竇 龍，劉自力，秦德淳，呂全洲

(63956部隊(duì)，北京 100093)

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夾網(wǎng)屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計(jì)算簡(jiǎn)化模型研究

竇 龍，劉自力，秦德淳，呂全洲

(63956部隊(duì)，北京 100093)

為了減少夾網(wǎng)屏蔽玻璃在電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中剖分的網(wǎng)格數(shù)量，基于時(shí)域有限差分周期結(jié)構(gòu)譜算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)仿真了單層夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理論提取出金屬網(wǎng)的等效電導(dǎo)率，應(yīng)用CST電磁仿真軟件建立了一種屏蔽玻璃仿真簡(jiǎn)化模型，解決了細(xì)微結(jié)構(gòu)屏蔽材料難以仿真計(jì)算的難題。仿真結(jié)果表明，等效電導(dǎo)率方法具有很高的計(jì)算精度，為計(jì)算具有細(xì)微結(jié)構(gòu)屏蔽材料的機(jī)箱、方艙等結(jié)構(gòu)的屏蔽效能提供了有效途徑。

夾網(wǎng)屏蔽玻璃；SFDTD；等效電導(dǎo)率；仿真簡(jiǎn)化模型

0 引言

傳統(tǒng)的屏蔽材料主要是金屬板材，屏蔽體的物理性能受到金屬材料本身屬性的限制。為了滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)合的功能需求，新型屏蔽材料常常通過構(gòu)建材料內(nèi)部細(xì)微復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的特殊性能。夾網(wǎng)屏蔽玻璃因其良好的透光性能和屏蔽效能，是制造防信息電磁泄密、防電磁干擾的機(jī)箱表盤及屏蔽體采光窗的關(guān)鍵材料[1-3]。夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能主要取決于玻璃板間所夾金屬網(wǎng)的材料、結(jié)構(gòu)、層數(shù)，金屬網(wǎng)內(nèi)部金屬網(wǎng)孔近似于矩形腔體，使夾網(wǎng)屏蔽玻璃具有一定的頻率選擇性，其屏蔽效能隨頻率變化，可視為一種色散媒介。由于金屬網(wǎng)具有十分之一毫米級(jí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，若將夾網(wǎng)屏蔽玻璃和設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行一體化整體仿真，將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算量巨大、計(jì)算時(shí)間漫長(zhǎng)，甚至無(wú)法計(jì)算。

基于時(shí)域有限差分周期結(jié)構(gòu)譜算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)[4-6]可以采用周期結(jié)構(gòu)邊界條件，利用材料結(jié)構(gòu)的周期性變化，以單個(gè)周期結(jié)構(gòu)來(lái)替代無(wú)限大材料的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真，從而達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的。典型的周期結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)數(shù)值算法能夠準(zhǔn)確計(jì)算無(wú)限大周期結(jié)構(gòu)材料的屏蔽效能，但當(dāng)周期結(jié)構(gòu)材料用于具體結(jié)構(gòu)時(shí)，仿真計(jì)算上難以進(jìn)行，例如，夾網(wǎng)屏蔽玻璃應(yīng)用在屏蔽方艙上，求屏蔽方艙整體屏蔽效能十分困難。

為解決上述問題，本文提出了一種針對(duì)夾網(wǎng)屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計(jì)算的簡(jiǎn)化模型。首先，該模型基于周期結(jié)構(gòu)SFDTD算法仿真計(jì)算了典型夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能，然后，基于Schelkunoff屏蔽理論[7]提取出夾網(wǎng)屏蔽玻璃的等效電導(dǎo)率，最后，利用提取的等效電導(dǎo)率，在CST仿真軟件中將材料等效為均勻板材，從而極大減小了仿真計(jì)算材料屏蔽效能時(shí)的網(wǎng)格剖分量。該模型同樣適用于其他具有周期性細(xì)微結(jié)構(gòu)的屏蔽材料屏蔽效能仿真分析。

1 屏蔽玻璃SFDTD算法計(jì)算模型建立

1.1 三維模型建立

夾網(wǎng)屏蔽玻璃的電磁防護(hù)能力主要與所夾金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中編織金屬網(wǎng)所用的金屬絲多數(shù)是圓柱體，本文為簡(jiǎn)化網(wǎng)格剖分，將圓柱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為立方體結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)的編織結(jié)構(gòu)選擇十字交叉結(jié)構(gòu)，選擇市場(chǎng)上主流的目數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于SFDTD法建立金屬網(wǎng)計(jì)算模型。

40目、60目、100目、120目、160目金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)尺寸見表1。金屬網(wǎng)單個(gè)周期模型如圖1所示。

表1 金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)尺寸 (mm)

