丁永平，蘇　醒，黨　麗，郭艷輝

(中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089)

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一種近場屏蔽的基本模型及試驗驗證

丁永平，蘇醒，黨麗，郭艷輝

(中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089)

摘要：隨著對屏蔽理論的深入研究，屏蔽體的基本模型也在不斷地發(fā)展。經(jīng)典的Schelkunoff屏蔽定量測試方法是根據(jù)傳輸線理論來定量描述屏蔽效能的一種常用方法，但在實際應(yīng)用中，研究者往往對其對于電場和磁場屏蔽的不同性產(chǎn)生質(zhì)疑。通過對屏蔽效能描述方法的分析及對電場和磁場偶極子模型的研究和計算，建立了一種近場屏蔽的基本模型，利用該模型可清晰地描述屏蔽設(shè)備對外輻射發(fā)射與內(nèi)部干擾源的對外輻射發(fā)射的依存關(guān)系，得出屏蔽體在遠(yuǎn)場對磁場和電場可進行同等衰減，而在近場對于低頻磁場抑制更加困難的結(jié)論，并通過試驗進行了驗證，證明了Schelkunoff屏蔽分析方法在遠(yuǎn)場應(yīng)用的正確性。

關(guān)鍵詞：電磁屏蔽；基本模型；試驗驗證

1Schelkunoff屏蔽理論

通常來講，屏蔽效能取決于屏蔽體的反射性損耗和吸收性損耗，屏蔽體的作用和屏蔽傳輸線模型如圖1所示。最經(jīng)典的定量測試方法是由Schelkunoff提出的[1]，是通過對屏蔽體和其周圍環(huán)境介質(zhì)(即圖1所示的自由空間的特性阻抗(ZO、ZSh)和傳播常數(shù)(ΓO、ΓSh))建模，并將傳輸線方程引入到屏蔽分析中。典型的有效屏蔽體通常具有比其周圍環(huán)境介質(zhì)更低的特性阻抗(ZSh)和更大的傳導(dǎo)常數(shù)(ΓS)的實部，從而對入射電磁場產(chǎn)生較大的反射性和吸收性損耗，進而起到屏蔽的效果。傳輸線模型表明，屏蔽層對入射的磁場和電場衰減效果是相同的；但是在實際工程經(jīng)驗中，往往會覺得屏蔽強磁場干擾源要比屏蔽強電場干擾源困難得多。根據(jù)傳輸線理論，可以描述為屏蔽高阻抗場強比屏蔽低阻抗場強容易，因此對于研究Schelkunoff的屏蔽定量測試方法產(chǎn)生了諸多困惑。本文通過基本理論模型對其進行分析，并通過試驗進行驗證。

圖1　屏蔽體的作用和屏蔽傳輸線模型

2屏蔽效能的描述方法

屏蔽效能定義為輻射源裸露狀態(tài)的輻射場強與加屏蔽層后的對外輻射場強的比值，其場強測試如圖2所示，其表達式為：

S(dB)=P1(dBm)-P2(dBm)

式中，P1為輻射源裸露狀態(tài)的輻射場強；P2為加屏蔽層后的對外輻射場強。

圖2　屏蔽效能測試示意圖

當(dāng)屏蔽體物理尺寸比輻射源波長大時，屏蔽體的場強阻抗為377 Ω(ZF=E/H)，這相較于自由空間將起到效果，屏蔽效能S也會相應(yīng)變大。當(dāng)屏蔽體物理上小于干擾源波長時，場強阻抗相較于自由空間有可能會小很多，也有可能會大很多，這完全取決于屏蔽體內(nèi)干擾源自身類型。在文獻[2]中，屏蔽體可被視為輻射天線，并且提出了如下2條重要原則：1)當(dāng)距離大于天線尺寸(即屏蔽體尺寸)2～3倍時，輻射場可用偶極子源系統(tǒng)來表示；2)場的本質(zhì)是屏蔽體物理尺寸的一個函數(shù)，并且也是電磁激勵的一個函數(shù)。由第1條原則可知，由已屏蔽的基本電場或磁場偶極子發(fā)射出的場可認(rèn)為是衰減后的原始偶極子場；因此，在實際運用中可認(rèn)為在電磁屏蔽模型中干擾源的基本發(fā)射是典型的基本環(huán)天線(磁場偶極子)，或者是短的電場偶極子天線。

