李亞輝

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 概述

艦船電子設(shè)備高速發(fā)展帶來(lái)的電磁干擾問題嚴(yán)重制約著其工作的可靠性，因此，怎樣防護(hù)電磁干擾問題受到了各界人士的高度關(guān)注。電磁干擾源的類型不同，可分2種情況分析電磁干擾的特性：①當(dāng)外部源為電磁干擾源時(shí)，可等效為分析艦船電子設(shè)備抵抗其他艦船電子設(shè)備電磁輻射的能力；②當(dāng)內(nèi)部源為電磁干擾源時(shí)，可等效為分析艦船電子設(shè)備阻止其內(nèi)部電磁能量向設(shè)備外輻射的能力。艦船電子設(shè)備對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾及受到其他電子設(shè)備電磁干擾的途徑有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，耦合路徑主要有機(jī)箱、電纜、電源，有效抑制輻射干擾的方法是屏蔽機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備。

除了低頻磁場(chǎng)以外，完全封閉的金屬殼體對(duì)電磁干擾具有很高的屏蔽效能。但是，在實(shí)際工作中，由于觀測(cè)、檢查及通風(fēng)、散熱等需要，屏蔽機(jī)箱上不可避免需要大量開孔，這些孔洞的存在會(huì)破壞機(jī)箱屏蔽的完整性、降低機(jī)箱殼體的屏蔽作用，影響艦船電子設(shè)備的正常工作。因此，分析電磁場(chǎng)與開有孔縫金屬機(jī)箱的耦合規(guī)律、研究耦合場(chǎng)的分布情況及孔縫對(duì)屏蔽效能的影響，找出提高電子設(shè)備機(jī)箱屏蔽效能的方法，具有實(shí)際的工程應(yīng)用前景。在低頻段，影響屏蔽效能的主要因素是材料及接地，隨著工作頻率的增高，影響屏蔽效能的主要因素為機(jī)箱的孔縫，機(jī)箱材料及其厚度的影響變?yōu)榇我蛩豙1]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了在外部干擾源近似為均勻平面波條件下帶孔機(jī)箱的電磁特性，但由于近場(chǎng)源輻射場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)源輻射場(chǎng)的不同，如果不考慮輻射源位置，采用平面波推導(dǎo)得到的屏蔽效能計(jì)算方法均不適用于近場(chǎng)屏蔽效能的計(jì)算。當(dāng)入射場(chǎng)的源距離屏蔽層足夠遠(yuǎn)時(shí)，即屏蔽體在入射場(chǎng)源的遠(yuǎn)場(chǎng)中，入射波可近似為均勻平面波；當(dāng)屏蔽體在入射場(chǎng)源的近場(chǎng)中，屏蔽技術(shù)依賴于源的類型，已不能簡(jiǎn)單近似均勻平面波作為干擾源，近場(chǎng)的輻射場(chǎng)遠(yuǎn)比遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)雜。根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出利用偶極子陣列對(duì)印制電路板干擾源的電磁輻射特性進(jìn)行等效建模的方法，本文的近場(chǎng)干擾源用電偶極子等效。

本文以帶孔機(jī)箱為研究對(duì)象，采用基于有限元算法的HFSS軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真計(jì)算，分析近場(chǎng)源輻射場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)源輻射場(chǎng)屏蔽效能的不同，以及不同的開孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的影響，所得到的結(jié)論可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

2 電磁屏蔽原理

2.1 屏蔽效能

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度，其定義為同一點(diǎn)沒有屏蔽時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)幅度E0與屏蔽體存在場(chǎng)強(qiáng)幅度E1之比，以分貝表示為：

機(jī)箱的屏蔽效能受到機(jī)箱厚度、形狀、材料特性，機(jī)箱上孔縫的數(shù)量、形狀、尺寸，機(jī)箱內(nèi)部的印制板，以及輻射源的頻率、入射角等的顯著影響。

2.2 源輻射場(chǎng)

源輻射場(chǎng)以電偶極子天線為例，通過對(duì)天線表面上電流分布的積分運(yùn)算，可得到電偶極子天線的輻射電場(chǎng)和磁場(chǎng)。電偶極子由帶有電流向量I的長(zhǎng)度為dl的無(wú)窮小電流元組成，假設(shè)電流向量在沿電流元長(zhǎng)度的所有點(diǎn)上都是相同的（包括相位和幅度），則自由空間中電偶極子的輻射場(chǎng)為：

