孫彤

（沈陽汽車工業(yè)學院電氣信息系，沈陽110015）

屏蔽體孔縫對雷電流屏蔽效能的影響

孫彤

（沈陽汽車工業(yè)學院電氣信息系，沈陽110015）

針對孔縫屏蔽腔內(nèi)傳輸線上耦合雷電波的特性研究問題，對孔縫金屬腔體屏蔽效能的理論分析，利用雷電試驗沖擊平臺（ICGS）模擬產(chǎn)生雷電注入金屬桿后模擬輻射雷電電磁波進行孔縫金屬腔體屏蔽效能的實驗。在孔縫數(shù)量一定時改變孔縫直徑分析雷電電磁波進入金屬腔體的特性。實驗表明：金屬腔體內(nèi)部的天線接收到的電磁波信號基本上都是小于腔體外部的天線接收到的電磁波信號，即金屬腔體對于雷電波產(chǎn)生的電磁波有屏蔽作用；改變孔徑的大小，得出腔體的孔縫直徑越小，雷電電磁信號對腔體的屏蔽效果越好范圍為16.5dB－18dB之間；當金屬腔體表面的孔縫直徑一定時，改變金屬腔體表面的孔縫數(shù)量，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出金屬腔體表面的孔縫數(shù)量越少對雷電電磁波進入腔體的屏蔽效能越好，范圍也是在16.5dB－18dB之間。根據(jù)屏蔽效能曲線的一次線性擬合方程得出隨著雷電電流的增大，屏蔽效能有略微的減小，此現(xiàn)象是由于雷電電磁信號進入金屬腔體內(nèi)并在腔內(nèi)發(fā)生多次折反射，使得屏蔽效能減小。

孔縫腔體；耦合；雷電電磁脈沖；屏蔽效能

0 引言

人們通常會使用屏蔽裝置來減小對電子設(shè)備的干擾，但在實際情況中，金屬屏蔽裝置為了通風或用來連接電源線不可避免的會開一些孔縫，而這樣雷電電磁波就有可能進入到屏蔽腔體中，因此需要對金屬腔體因雷電電磁脈沖產(chǎn)生的雷電電磁波的屏蔽效能進行研究。

關(guān)于孔縫屏蔽腔的屏蔽效能，國內(nèi)外有很多學者進行了研究。李凱等[1]人針對矩形孔縫金屬腔體在電磁輻射下的屏蔽效能進行研究，證明：孔縫的尺寸、深度、填充介質(zhì)會衰減進入腔體的入射波而在一定程度上影響屏蔽效能。夏昌明等[2]就金屬腔體通過使用FIOELIW軟件進行FDTD仿真并通過計算來預測因源的不同位置，不同頻段范圍對屏蔽效能的影響。張慧文等[3]為了解決孔縫的耦合問題運用了兩種不同的計算方法并分析了這兩種方法的內(nèi)在聯(lián)系和各自的特點。周金山等[4]人對孔縫的形狀對微波耦合進行了研究，結(jié)果表明孔縫的長度對耦合微波的共振頻率有影響，縱橫比越大孔縫的共振頻率越明顯。徐亮[5]通過仿真計算的方式得出孔縫的長度越短對金屬腔體的屏蔽效能越好，因此提出在不能避免屏蔽腔的完整性時可以在縫隙處減小螺釘?shù)拈g距來增強屏蔽效果。還有很多學者[6-15]對孔縫的屏蔽進行了研究。但以上作者并沒有針對雷電這種自然因素源對金屬屏蔽體的屏蔽性能進行研究。由于雷電電磁脈沖（LEMP）的幅值高且幅值不定，還有雷電的頻譜很寬對屏蔽體也有很大的影響。因此研究雷電電磁脈沖下金屬屏蔽體的屏蔽效能是很有必要的。

筆者利用孔縫屏蔽體的基本理論，運用等效電路模型，從理論上討論了對雷電電磁波進入孔縫屏蔽腔內(nèi)對腔體的屏蔽效能。并通過實驗改變孔縫的直徑及腔體表面孔縫的數(shù)量采用控制變量法分析雷電電磁波對孔縫屏蔽腔體的屏蔽效能的影響。

