王立龍,吳明贊,李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京 210094)

?

基于有限元方法的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)電磁屏蔽屏蔽效能分析

王立龍,吳明贊*,李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京 210094)

提出一種在屏蔽箱體孔縫結(jié)構(gòu)的外部增加截止波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的方法,利用截止波導(dǎo)管對(duì)高頻電磁波的衰減作用來(lái)提高屏蔽箱體屏蔽效能?；谟邢拊ǚ謩e對(duì)截止波導(dǎo)管的長(zhǎng)度、厚度及其形狀進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明:在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內(nèi),隨著截止波導(dǎo)管長(zhǎng)度及厚度的增加屏蔽箱體屏蔽效能提高15dB以上,圓形和矩形截止波導(dǎo)管對(duì)屏蔽效能影響不大。根據(jù)實(shí)際情況合理選擇截止波導(dǎo)管的長(zhǎng)度及厚度可以提高微弱信號(hào)處理電路的電磁抗干擾能力。

微弱信號(hào);波導(dǎo)管;電磁屏蔽;有限元法;

電磁屏蔽是用屏蔽材料制成屏蔽箱體,將電磁能量限制在一定的空間范圍內(nèi)從而抑制輻射干擾。根據(jù)實(shí)際需要,通常要在屏蔽箱體上開(kāi)孔,孔縫的出現(xiàn)導(dǎo)致屏蔽箱體屏蔽效果降低,已有的對(duì)孔縫結(jié)構(gòu)處理方法是減少孔縫長(zhǎng)度、孔縫面積不變的情況下多開(kāi)孔、圓形孔代替矩形孔等[1-4]。這些方法雖然可以提高屏蔽箱體屏蔽效能,但是對(duì)于屏蔽要求較高的微弱信號(hào)處理電路還不足以很好的屏蔽外部空間電磁干擾[5]。在此基礎(chǔ)上論文在屏蔽箱體孔縫處加入截止波導(dǎo)管,基于有限元法對(duì)其長(zhǎng)度、厚度及其形狀進(jìn)行仿真分析。

1 電磁屏蔽機(jī)理與波導(dǎo)管理論

1.1 屏蔽效能

屏蔽效能是一種通過(guò)在源和目標(biāo)點(diǎn)之間插入屏蔽體、用以降低或削減空間指定點(diǎn)電磁場(chǎng)的優(yōu)值系數(shù)。定義為無(wú)屏蔽的情況下電場(chǎng)E1[或磁場(chǎng)H1]在給定點(diǎn)r處的絕對(duì)值,與存在屏蔽狀態(tài)下電場(chǎng)Et[或磁場(chǎng)Ht]在給定點(diǎn)r處的絕對(duì)值之比。屏蔽效能單位通常用SE來(lái)表示,單位為dB。

電場(chǎng)屏蔽效能定義為:

(1)

磁場(chǎng)屏蔽效能定義為:

(2)

對(duì)于輻射近場(chǎng),電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波阻抗不同,因此電場(chǎng)屏蔽效能和磁場(chǎng)屏蔽效能一般是不相等的。對(duì)于輻射遠(yuǎn)場(chǎng),平面波電磁場(chǎng)是統(tǒng)一的整體,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波阻抗相等,電場(chǎng)屏蔽效能和磁場(chǎng)屏蔽效能是相等的。統(tǒng)稱(chēng)為電磁屏蔽效能,即:

SE=SEE=SEH

(3)

1.2 單層屏蔽分析模型

單層屏蔽結(jié)構(gòu)如圖1所示,均勻平面波電磁場(chǎng)以一定的角度射向單層屏蔽體,屏蔽層表面對(duì)電磁波的反射作用以及吸收作用使得電磁波強(qiáng)度得以衰減,傳播系數(shù)TE為:

(4)

20lg|eγl|-20lg|p|+20lg|1-qe-2γl|=

A+R+B(dB)

(5)

式中,A是電磁波在屏蔽體中的傳輸損耗。R是電磁波在屏蔽體的表面產(chǎn)生的反射損耗。B是電磁波在屏蔽體內(nèi)多次反射損耗。f為電磁波頻率,μr為相對(duì)磁導(dǎo)率,σr為相對(duì)電導(dǎo)率,δ為集膚深度,L為屏蔽體的厚度,ZS為屏蔽體介質(zhì)的波阻抗。單層屏蔽材料對(duì)高頻平面電磁波干擾的屏蔽效果可以用這3者之和來(lái)表示[6]。

圖1 均勻平面波入射單層屏蔽層表面

1.3 波導(dǎo)管理論

屏蔽效能主要取決于表面上開(kāi)孔的最大徑向尺寸。開(kāi)孔尺寸越大電磁泄漏也就越嚴(yán)重,屏蔽效能就越差。為了提高屏蔽效能,可以在不改變總面積的情況下多開(kāi)孔,增加孔間距[6]。由電磁理論可知,波導(dǎo)管對(duì)于在其內(nèi)傳播的電磁波起著高通的作用,高于波導(dǎo)管截止頻率的電磁波可以通過(guò),對(duì)低于截止頻率的電磁波會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重衰減[7]。如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)管的截止頻率