式（2）（3）（4）中：η0為自由空間的固有阻抗；β0＝λ0/2π為傳播常數(shù)；r為場(chǎng)點(diǎn)與電偶極子中點(diǎn)的距離。

由這些公式可知，當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)距離天線非常近時(shí)，公式中所含1/r3和1/r2起支配作用；當(dāng)遠(yuǎn)離天線時(shí)，含1/r的項(xiàng)開始起支配作用。當(dāng)含1/r3和1/r2項(xiàng)與含1/r的項(xiàng)相比時(shí)，可以忽略不計(jì)的點(diǎn)就是遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的邊界，這個(gè)邊界大致在r＝λ0/2π處。在電偶極子的近場(chǎng)區(qū)，感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度以1/r3規(guī)律減小，感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度以1/r2規(guī)律減??；電偶極子的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量均隨距離成反比的減小。

3 近場(chǎng)屏蔽效能與遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能的比較

本文所采取的帶孔機(jī)箱的腔體尺寸為120 mm×300 mm×300 mm，厚度為1 mm，材料為理想導(dǎo)體（PEC）；開孔尺寸為150 mm×20 mm，開孔位置開在300 mm×300 mm機(jī)箱面中心位置上；仿真環(huán)境的邊界條件設(shè)為吸收邊界，且設(shè)置輻射邊界距離輻射體大于1/4個(gè)工作波長(zhǎng)；頻率掃描范圍0.1～1 GHz，觀測(cè)點(diǎn)位于機(jī)箱中心。

在機(jī)箱外部正對(duì)開孔中心位置設(shè)置干擾源，分別用均勻平面波近似遠(yuǎn)場(chǎng)輻射源和電偶極子天線近似近場(chǎng)輻射源，仿真得到屏蔽效能與頻率的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 近場(chǎng)源和遠(yuǎn)場(chǎng)源屏蔽效能對(duì)比

由圖1可知，隨著頻率的增大，箱體的屏蔽效能減小，且在0.9 GHz附近箱體出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時(shí)箱體的屏蔽效能最差。這是因?yàn)楫?dāng)電磁波進(jìn)入一個(gè)由導(dǎo)體制成的封閉腔體時(shí)，它在腔內(nèi)被連續(xù)反射，電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)換，交替出現(xiàn)在相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)最大位置上，從而形成了諧振。在諧振頻率附近，外界耦合進(jìn)入箱體的電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)，此時(shí)電子設(shè)備屏蔽體的屏蔽效能最差。

從圖1中還可以看出，均勻平面波的屏蔽效能高于電偶極子的屏蔽效能，究其原因在于干擾源的近場(chǎng)區(qū)輻射場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射場(chǎng)的差異性。用均勻平面波近似遠(yuǎn)場(chǎng)輻射源和電偶極子天線近似近場(chǎng)輻射源，由源輻射場(chǎng)公式可知，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射場(chǎng)不存在縱向分量，而近場(chǎng)區(qū)輻射場(chǎng)存在，且隨著頻率增大縱向分量不斷增強(qiáng)。如果電偶極子輻射場(chǎng)垂直入射到電子設(shè)備機(jī)箱表面時(shí)，機(jī)箱對(duì)縱向分量不起屏蔽作用，因此兩者表現(xiàn)出不同的屏蔽效能規(guī)律。

4 開孔參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響

常見的開孔參數(shù)有開孔形狀、開孔數(shù)量、開孔間距。本小節(jié)基于外加均勻平面波為干擾源的方法，分析不同的開孔參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響。

4.1 開孔形狀

機(jī)箱模型采用上一節(jié)的尺寸，開孔為單孔，開孔位置位于機(jī)箱中心位置，在開孔面積都為3 000 mm2的情況下，分別分析圓孔（半徑R＝30.91 mm）、方孔（邊長(zhǎng)a＝54.77 mm）、矩形孔150 mm×20 mm、矩形孔75 mm×40 mm對(duì)屏蔽效能的影響。不同的開孔形狀屏蔽效能如圖2所示。

圖2 不同開孔形狀屏蔽效能比較

由圖2可知，在開孔面積相同的情形下，圓孔的屏蔽效能最好，方孔的屏蔽效能比圓孔略差，矩形孔的屏蔽效能最差。矩形孔150 mm×20 mm的屏蔽效能在0.7～1 GHz間出現(xiàn)負(fù)值，說明矩形孔的長(zhǎng)寬比越大，屏蔽效能越差。所以當(dāng)屏蔽機(jī)箱開孔時(shí)，盡量使用圓形孔縫，以取得最佳屏蔽效能。

4.2 開孔數(shù)量

機(jī)箱模型采用上一節(jié)的尺寸，開孔為圓形孔陣，孔陣位于機(jī)箱中心位置，在開孔面積為3 000 mm2的情況下，分別分析單圓孔、3×3圓形孔陣、5×5圓形孔陣對(duì)屏蔽效能的影響，具體如圖3所示。