1 孔縫屏蔽腔內(nèi)傳輸線上耦合雷電波的理論分析

當屏蔽體上留有孔縫時，分析其屏蔽效能將變得十分復雜。屏蔽體上的孔縫可以泄漏電磁波，這種孔縫可以視為孔縫天線。另外，屏蔽體上的孔縫中有無導線或電纜傳過，對其屏蔽效能影響極大。被導線或電纜穿過的屏蔽體，它的電磁波泄漏程度會變得更糟糕，孔縫大大降低了屏蔽效能，嚴重時會使屏蔽體完全失去屏蔽的作用。

任何電磁現(xiàn)象都可以用麥克斯韋理論來解釋。支持麥克斯韋理論的是麥克斯韋方程組。在麥克斯韋方程組中，電流密度、電場強度和磁場強度三者的關(guān)系如下：

式中，σ為屏蔽體的電導率。J、E和H三者均為場矢量，它們是空間位置（x，y，z）和時間 t的函數(shù)。可以利用式（1）來計算屏蔽體中的電流密度。

假設(shè)屏蔽體有足夠的厚度，電磁場透過屏蔽體后可以忽略不計。因此在屏蔽體的內(nèi)部就不會有反射現(xiàn)象存在。當電磁場照射到屏蔽體表面時，所產(chǎn)生的電流密度的幅度為

式中：α為屏蔽體對電磁波單位距離的衰減系數(shù)；r為電磁波進入屏蔽體內(nèi)的深度。由式（2）中可以看出，電流密度J與電場強度E、磁場強度H一樣，其幅度隨著透入深度的增加按照指數(shù)規(guī)律衰減。電流密度J對屏蔽體透入深度的積分就是面電流密度 JS，故有：

式中，t為屏蔽體透入深度。這里沒有考慮電磁波的相位因素。根據(jù)安培環(huán)路定律：磁場強度的環(huán)路積分等于環(huán)路包圍的電流，即：

故有，

由式（4）中可以看出，屏蔽體表面的磁場強度等于屏蔽體表面。電流密度，其方向與入射電場的方向相同。電流密度的方向與屏蔽體的幾何形狀有著密切的關(guān)系，在實際中，電流密度或磁場強度的方向是難以預測的。屏蔽體上的任何一個孔縫都會使得屏蔽體中的電流改變方向。

如果沒有孔縫，電流是直線流動的，有了孔縫則電流改變了流動的方向。這種效應可以看成是還存在著另外的一種附加電流Ja，總電流為Ja+J，附加電流Ja與原電流J相加，使得原來的磁場發(fā)生了變化。不管怎樣，在屏蔽體中的總電流必須滿足麥克斯韋方程的電流連續(xù)性準則，即有下面的表達式：

在孔內(nèi)，式（5）當然能夠得到滿足，電流Ja隨著孔縫形狀的復雜程度而變得復雜，最簡單的形式就是圓形孔。目前還沒有確定電流Ja表達式的規(guī)律算法，仍然依靠試驗的方法來確定電流Ja的表現(xiàn)形式或規(guī)律。在最簡單的圓形孔縫情況下，可以采用圓柱坐標系，假設(shè)圓形孔的半徑為r，比信號波長小，所形成的場是穩(wěn)態(tài)場，有Ja+J=σE，電流可以利用拉普拉斯方程得到如下形式的解：

式中：J0=|Ja|，r為圓形孔的半徑，l為孔縫邊緣到電流處的距離。

2 實驗方案

金屬腔體屏蔽裝置見圖1。利用ICGS雷電沖擊平臺產(chǎn)生6 kA到40 kA的強電流，步長為2 kA，再連接一根長為1 m直徑為1 cm的金屬桿，作為雷電電磁波發(fā)射裝置。在距離發(fā)射裝置6 m處放置一個長為25 cm，寬為15 cm，高為10 cm的鋁制金屬腔體。然后在腔體內(nèi)外的同一水平線上分別放置兩個中心頻率與帶寬等參數(shù)相同的天線并分別與示波器的兩個通道CH1與CH2相連，其中CH1連接腔內(nèi)天線，CH2連接腔外的天線。腔體表面接一根地線。首先，在腔體沒有孔洞時分別更換兩種不同頻段的天線進行沖擊試驗，記錄數(shù)據(jù)。其次，在金屬腔體表面分別開直徑d=7mm，d=14mm，d=30mm的圓形孔洞進行沖擊試驗。最后，在金屬腔體表面開3個d=30mm的圓形孔洞進行沖擊試驗，實驗數(shù)據(jù)與單孔d=30mm時的數(shù)據(jù)進行對比。故本實驗就是分別針對不同天線，腔體不同孔洞直徑和孔洞數(shù)量研究腔體對電磁波的屏蔽效果。