不同形狀和結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)管有著不同的截止頻率,矩形波導(dǎo)管截止頻率fc=15×109/d(Hz/cm),圓形波導(dǎo)管截止頻率fc=17.6×109/d(Hz/cm),其中fc單位為Hz,d是最大開(kāi)口尺寸,單位為cm。低于截止頻率的電磁波從波導(dǎo)管的一端傳輸至另一端會(huì)產(chǎn)生一定的衰減,其衰減的大小與波導(dǎo)管的長(zhǎng)度成正比,其關(guān)系式為:

(6)

箱體的總體屏蔽效能為屏蔽層與波導(dǎo)管兩者屏蔽效果之和。

2 基于有限元方法的仿真驗(yàn)證

這篇文章使用基于有限元方法的電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS建立截止波導(dǎo)管屏蔽箱體模型,并對(duì)其屏蔽效能進(jìn)行仿真分析,得出屏蔽箱體屏蔽效能隨頻率變化的曲線。本次仿真的求解形式采用模式驅(qū)動(dòng)。屏蔽箱體設(shè)置成良導(dǎo)體,尺寸為30 cm×12 cm×30 cm,壁厚D=1 mm。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1000 V/m,沿著Y軸正向極化,選取箱體中心點(diǎn)為屏蔽效能測(cè)試點(diǎn)。

2.1 截止波導(dǎo)管對(duì)屏蔽效能的影響

圖3 截止波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)及屏蔽箱體仿真模型

圖3所示左側(cè)是長(zhǎng)為L(zhǎng)邊長(zhǎng)為d的波導(dǎo)管剖面圖,當(dāng)L≥d時(shí)該結(jié)構(gòu)才可以稱(chēng)為截止波導(dǎo)管[8]。右側(cè)為屏蔽箱體模型,箱體工作在0.1 GHz～1 GHz范圍內(nèi),因此矩形波導(dǎo)截止頻率必須大于1 GHz,由矩形波導(dǎo)管截止頻率fc=15×109/d(Hz/cm)可得,波導(dǎo)邊長(zhǎng)小于15 cm。在最上端增加了有10個(gè)正方形通孔的波導(dǎo)管,波導(dǎo)管邊長(zhǎng)d=1 cm,長(zhǎng)度L=3 cm,相鄰的兩個(gè)方孔中心間距為1.1 cm,10個(gè)孔的總面積為10 cm2,在箱體外設(shè)置一個(gè)輻射邊界條件,尺寸為60 cm×42 cm×60 cm。矩形截止波導(dǎo)管對(duì)屏蔽箱體屏蔽效能的影響如圖4所示。

圖4 加入截止波導(dǎo)管后屏蔽效能的改變

從圖4可以看出:加入波導(dǎo)管與不加波導(dǎo)管相比,箱體的屏蔽效能在整個(gè)0.1 GHz～1 GHz頻段中都大大提高,尤其是在0.6 GHz～0.8 GHz之外的頻段平均提高15 dB,0.7 GHz處為箱體的諧振頻率,在此處兩者的屏蔽效果都有所下降,諧振頻率是由箱體的結(jié)構(gòu)的尺寸決定的。如果內(nèi)部電路的工作頻率在0.7 GHz附近,可以調(diào)整箱體尺寸來(lái)改變箱體的諧振頻率。

2.2 截止波導(dǎo)管的長(zhǎng)度及厚度對(duì)屏蔽效能的影響

把模型中的截止波導(dǎo)管長(zhǎng)度L分別設(shè)置為0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm,其他條件不變,截止波導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)屏蔽效能的影響如圖5所示。

圖5 波導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)屏蔽效能的影響

對(duì)于波導(dǎo)管厚度對(duì)屏蔽效能的影響,仿真模型采用圓形波導(dǎo)進(jìn)行仿真分析,管壁厚度D分別設(shè)置為0.05 cm、0.1 cm、0.3 cm。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 波導(dǎo)管管壁厚度對(duì)屏蔽效能的影響

從圖5屏蔽效能曲線上可以看出:波導(dǎo)管長(zhǎng)度增加時(shí),箱體的屏蔽效能也增加,長(zhǎng)度越長(zhǎng),屏蔽效果越好。當(dāng)長(zhǎng)度每增加1 cm,屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz頻段提高4 dB～10 dB,由圖6可以得出:隨著管壁厚度的增加箱體整體的屏蔽效能也不斷提高,管壁由0.05 cm增至0.1 cm時(shí),屏蔽效能提高大約4 dB,再由0.1 cm增至0.3 cm時(shí),屏蔽效能又提高了近10 dB,由此可以得出以上結(jié)論。從兩幅仿真結(jié)果圖上總結(jié)出一個(gè)共同點(diǎn):0.7 GHz附近為箱體的諧振頻率,此處箱體屏蔽效能大大下降,因此通過(guò)濾波消除0.7 GHz噪聲的干擾。屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz頻段屏蔽效能隨著平面電磁波的頻率增加而不斷下降,因此在高頻部分對(duì)電磁干擾的抑制將變得更加困難。