3偶極子模型

3.1磁場偶極子模型

基本的磁場偶極子模型如圖3所示。它的模型可用電流環(huán)來表示。偶極矩MH等于導(dǎo)通電流I與環(huán)形區(qū)域A的乘積。

圖3　基本磁場偶極子模型

近場阻抗計算如下：Eφ=ωμIA/4πr2(θ=π/2)，Hr=IA/2πr3(θ=0)，Hθ=IA/4πr3(θ=π/2)，ZF=Eφ/Hθ=ωμr?377r/(λ/2π)。

由上述計算可知，近場偶極子的場強阻抗ZF比遠(yuǎn)場阻抗(377 Ω)要小，并且當(dāng)干擾源不斷接近時其變得越來越??；因此，可定義磁場偶極子的近場特性為低阻抗場。

3.2電場偶極子模型

基本的電場偶極子模型如圖4所示。它的模型可用一對具有相反極性，且其偶極矩ME等于電極間電量q和相互之間間隔L的乘積的間隔振蕩電荷來定義。

圖4　基本電場偶極子模型

近場阻抗計算如下：Hφ=ωqL/4πr2(θ=π/2)，Eθ=qL/4πεr3(θ=π/2)，ZF=Eφ/Hθ=1/ωεr?377λ/2πr。

由上述計算可知，近場電場偶極子的場強阻抗ZF比遠(yuǎn)場阻抗(377 Ω)要大，并且當(dāng)干擾源不斷接近時，其變得越來越大；因此，可定義電場偶極子的近場特性為高阻抗場[3]。

3.3偶極子模型的結(jié)論

由上述關(guān)于電場和磁場偶極子模型的方程式可得出如下結(jié)論：1)在電場偶極子和磁場偶極子的近場，場內(nèi)的輻射分量φ和θ迅速衰減，并且遠(yuǎn)場比場內(nèi)的衰減速度逐步減緩；2)在電場偶極子和磁場偶極子的近場，場內(nèi)θ分量衰減速度比φ分量衰減速度快得多；3)在遠(yuǎn)場，場內(nèi)φ和θ2種分量與r成反向衰減。

4基本屏蔽模型

4.1磁場基本屏蔽模型

基本的屏蔽電流環(huán)模型如圖5所示。圖5a所示的是未屏蔽的電流環(huán)區(qū)域A，電流為IL，磁場偶極子此時MH=ILA。圖5b所示的是軸向屏蔽電流環(huán)，電流IL在屏蔽層上感應(yīng)電流為ISh，它具有抵消由IL引起的磁場的趨勢。其等效電路如圖5c所示。

圖5　屏蔽和未屏蔽的磁場偶極子模型

屏蔽層中的電流如下式：

(1)

但是，當(dāng)LM=LSh時[4]，有：

(2)

在具有屏蔽的環(huán)內(nèi)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)場的電流效應(yīng)為：

(3)

屏蔽電流環(huán)的磁場偶極矩為：

(4)

磁場偶極矩MSh等于未屏蔽電流環(huán)的偶極距ILA，并隨屏蔽的衰減因素(1/ (1+jωLSh/RSh))而改變。因此，屏蔽電流環(huán)的屏蔽效能為：

(5)

由式5可知，低阻抗偶極子隨頻率的降低屏蔽效能越高。

4.2電場基本屏蔽模型

基本的屏蔽電場偶極子電流環(huán)的模型如圖6所示。圖6a是一個伴有激勵源的短線偶極子V。有效的偶極子電學(xué)長度大約是其物理長度L的一半，因此，具有的電場偶極矩為ME=qL/2=CWVL/2。

圖6　屏蔽和未屏蔽的電場偶極子模型

圖6b所示的是具有軸向屏蔽電場偶極子。導(dǎo)線與屏蔽層的耦合電容為CW-Sh，屏蔽層電流為ISh，屏蔽層等效電容為CSh，在圖6c所示的等效電路中的屏蔽層等效電容的電壓約為：

(6)

從而，屏蔽的電場偶極子的偶極矩等于：

(7)

當(dāng)?shù)刃щ娙軨W、CSh與導(dǎo)線及屏蔽層半徑成對數(shù)函數(shù)關(guān)系時，它們幾乎相等；當(dāng)在式7中，將CSh用CW代替時，可見屏蔽的偶極矩和原始電場偶極矩相等，但其隨衰減因素而變化。

具有屏蔽的電場偶極子的屏蔽效能為：

(8)