圖1 金屬腔體屏蔽裝置Fig.1 Metal cavity shielding device

3 研究分析

3.1 屏蔽前后的雷電電磁波

在研究孔縫對金屬腔體的影響實驗，我們采集了不同沖擊電流下雷電電磁波信號通過孔縫進入腔體的波形圖，見圖2和圖3。根據(jù)上面幾個圖可以看出，中心頻率為1.75 GHz的天線在沖擊電流無論是18 kA還是30 kA，通過電磁波信號的孔縫金屬腔體的直徑d=7mm或d=30mm，金屬腔體內(nèi)部的天線接收到的電磁波信號基本上都是小于腔體外部的天線接收到的電磁波信號，即金屬腔體對于雷電波產(chǎn)生的電磁波有屏蔽作用。

圖2 單孔直徑d=7 mm時的波形圖Fig.2 Single hole diameter d=7 mm

圖3 單孔直徑d=30 mm時波形圖Fig.3 Single hole diameter d=30 mm

3.2 孔洞直徑不同對腔體的屏蔽效能的分析

本實驗是在金屬腔體表面分別開直徑d=7mm，d=14 mm，d=30 mm的圓形單孔洞，用中心頻段為1.75 GHz的天線作為接受電磁波信號的裝置，在其他條件不變的情況下，使用示波器采集并記錄腔體內(nèi)能量與屏蔽效能隨沖擊電流的變化的實驗數(shù)據(jù)，得到三種不同圓孔直徑下的金屬腔體的能量值和屏蔽效能值。通過繪圖軟件畫出三種不同直徑下的腔體內(nèi)部接收到的能量對比圖及屏蔽效能對比圖，如圖4所示。根據(jù)圖4可以看出，孔徑d=7 mm時雷電電磁波信號進入金屬腔內(nèi)的能量最小，而孔徑d=14mm和d=30mm時雷電電磁波信號進入腔內(nèi)的能量差不多，差別很小。而孔徑對屏蔽效能來看，孔徑d=7mm時的屏蔽效能是最大的，屏蔽效能在16.5～18 dB范圍之間?？锥粗睆絛=14 mm與d=30 mm時的屏蔽效能明顯比孔徑d=7 mm時的屏蔽效能要差，范圍在13.5～15 dB之間。由此可以得出，金屬腔體表面的孔洞直徑越大，雷電電磁波進入金屬腔內(nèi)天線耦合得到的信號能量越大，而屏蔽效能越小。將屏蔽效能曲線通過一次線性擬合可以得到d=30mm，d=14 mm，d=7 mm 的擬合直線分別為l：y=－0.005x+17.18，m：y=－0.002x+14.55 和 n：y=－0.02x+14.55。l、m、n 三條趨勢線的斜率分別為－0.005 、－0.002 和－0.02?？梢姡帘吻惑w對所研究的孔徑下的屏蔽效能具有隨著沖擊電流的增大而減小的趨勢，這是由于雷電電磁波信號進入金屬腔內(nèi)在腔內(nèi)發(fā)生多次反折射，使得屏蔽效能減小。但由于三條擬合直線的斜率較小，故對上述變化不是很大，但是可以預測，當沖擊電流達到一定值時，開縫金屬腔體的屏蔽效能可能會為零，甚至出現(xiàn)腔體內(nèi)部信號強于外部的現(xiàn)象。

圖4 不同孔徑能量、屏蔽效能結(jié)果Fig.4 Energy and shielding effectiveness of different pore diameters

3.3 孔洞數(shù)量對腔體的屏蔽效能的分析

此次實驗是為了分析金屬腔體表面的孔洞的數(shù)量對孔縫金屬腔體的屏蔽效能的影響。用中心頻段為1.75 GHz的天線作為接受電磁波信號的裝置，用孔洞直徑d=30 mm，用示波器記錄金屬腔體表面沒有孔，只有一個孔和有三個孔時對腔體內(nèi)能量與屏蔽效能隨沖擊電流的變化的實驗數(shù)據(jù)，通過繪圖軟件畫出孔洞數(shù)量不同時的腔體內(nèi)部接收到的能量對比圖及屏蔽效能對比圖，如圖5所示。

