金晨路，韓照全，何婧，劉佼，徐彬彬

（南京市氣象局，南京 210019）

基于矩形諧振腔法研究金屬網(wǎng)格對雷電波屏蔽性能

金晨路，韓照全，何婧，劉佼，徐彬彬

（南京市氣象局，南京 210019）

針對金屬網(wǎng)格屏蔽體對雷電波的屏蔽性能這一問題，通過對金屬網(wǎng)格屏蔽體屏蔽效能和矩形諧振腔模型的理論分析，利用理論與試驗相結(jié)合的方法，采用雷電沖擊平臺模擬雷電流，主要討論了在2.5 GHz天線接收8 kA沖擊電流作用下，5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm金屬網(wǎng)格在模擬雷電流下時，金屬籠對雷電波的屏蔽效果，得出：金屬網(wǎng)格屏蔽體的屏蔽效能不隨網(wǎng)格密度的增大而增大，在2.5 GHz下5 cm×5 cm金屬籠對雷電波屏蔽效果較好。該結(jié)論在金屬網(wǎng)格屏蔽體對雷電波的屏蔽應(yīng)用中有一定的參考價值。

金屬網(wǎng)格；矩形諧振腔；屏蔽效能；雷電流

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件的靈敏度不斷提高，繼而帶來的是電子信息系統(tǒng)抗雷電電磁干擾的能力的日趨減弱。每年我國電力電子設(shè)備受損事故占雷電災(zāi)害事故總數(shù)就高達63%[1]。電磁屏蔽是減少損失的有效方法之一。屏蔽材料方面，主要有表層導(dǎo)電型、填充復(fù)合型、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電織物等[2]，其中以填充復(fù)合型為主流。仿真方面，解子鳳等[3]考慮到雷電波在波頭部分的波長遠大于一般屏蔽體的尺寸，用電路方法求解，提出了金屬籠的同軸圓環(huán)簡化計算法。陳新平等[4]對分倉腔體和孔陣進行了仿真分析。由于采用平面波作為源有簡單的特性及討論方法，且能表征電磁波重要的性質(zhì)，因此將平面波作為電磁波遠場的輻射源的仿真常見于國內(nèi)外[5－7]很多文章。關(guān)于雷電防護系統(tǒng)，Rakov 等[8－9]人研究了在人工觸發(fā)閃電直擊實體雷電防護系統(tǒng)的雷電電流分布情況。王俊凱等[10]基于EGM模型對輸變電線路進行了防雷評估。還有學(xué)者[11－13]對其它方面的雷電防護進行了研究。余軍等[14]利用近似穩(wěn)態(tài)屏蔽效能測試的小環(huán)法和沖擊電流發(fā)生器測試了屏蔽室的暫態(tài)磁場屏蔽效能，測試結(jié)果表明金屬板對各種強度暫態(tài)磁場的屏蔽效能基本相同。實際應(yīng)用方面，張小青等[15]對不同尺寸和設(shè)置高度的金屬網(wǎng)格進行保護失效計算，得出在考察的網(wǎng)格參數(shù)范圍內(nèi)，屋面雷擊率隨網(wǎng)格尺寸的增大而增大，隨設(shè)置高度的增大而減小。以上作者為屏蔽方面的研究做出了很大的貢獻，為后來的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。但是，在金屬網(wǎng)格屏蔽體對雷電波屏蔽性能方面的分析還不夠。

筆者運用矩形諧振腔諧振原理，建立了金屬網(wǎng)屏蔽效能試驗?zāi)Ｐ?，討論了?.5 GHz天線接收8 kA沖擊電流作用下，5cm×5cm、5cm×2.5cm和2.5cm×2.5 cm金屬網(wǎng)格在模擬雷電流下時，金屬籠對雷電波的屏蔽效果。

