內(nèi)電場(chǎng)分布進(jìn)行比較,圖3為顯示結(jié)果。平面波入射到PCB板上,PCB板上的微帶線會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生,在0.55 GHz時(shí)電流密度分布圖如圖4所示。

圖2 電場(chǎng)屏蔽效能曲線顯示結(jié)果

圖3 機(jī)殼內(nèi)電場(chǎng)分布圖

圖4 0.55GHz PCB板微帶線電流密度分布圖

3.4 結(jié)果分析

圖2表明隨著頻率的增加,外殼的屏蔽效能減小。因?yàn)樵浇咏紫禘場(chǎng)電平就越高,屏蔽效能隨著離開(kāi)孔隙的距離而增加。在PCB上的敏感電路應(yīng)盡可能放置在遠(yuǎn)離孔隙的位置。外殼大約在0.7 GHz諧振,此時(shí)屏蔽效能是負(fù)的,即場(chǎng)得到加強(qiáng),影響電子設(shè)備的正常工作,這是由于外殼對(duì)電磁波的反射造成的。圖2還表明孔縫寬度由1 cm增加到3cm時(shí),屏蔽效能下降約10 dB,孔縫寬度的改變對(duì)諧振頻率的影響并不明顯。圖3可直觀表明在外殼的諧振頻點(diǎn)處.腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)顯著增加,而在0.5 GHz處腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)微弱,屏蔽效能明顯。圖4表明平面波入射到PCB板上,PCB板上的微帶線在0.55 GHz會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

因此,適當(dāng)改變孔縫的尺寸可以提高低頻段屏蔽效能,對(duì)于機(jī)殼內(nèi)的不同位置,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況,放置不同的元件或電子設(shè)備。敏感元件或設(shè)備既要離孔縫較遠(yuǎn).還要考慮屏蔽體反射等因素。若反射比較大,則應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)離屏蔽體。但是要盡力避免使電子設(shè)備工作在諧振頻率附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述實(shí)例的建模、分析及優(yōu)化過(guò)程,完整的展現(xiàn)了利用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行電子設(shè)備屏蔽效能分析的過(guò)程,為電子設(shè)備的電磁兼容仿真提供了參考。同時(shí),也體現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段利用現(xiàn)有電磁仿真軟件對(duì)殼體的屏蔽效能和電磁特性進(jìn)行分析的好處?？梢栽谠缙诎l(fā)現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題并低成本進(jìn)行設(shè)計(jì)方案修改和選擇,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。擺脫以往工程中更多依賴(lài)于對(duì)設(shè)備的電磁兼容測(cè)試來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,或采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略估算的局限性。所以,對(duì)電子設(shè)備機(jī)殼進(jìn)行電磁屏蔽仿真是提高系統(tǒng)電磁兼容性能的一種有效方法,是電子設(shè)備行業(yè)必然的趨勢(shì)。

[1]韋斯頓.電磁兼容原理與應(yīng)用[M].王守蘭,楊自佑,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]劉 韜,章 蕾.孔縫對(duì)電磁屏蔽效能的影響[J].電子元器件應(yīng)用,2010(7):90-92.

[3]肖衛(wèi)東,潘 涵.國(guó)外電磁兼容仿真軟件發(fā)展概述[J].裝備環(huán)境工程,2010(2):55-60.

[4]曹善勇.Ansoft HFSS磁場(chǎng)分析與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.