由于金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸較小，F(xiàn)DTD網(wǎng)格剖分時(shí)將產(chǎn)生巨量的空間步長(zhǎng)，本文采用周期結(jié)構(gòu)SFDTD算法，對(duì)金屬網(wǎng)取單個(gè)周期，在長(zhǎng)寬方向上采用周期邊界條件，在厚度上采用16層PML吸收邊界條件，程序采用Fortran語(yǔ)音編寫。周期邊界條件使金屬網(wǎng)單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的計(jì)算便可模擬無(wú)限大平面金屬網(wǎng)。

圖1 金屬網(wǎng)單個(gè)周期模型

1.2 屏蔽效能表達(dá)式

計(jì)算屏蔽材料的頻域屏蔽效能表達(dá)式為

(1)

式中：E0為入射波的頻域電場(chǎng)強(qiáng)度，EZ為透射波的頻域電場(chǎng)強(qiáng)度。

1.3 激勵(lì)源選取

計(jì)算采用高斯脈沖[8]，高斯脈沖函數(shù)時(shí)域形式為

(2)

頻域表達(dá)式為

(3)

2 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真結(jié)果

圖2為采用最高頻率為20 GHz的高斯脈沖(場(chǎng)強(qiáng)1 V/m)照射時(shí)，100目和160目純銅網(wǎng)的透射電場(chǎng)時(shí)域波形。圖3為40目、60目、100目、120目、160目純銅網(wǎng)的屏蔽效能對(duì)比圖。

圖2 透射電場(chǎng)時(shí)域波形

圖3 單層純銅網(wǎng)的屏蔽效能對(duì)比圖

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：(1)由于單層銅網(wǎng)具有等尺寸的近似矩形網(wǎng)孔，對(duì)入射波頻率具有選擇特性，高頻入射波更容易穿透狹小孔洞，因此單層銅網(wǎng)屏蔽效能隨入射波頻率的增大而減小。(2)金屬網(wǎng)目數(shù)越高網(wǎng)孔孔徑越小，網(wǎng)孔密度越大，屏蔽效能越高。

3 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真簡(jiǎn)化模型建立

本節(jié)通過建立屏蔽玻璃屏蔽效能仿真簡(jiǎn)化模型，將具有細(xì)微網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的夾網(wǎng)屏蔽玻璃等效成電導(dǎo)率隨頻率變化的平板材料，既可保證屏蔽效能計(jì)算的準(zhǔn)確性，又可大幅度減少網(wǎng)格剖分，有效地縮短仿真計(jì)算時(shí)間。

3.1 屏蔽玻璃等效電導(dǎo)率提取方法

根據(jù)電磁脈沖屏蔽技術(shù)原理，當(dāng)平面波垂直入射到無(wú)限大導(dǎo)體板時(shí)，如果板的厚度遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)，由Schelkunoff屏蔽理論，結(jié)合傳輸線理論[9]，可得出以下近似公式。

導(dǎo)體板的吸收損耗：

(4)

導(dǎo)體板表面反射損耗：

R=168+10lg(σr/μrf)(dB)

(5)

導(dǎo)體板材料多次反射修正項(xiàng)：

B=20lg (1-10-0.1A) (dB)

(6)

導(dǎo)體板的電磁屏蔽效能：

SE=(A+R+B) (dB)

(7)

式中t為導(dǎo)體板厚度，單位mm；f為入射波頻率，單位Hz；σr，μr為導(dǎo)體板相對(duì)于銅的相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立屏蔽效能與電導(dǎo)率的直接聯(lián)系，μr值取1。于是

(8)

由式(8)可知無(wú)限大導(dǎo)體板材料電導(dǎo)率與屏蔽效能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要已知夾網(wǎng)屏蔽玻璃隨頻率變化的屏蔽效能，即可求出對(duì)應(yīng)頻率變化的等效電導(dǎo)率，而夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能可采用前面所述的SFDTD算法計(jì)算結(jié)果。這里需要注意的是，求得的等效電導(dǎo)率包含了磁導(dǎo)率的變化，因此在計(jì)算材料屏蔽效能時(shí)，需將材料磁導(dǎo)率設(shè)為1，保證計(jì)算結(jié)果的有效性。

由于120目銅網(wǎng)屏蔽效能與100目結(jié)果相近，此處省略120目銅網(wǎng)電導(dǎo)率提取結(jié)果。圖5～8分別為提取40目、60目、100目、160目銅網(wǎng)隨入射波頻率變化的等效電導(dǎo)率。