2.3 截止波導(dǎo)管通孔形狀對(duì)屏蔽效能的影響

在保持通孔總面積、通孔之間間距以及長(zhǎng)度不變的條件下,只改變波導(dǎo)管的形狀再進(jìn)行仿真,觀察箱體屏蔽效能的變化。表1總面積、通孔間距以及長(zhǎng)度相同時(shí)的屏蔽效能。

表1 總面積相同、通孔間距以及長(zhǎng)度相同時(shí)箱體的屏蔽效能

由表1可以看出,在總面積相同、通孔間距以及長(zhǎng)度相同時(shí)波導(dǎo)管的形狀對(duì)箱體的屏蔽效能的影響并不是非常明顯。在0.1 GHz到0.4 GHz頻段圓形和矩形孔對(duì)應(yīng)的屏蔽效能相差平均不到2 dB,在接近箱體諧振頻率時(shí),即在0.5 GHz到0.8 GHz段屏蔽效能相差達(dá)到最大,平均為4 dB,在0.8 GHz到1 GHz頻段基本無(wú)差距,隨著頻率的進(jìn)一步提高屏蔽效能已無(wú)差別。由仿真數(shù)據(jù)可知圓形和矩形波導(dǎo)管對(duì)箱體屏蔽效能的影響不大。由于兩種結(jié)構(gòu)在材料制作上來(lái)看圓形波導(dǎo)管比矩形波導(dǎo)管消耗更多的材料,波導(dǎo)管不宜制作成圓形。

3 結(jié)束語(yǔ)

孔縫的存在使得屏蔽箱體的屏蔽效能大大下降,對(duì)外部電磁干擾的抑制能力減弱,這篇文章的解決辦法是在孔縫處加入波導(dǎo)管結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了理論分析?；谟邢拊椒▽?duì)屏蔽箱體屏蔽效能進(jìn)行仿真分析得出,截止波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)能夠提高屏蔽箱體的屏蔽效能,且波導(dǎo)管的長(zhǎng)度、管壁厚度及通孔形狀都能夠?qū)ζ湓斐捎绊?增加波導(dǎo)管長(zhǎng)度和管壁厚度可以提高屏蔽效能,但是波導(dǎo)管通孔的形狀對(duì)其低于其截止頻率的屏蔽效能影響并不是很明顯。在考慮到成本方面波導(dǎo)管不宜采用圓形通孔。這篇文章不足之處在于只考慮了外部電磁干擾對(duì)屏蔽效能的影響,沒(méi)有對(duì)內(nèi)部微弱信號(hào)處理電路對(duì)屏蔽效能的影響。

[1]黃年龍,吳明贊,李竹. 基于有限元法的孔縫結(jié)構(gòu)矩形腔屏蔽效能數(shù)值分析[J]. 電子器件,2013,36(5):635-638.

[2]孟培雯,劉云飛,顧敏明. 機(jī)箱孔縫對(duì)電磁屏蔽效能的影響研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(13):155-158.

[3]張立偉,李雪花. 電磁兼容中有關(guān)電磁屏蔽的設(shè)計(jì)及工程計(jì)算方法的研究[J]. 船電技術(shù),2010,30(1):35-40.

[4]彭強(qiáng),周東方,侯德亭. 帶縫隙矩形腔的屏蔽效能傳輸線法修正及擴(kuò)展分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束,2013,25(9):2355-2362.

[5]高晉占. 微弱信號(hào)檢測(cè)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2011:99-153.

[6]楊士元. 電磁屏蔽理論與實(shí)踐[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006:125-174.

[7]王威,徐抒巖,楊絮. 抑制電磁干擾屏蔽技術(shù)的研究[J]. 制造自動(dòng)化,2010,33(5):71-75.

[8]Jiao Chongqing,Zhu Hongzhao. Resonance Suppression and Electromagnetic Shielding Effectiveness Improvement of an Apertured Rectangular Cavity by Using Wall Losses[J]. China Phys B,2013,22(8):1-6.

王立龍(1989-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)硬件,ahnjwu@sina.com。

AnalysisofElectromagneticShieldingEffectivenessforWaveguideBasedonFEM

WANGLilong,WUMingzan*,LIZhu

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

A method joining waveguide out of the shield structure is presented,by using the effect of the attenuation of high-frequency electromagnetic waves in waveguide to improve shielding effectiveness. Finite element method is used to modeling and simulation of the waveguide length,thickness and the shape. The simulation results show that:in the range of the 0.1 GHz～1 GHz frequency,the shielding enclosure shielding effectiveness with the increase of length and thickness of the waveguide has improved 15 dB and also improved a little on the rectangular and circular waveguide. According to the actual situation to choice a reasonable length and the thickness of the waveguide,the electromagnetic immunity of the weak signal processing circuit can be improved.

weak signal;wave guide;electromagnetic shielding;finite element method

2013-12-06修改日期:2014-01-07

O441

:A

:1005-9490(2014)06-1068-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.012