圖5 不同孔數(shù)能量、屏蔽效能結(jié)果Fig.5 Energy and shielding effectiveness of different holes

根據(jù)圖5可以看出，金屬腔體表面為多孔時，腔體內(nèi)部接收到的能量最大，其次是金屬腔體為單孔時接收到的能量較大，最后金屬腔體表面沒有孔時，金屬腔體內(nèi)部接收到的能量最小。由圖5可以看出金腔體表面沒有孔時的屏蔽效能最好，范圍在16.5～18 dB之間；再來金屬腔體為一個孔時的屏蔽效能較好，范圍在14～15dB之間；而金屬腔體有多個孔洞時金屬腔體的屏蔽效能最小，說明多孔時的屏蔽效果最差。由此可以看出當金屬腔體的孔縫越大時接收到的雷電電磁波信號的能量越大，而屏蔽效能越低，屏蔽效果越差。下面將屏蔽效能曲線通過一次線性擬合可以得到屏蔽腔體表面沒有孔縫和腔體表面為單孔、多孔時的擬合直線公式分別為l：y＝－0.01x+17.45，m：y=－0.02x+14.84 和 n：y=－0.02x+13.29。l、m、n 三條趨勢線的斜率分別為－0.01、－0.02和－0.02，由此得出，屏蔽腔體對所研究的孔縫數(shù)量下的屏蔽效能具有隨著沖擊電流的增大而減小的趨勢，這是因為雷電電磁波信號進入金屬腔內(nèi)后在腔內(nèi)發(fā)生多次反折射，使得屏蔽效能減小。不過，這三條擬合直線的斜率較小，因此屏蔽效能的變化不是很大，由于擬合直線的斜率都為負值，可以預測，當沖擊電流達到一定值時，孔縫金屬腔體的屏蔽效能可能會為零，甚至出現(xiàn)腔體內(nèi)部信號強于外部。

從所研究的模擬雷電流幅值來看，當金屬腔體沒有孔縫時，腔體對雷電電磁信號的屏蔽效能在16.5～18 dB之間，當金屬腔體表面為單孔時，腔體對雷電電磁信號的屏蔽效能在14～15 dB之間，當金屬腔體表面為多孔時，腔體對雷電電磁信號的屏蔽效能在12～14 dB之間。

4 結(jié)論

筆者通過對孔縫屏蔽體對屏蔽效能，孔縫屏蔽腔體的耦合理論的分析，通過現(xiàn)場實驗，實際問題實際操作，根據(jù)不同孔洞直徑對金屬腔體的屏蔽效能隨沖擊電流的變化進行了研究，主要得出：在用來接收雷電電磁波信號的放于金屬腔體內(nèi)外的天線不變的情況下，隨著金屬腔體表面單孔直徑d的變大，腔內(nèi)接收雷電電磁波的天線通過耦合得到的信號能量越大，而屏蔽效能越小。說明金屬腔體的孔縫越小，屏蔽效能越好；隨著金屬腔體表面孔洞數(shù)量的增加，雷電電磁波進入金屬腔體的能量增大，而屏蔽效能減小。說明金屬腔體的孔縫越少，對雷電電磁波的屏蔽效果越好。

[1]李凱，魏光輝，潘曉東.帶孔縫矩形金屬腔體屏蔽效能研究[J].微波學報，2013，29（4）：48－52．WANG Kai，WEI Guanghui，PAN Xiaodong.Research of the Shielding Effectiveness of a Rectangular Metallic Enclosure with an Aperture[J].Journal of Microwaves，2013，29（4）：48－52．

[2]夏昌明，劉峰，周力.金屬腔體屏蔽效能的預測[J].電子質(zhì)量，2003，11（6）：25－26．XIA Changming，LIU Feng，ZHOU Li.Prediction of Shielding Effectiveness of Metal Enclosure[J].Electronics Quality，2003，11（6）：25－26．

[3]張慧文，史小衛(wèi)．孔縫耦合問題求解方法分析[J].電子科技，2004，10（3）：36－37．ZHANG Huiwen，SHI Xiaowei.Solution to Aperture Coupling Problems[J].It Age，2004，10（3）：36－37．