1 金屬網(wǎng)格屏蔽

因為金屬板屏蔽不是很方便，而金屬網(wǎng)屏蔽便于解決屏蔽室的通風(fēng)和采光，因此常用金屬網(wǎng)作屏蔽，尤其是雙層金屬網(wǎng)屏蔽。電磁場在金屬網(wǎng)中的衰減非常小，故其屏蔽效能主要是取決于反射。對于網(wǎng)格密度為50%，且每個波長有60根以上金屬絲的金屬網(wǎng)，幾乎可以得到與金屬板相同的反射損耗。但是由于這種情況實現(xiàn)起來比較困難，所以一般都采用雙層屏蔽來保證所需要的屏蔽效能。

金屬編織簾是金屬網(wǎng)的一種特例。在電場平行于導(dǎo)體的情況下，電磁波的振幅傳輸系數(shù)為

式中：A′、A為穿透波和入射波的振幅；λ為工作波長，單位cm；a為編制簾簾線間距，單位cm；d為金屬導(dǎo)線直徑，單位cm。

上述計算公式對金屬網(wǎng)也適用。由式（1）可以看出，導(dǎo)線直徑只是在自然對數(shù)ln之中，所以其作用并不大。

無論多密織的金屬網(wǎng)，其屏蔽效果也比金屬板差得多。尤其是在高頻情況下，兩者之差就更為顯著。因此不能期望單層金屬網(wǎng)會有很高的屏蔽效能。

2 矩形諧振腔的諧振頻率計算

金屬網(wǎng)格的諧振可按矩形諧振腔處理。矩形諧振腔的諧振頻率：

將長度為l的一段矩形波導(dǎo)兩端用金屬片短路便構(gòu)成了一個矩形諧振腔。其中a和b表示矩形波導(dǎo)在x方向和y方向的尺寸，應(yīng)用相位法求出波導(dǎo)型諧振腔的諧振頻率。因波導(dǎo)兩端短路，故式2βl+θ1+θ2=2πp（p=0，±1，±2，…）中的 θ1=θ2=－π；因矩形波導(dǎo)中只有色散波，故β=2π/λp。于是得到諧振條件為

式中：p=p′+1，代表諧振波沿傳輸線縱向分布的半駐波數(shù)；λp0為矩形波導(dǎo)腔諧振相波長。

λp0與諧振波長λ0的關(guān)系為

將上式代入式（4）中得λp/2型諧振腔諧振波長

λ0的一般表達式為

將矩形波導(dǎo)截止波長λc的計算公式

矩形諧振腔諧振波長的計算公式

3 試驗分析

以直徑為0.5 mm的銅絲編制的金屬籠作為試驗的模型，金屬籠的大小為0.5 m×0.5 m，采用的網(wǎng)格大小分別為 5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm、2.5 cm×2.5 cm。利用雷電沖擊平臺產(chǎn)生8/20 μs波形模擬雷電流，在相對該波形的遠場處采集數(shù)據(jù)，本試驗中采用從6～40kA，步長為2 kA的沖擊電流。雖然雷電流的頻帶很寬，但隨著雷電流脈沖的上升，其包含的高頻分量越多，本試驗中主要采用中心頻率為1.75 GHz和2.5 GHz的線天線接收雷電流信號。將中心頻率和頻帶寬度基本相同的兩根天線分別放置在金屬網(wǎng)格內(nèi)外，保證兩根天線處在相對激勵源的距離相同的位置上，同時籠內(nèi)的天線應(yīng)位于金屬籠的中心處。兩根天線所采集到的信號通過示波器進行采集，其中CH1與籠內(nèi)的天線相連接，CH2與籠外天線連接。模型如圖1。

4 網(wǎng)格大小對屏蔽效能的影響

通常情況下，一般認為網(wǎng)格密度越大即網(wǎng)格尺寸越小屏蔽效果越好，實際上通過試驗的驗證，這種認知是不正確的。2.5 GHz天線接收8 kA沖擊電流產(chǎn)生的信號時，不同尺寸金屬網(wǎng)格內(nèi)外的信號幅值如圖2。由圖可見，5 cm×5 cm的金屬網(wǎng)格在2.5 GHz對8 kA沖擊電流產(chǎn)生的信號有很好的屏蔽效果，而5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm的金屬網(wǎng)格的屏蔽效果很差，尤其是5 cm×2.5 cm的網(wǎng)格，其籠內(nèi)信號幅值幾乎為籠外的2倍。