圖5 40目銅網(wǎng)等效電導(dǎo)率

圖6 60目銅網(wǎng)等效電導(dǎo)率

圖7 100目銅網(wǎng)等效電導(dǎo)率

圖8 160目銅網(wǎng)等效電導(dǎo)率

3.2 仿真簡(jiǎn)化模型建立

利用CST仿真軟件MWS工作室建立色散材料的功能，分別將40目、60目、100目、160目銅網(wǎng)的等效電導(dǎo)率及對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)輸入到色散材料的設(shè)置窗口，建立新材料M1、M2、M3、M4。對(duì)于建立的立方體，在X、Y方向設(shè)置周期邊界條件，厚度Z方向設(shè)置吸收邊界條件，激勵(lì)源與2.2節(jié)相同，該模型等效為無(wú)限大均勻平板材料。仿真求解器采用頻域求解器，簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 夾網(wǎng)屏蔽玻璃簡(jiǎn)化計(jì)算模型

3.3 簡(jiǎn)化模型仿真結(jié)果

應(yīng)用新的等效材料M1、M2、M3、M4的簡(jiǎn)化模型屏蔽效能仿真結(jié)果與周期結(jié)構(gòu)SFDTD法仿真的銅網(wǎng)結(jié)果對(duì)比見圖10～13。

圖10 等效材料M1-40目銅網(wǎng)屏蔽效能仿真對(duì)比圖

圖11 等效材料M2-60目銅網(wǎng)屏蔽效能仿真對(duì)比圖

圖12 等效材料M3-100目銅網(wǎng)屏蔽效能仿真對(duì)比圖

圖13 等效材料M4-160目銅網(wǎng)屏蔽效能仿真對(duì)比圖

由屏蔽效能計(jì)算對(duì)比圖可以看出，簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果與SFDTD法仿真的計(jì)算結(jié)果基本吻合，高頻部分存在1～2 dB誤差，計(jì)算結(jié)果可信度較高。

4 結(jié)論

通過本文的研究工作可得出以下結(jié)論：

(1)采用周期結(jié)構(gòu)SFDTD方法可計(jì)算夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能。計(jì)算結(jié)果表明夾網(wǎng)屏蔽玻璃的屏蔽效能隨入射波頻率的增大而減小，金屬網(wǎng)目數(shù)越高屏蔽效能越好。

(2)根據(jù)SFDTD方法計(jì)算出的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理論提取出夾網(wǎng)屏蔽玻璃的等效電導(dǎo)率，因此，可將夾網(wǎng)屏蔽玻璃等效為均勻色散介質(zhì)平板。

(3)應(yīng)用CST軟件MWS工作室建立簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明夾網(wǎng)屏蔽玻璃簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果與周期結(jié)構(gòu)SFDTD的計(jì)算結(jié)果基本吻合，高頻部分存在1～2 dB誤差，計(jì)算結(jié)果可信度較高。

(4)本文提出的簡(jiǎn)化模型可將夾網(wǎng)屏蔽玻璃等金屬網(wǎng)材料等效為均勻板材，實(shí)現(xiàn)大尺寸網(wǎng)格剖分，大幅減小仿真計(jì)算量，使得在常規(guī)計(jì)算機(jī)計(jì)算速度條件下，可快速高效地實(shí)現(xiàn)夾網(wǎng)屏蔽玻璃和設(shè)備機(jī)箱一體化整體仿真。

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Study on the simplified simulation model of shielding window with metal mesh

Dou Long, Liu Zili, Qin Dechun, Lv Quanzhou

(63956 Unit of PLA, Beijing 100093, China)

In order to reduce the divided grids of shielding window with metal mesh electromagnetic calculation, the shielding effectiveness of the electromagnetic shielding window with metal mesh was simulated based on the periodic structures SFDTD (Spectral Finite-Difference Time-Domain ) method. According to the Schelkunoff shielding theory, the equivalent conductivity of the shielding glass was extracted and the simplified simulation model of shielding glass was established by the CST simulation software. This solved the problem that the shielding material with fine structures was difficult to simulation. The simulation results show that the equivalent conductivity method has high calculation precision and provides an effective way for calculating the shielding effectiveness of the object with the fine structure shielding materials, such as the case or the square cabinet etc.

shielding window with metal mesh; SFDTD; effective parameter; simplified simulation model

O441.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.003

竇龍，劉自力，秦德淳，等. 夾網(wǎng)屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計(jì)算簡(jiǎn)化模型研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：13-16.

2016-05-19)

竇龍(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：電磁兼容性試驗(yàn)。

劉自力(1963-)，男，博士，研究員，主要研究方向：目標(biāo)特性、電磁兼容試驗(yàn)評(píng)估。

秦德淳(1978-)，男，博士，工程師，主要研究方向：電磁兼容與電磁環(huán)境。