[4]周金山，劉國治等.不同形狀孔縫微波耦合的實驗研究[J].強激光與粒子束，2004，16（1）：88－90．ZHOU Jingshan，LIU Guozhi.Experimental studies on microwave coupling coefficient for different－shaped apertures[J].High Power Laster and Particle Beams，2004，16（1）：88－90．

[5]徐亮.縫隙對屏蔽效能的影響分析[J].信息與電子工程，2008，6（3）：176－179．XU Liang.Analysis of Effect of Gap on Shielding Effectiveness[J].Information and Electronic Engineering，2008，6（3）：176－179．

[6]Karami H，Moini R，Sadeghi S H H．Efficient Analysis of Shielding Effectivenessof Metallic Rectangular Enclosures Using Unconditionally Stable Time－Domain Integral Equations[J]．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2014，56（6）：1412－1419．

[7]騰旭，胡志昂.電子系編印抗干擾實用技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2004：160－167．TENG Xu，HU Zhiang.Anti－jamming practical electronic printing technology[M].National Defense Industry Press，，2004：160－167．

[8]CHUNG D.L.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials[J].Carbon，2001，39（2）：279－285.

[9]VISHWANATH S K，KIM D G，KIM J.Electromagnetic interference shielding effectiveness of invisible metal－mesh prepared by electrohydrodynamic jet printing[J].Japanese Journal of Applied Physics，2014，53（5S3）：89－100.

[10]YANG S，LOZANO K，LOMELI A，et al.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon nanofiber/LCP composites[J].Composites Part A Applied Science&Manufacturing，2005，36（5）：691－697.

[11]CASEY K F．Electromagnetic shielding behavior of wiremesh screens[J]．IEEE Transactions on Electromagnetic，，1988，30（3）：298－306．

[12]LIU E，DU P，LIU w．Accuracy Analysis of Shielding Effectiveness of Enclosures With Apertures：A Parametric Study[J]．Electromagnetic Compatibility IEEE Transactions on，2014，56（6）：1396－1403．

[13]KHORRAMI M A，DEHKHODA P，MAZANDARAN R M．Fast Shielding Effectiveness Calculation of Metallic Enclosures With Apertures Using a Multiresolution Method of Moments Technique[J]．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2010，52（1）：230－235．

[14]SKOBLIKOV O，KNIAZIEV V．.Penetration of lightning electromagnetic pulses into metallicenclosures with apertures[J]．Electric Power Systems Research，2014，113：48－63．

[15]WILSON P F，MA M T.Techniques for measuring the electromagnetic shielding effectiveness of materials.I.Farfield source simulation[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1988，30（3）：239－250.

Influence of Shield Slot on Shielding Effectiveness of Lightning Current

SUN Tong
（Department of Electrical Information，Shenyang College of Automotive Industry，Shenyang 110015，China）

Aiming at the problem of coupling lightning wave characteristic study on the transmission line in the aperture shielding cavity，the shielding effectiveness of the slotted metal cavity is analyzed theoretically，and the lightning impulse platform（ICGS）is adopted to simulate the lightning electromagnetic wave experimental study on shielding effectiveness of porous metal cavity.When the number of holes is fixed，the diameter of aperture is changed to analyze the characteristics of lightning electromagnetic wave entering metal cavity.The experimental results show that the electromagnetic wave signal

by the antenna inside the metal cavity is basically smaller than the electromagnetic wave signal received by the antenna outside the cavity，that is，the metal cavity has the shielding effect on the electromagnetic wave generated by the lightning wave；The smaller the aperture diameter of the cavity，the better the shielding effect of the lightning electromagnetic signal to the cavity is between 16.5dB－18dB；when the hole diameter of the metal cavity surface is constant，change the aperture of the metal cavity surface The number of holes on the surface of the metal cavity surface the less the number of lightning electromagnetic wave into the cavity of the shielding effectiveness of the better range is between 16.5dB－18dB.According to a linear fitting equation of shielding effectiveness curve，it is concluded that the shielding effectiveness decreases slightly with the increase of lightning current.This phenomenon is due to the fact that the lightning electromagnetic signal enters into the metal cavity and many fold reflections occur in the cavity，shielding effectiveness is reduced.

aperture cavity；coupling；lightning electromagnetic pulse；shielding effectiveness

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.021

2016－10－19

孫 彤（1976—），女，碩士，副教授，研究方向：電氣工程及自動化。