圖1 金屬網(wǎng)格屏蔽效能試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Metal mesh shielding effectiveness test model

圖2 不同尺寸接地金屬網(wǎng)格2.5GHz天線接收8kA沖擊電流產(chǎn)生的信號Fig.2 Different sizes grounded metal mesh 2.5GHz antenna receives signals generated by the impact of current 8kA

不同的電磁波信號所含的頻率成分不同，當(dāng)屏蔽體上存在孔縫時，屏蔽體可看作縫隙天線，金屬網(wǎng)格尤為如此。金屬網(wǎng)格等效的裂縫天線的中心頻率和頻帶寬度與電磁場激勵源所包含的頻率成分相符合時，網(wǎng)格不僅不存在屏蔽效果，甚至?xí)蔀榱硪粋€激勵源，使屏蔽體內(nèi)的電場強度增大。不同尺寸的金屬網(wǎng)格的諧振可看作含孔縫陣列的矩形諧振腔處理。矩形諧振腔的諧振頻率計算公式為

因金屬籠的尺寸為0.5 m×0.5 m，故可將l代為0.5 m。

5 cm×2.5 cm 的網(wǎng)格即 A=5 cm、B=2.5 cm，代入式（7）得：

取m為1，n、p為0，得 f0=3 GHz。2.5 GHz較1.75 GHz更接近于諧振頻率，故2.5 GHz時的屏蔽效能更小，即籠內(nèi)天線接收到的信號更多。

2.5cm×2.5cm的網(wǎng)格即a=b=2.5cm，代入式中得：

取m為1，n、p為0或n為1，m、p為0，可求出f0=6 GHz。2.5 GHz較1.75 GHz更接近于諧振頻率，故2.5 GHz時的屏蔽效能更小。但由于這兩個頻率都偏離諧振頻率過大，損耗較多，所以二者的屏蔽效能的絕對值并不是很大，即屏蔽效果較差。

5 結(jié)論

筆者主要利用矩形諧振腔模型，以及實驗室雷電沖擊平臺產(chǎn)生波形模擬雷電流，主要研究了2.5 GHz天線接收8 kA沖擊電流產(chǎn)生的信號時，不同尺寸金屬網(wǎng)格內(nèi)外的信號幅值的差異性，得出：金屬網(wǎng)格屏蔽體的屏蔽效能不隨網(wǎng)格密度的增大而增大，在2.5 GHz下5 cm×5 cm金屬籠對雷電波有屏蔽效果，5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm金屬籠對雷電波屏蔽效果相對較差。

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Study on Shielding Properties of Metal Mesh for Lightning Wave Based on a Rectangular Cavity Method

JIN Chenlu，HAN Zhaoquan，HE Jing，LIU Jiao，XU Binbin
（Nanjing Bureau of Meteorology，Nanjing 210019，China）

According to the issue of shielding performance of metal mesh shield on lightning wave，through theoretical analysis on the shielding effectiveness of metal mesh shield and rectangular cavity model，by using the method of combination of theoretical and experimental，the lightning current is simulated by lightning impulse platform，mainly discussed under the effect of 2.5 GHz antenna reception 8 kA inrush current，when 5 cm ×5 cm，5 cm ×2.5 cm and 2.5 cm ×2.5 cm metal grid under simulated lightning，the shielding effect of metal cage on lightning wave is discussed，it is obtained that：shielding effectiveness of metal mesh shield does not increased with the increase of mesh density，the shielding effect of 5 cm×5 cm metal cage on lightning wave is good under the 2.5 GHz.This conclusion has a certain reference value in shielding applications of metal mesh shield for lightning.

metal mesh；rectangular cavity；shielding effectiveness；lightning current

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.016

2016－02－22

金晨路（1986—），女，碩士，助理工程師，主要研究方向：雷電災(zāi)害和監(jiān)測預(yù)警。