由式8可知，高阻抗偶極子在頻率越低時屏蔽效能越高。

4.3基本屏蔽模型的結(jié)論

2種模型都揭示出屏蔽的磁場和電場偶極子仍保持它們各自未屏蔽基本偶極子的特性，只是具有衰減效應(yīng)。典型屏蔽模型的屏蔽方程式和那些適用于球體屏蔽的理論模型的方程式形式相同[5-6]。

5模型的試驗驗證

圖7、圖8所示的數(shù)據(jù)圖是一個實際具有環(huán)形激勵源的屏蔽設(shè)備近場測試結(jié)果。測試設(shè)備為鋁外殼，尺寸為31.5 cm×25.5 cm×13.5 cm。測試先將設(shè)備屏蔽，然后去掉屏蔽。在去掉屏蔽的測試中，取掉31.5 cm×25.5 cm的一面，而將一塊約1 Ω/mm2的金屬化塑料板作為蓋子。具有相對高電阻的蓋子可以減小測試的動態(tài)范圍。

圖7所示為設(shè)備的磁場近場發(fā)射測試，先裸露測試后屏蔽測試。從圖7a和圖7b中可以清晰地看出，在屏蔽前、后2種狀態(tài)下的磁場衰減速率均為60 dB/decade，試驗結(jié)果與方程式5中的計算結(jié)果基本一致，磁場衰減在低頻段非常微弱，但隨著頻率升高衰減會變大。

圖8所示的是設(shè)備的電場近場發(fā)射，先裸露測試后屏蔽測試。從圖8a和圖8b中可以清晰地看出，在屏蔽前、后2種狀態(tài)下的磁場衰減速率均為40 dB/decade。在現(xiàn)有試驗的測量精度條件下，對電場的屏蔽效能和對磁場的屏蔽效能(分別見圖8c和圖7c)的大體一致，這和從磁場偶極子模型得出的預(yù)測是一致的。

圖7　環(huán)形源的磁場衰減

圖8　環(huán)形源的電場衰減

6結(jié)語

本文對屏蔽電磁場偶極子的基本模型進行了介紹，并對其理論特性進行了推導(dǎo)。根據(jù)此模型，可以計算出屏蔽模型的近場輻射特性只是對未屏蔽偶極子源進行衰減，且通過模型可得出磁場和電場可由屏蔽進行同等的衰減，但衰減速率基本不同。通過對具有環(huán)形激勵源的屏蔽設(shè)備進行近場測試的結(jié)果表明，該近場屏蔽模型與實測數(shù)據(jù)基本吻合，能夠準(zhǔn)確描述近場屏蔽效能。說明在近場低頻磁場比高頻電場更加難抑制，同時驗證了Schelkunoff屏蔽分析方法在遠(yuǎn)場應(yīng)用的正確性。

參考文獻

[1] Schelkunoff S A. Electromagnetic waves[M].New York：D.Van Nostrand Company, Inc., 1948.

[2] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3] 王巖.用傳輸線輸入阻抗原理確定屏蔽提屏蔽性能[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.

[4] Mohr R J.Coupling between lines at high frequencies[J].IEEE Trans. On EMC, 1967, 9(3):127-129.

[5] Miller D A， Bridges J E. Review of circuit approach to calculate shielding effectiveness[J].IEEE Trans. on EMC, 1968,10(1):52-62.

[6] Wheeler H A.The spherical coil as an inductor, shield, or antenna[J], Proc. IRE, 1958, 46(9):1595-1602.

責(zé)任編輯馬彤

A Fundamental Model for Near-field Shielding and Verification Test

DING Yongping, SU Xing, DANG Li, GUO Yanhui

(Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China)

Abstract：The fundamental models for shielding enclosure are developing with constant researches on the shielding theory. The classic approach for the quantitative treatment is that presented by Schelkunoff approach by employed transmission line equations in shielding analysis. But in practical application, the difference between electric field and magnetic field shielding is often questioned. Through the analysis of the method of shielding effectiveness and the research, and the calculation of electric and magnetic dipole model, a basic model for near field shielding could illustrate the interdependence of emissions from the shielded enclosure and the basic source of emissions within the enclosure. The conclusion shows that the magnetic and electric field can be equally attenuated in the far field, but in the near field shielding the magnetic field is more difficult. And a verification test is designed to verify the conclusion of the basic model, and prove the correctness of Schelkunoff approach to shielding analysis which is often questioned.

Key words:electromagnetic shielding， fundamental models， verification test

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：丁永平(1983-)，男，高級工程師，主要從事電磁兼容性測試技術(shù)，復(fù)雜電磁環(huán)境分析及防護等方面的研究。

中圖分類號：TM 15

文獻標(biāo)志碼:A