圖3 不同開孔數(shù)量屏蔽效能比較

由圖3可知，在開孔面積相同的情況下，5×5圓形孔陣的屏蔽效能最好，3×3圓形孔陣的屏蔽效能稍差，單圓孔的屏蔽效能最差。在開孔相同面積的情形下，開多孔的箱體比開少孔的箱體的屏蔽效能要好，開孔數(shù)量越多，屏蔽效能越好。源輻射場(chǎng)會(huì)在金屬機(jī)箱上產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的反射場(chǎng)可以抵消源輻射場(chǎng)達(dá)到屏蔽的效果。因此，感應(yīng)電流無(wú)阻礙地流動(dòng)可以提高箱體的屏蔽效能，如圖4所示，帶箭頭線條即感應(yīng)電流及其流動(dòng)方向。但是，箱體上的孔縫會(huì)打斷感應(yīng)電流的無(wú)阻礙流動(dòng)，降低箱體的屏蔽效能。例如，垂直于感應(yīng)電流方向的縫隙寬度對(duì)屏蔽效能影響很大，如圖5所示。對(duì)于圓孔，縫隙寬度就是孔直徑。如果用許多個(gè)小孔代替一個(gè)大孔，散熱作用與大孔相差不大，但對(duì)感應(yīng)電流有很小的阻礙，如圖6所示。所以，在相同面積的開孔情況下，開多孔機(jī)箱屏蔽效能比開少孔的好。

圖4 縫隙對(duì)感應(yīng)電流的影響

圖5 縫隙對(duì)感應(yīng)電流的影響

圖6 小孔孔陣對(duì)感應(yīng)電流的影響

4.3 開孔間距

本節(jié)研究開孔間距對(duì)屏蔽效能的影響，仿真計(jì)算采用3×3圓形孔陣，如圖7所示。設(shè)圓孔半徑R＝10.30 mm不變，從1 mm到10 mm改變孔間距h，得到不同頻率下隨孔間距變化的屏蔽效能曲線。不同開孔間距在不同頻率下的屏蔽效能比較如圖8所示。圖8顯示在一定頻率，孔間距h從1 mm到10 mm的均勻變化時(shí)，箱體屏蔽效能呈緩慢增加趨勢(shì)，但變化幅度不大；在不同的頻率下，機(jī)箱屏蔽效能與機(jī)箱孔距之間的變化趨勢(shì)相同。

圖7 孔陣示意圖

5 結(jié)論

本文采用Ansoft HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件建模仿真，分別從干擾源為遠(yuǎn)場(chǎng)源和近場(chǎng)源2個(gè)方面分析電磁屏蔽。由于近場(chǎng)源場(chǎng)分量復(fù)雜，基于平面波的遠(yuǎn)場(chǎng)屏蔽效能計(jì)算不適用于近場(chǎng)屏蔽效能的計(jì)算，因此，工程設(shè)計(jì)利用HFSS電磁屏蔽仿真時(shí)，應(yīng)選擇合理的輻射源，否則會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。

基于均勻平面波在機(jī)箱外部作為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射源，分析開孔形狀、開孔數(shù)量、開孔間距3種參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響，可知：①對(duì)于不同開孔形狀的單孔，只要面積相等，圓孔的屏蔽效能最好，方孔屏蔽效能略差，矩形孔屏蔽效能最差。矩形孔的長(zhǎng)寬比越大，耦合進(jìn)箱體的能量越多，屏蔽效能越差，因此，屏蔽箱體應(yīng)盡量避免矩形孔縫。②在相同的開孔面積下，開多孔箱體的屏蔽效能比開少孔的好，開孔越細(xì)密，屏蔽效能越高。所以，在屏蔽箱體表面開孔時(shí)，應(yīng)盡量選取較細(xì)密的孔陣，以達(dá)到更好的屏蔽效果。③開孔間距也是影響屏蔽效能的一個(gè)因素。隨著開孔間距的增大，箱體屏蔽效能呈緩慢增加趨勢(shì)，耦合進(jìn)箱體的電磁波呈減小趨勢(shì)，孔縫之間的耦合有所減弱。當(dāng)入射電磁波頻率越高、波長(zhǎng)越小時(shí)，箱體屏蔽效能越差。因此，在設(shè)計(jì)屏蔽箱體的孔陣時(shí)，應(yīng)合理安排孔縫之間的距離。

圖8 不同開孔間距在不同頻率下的屏蔽效能比較

參考文獻(xiàn)：

［1］毛湘宇，杜平安，聶寶林.基于TLM的機(jī)箱孔縫電磁屏蔽效能數(shù)值分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（23）：7493-7497.

［2］曹鐘，杜平安，聶寶林，等.基于磁偶極子陣列的印制電路板干擾源等效建模方法［J］.物理學(xué)報(bào)，2014，63（12）：161-167.

［3］Clayton R.Paul.電磁兼容導(dǎo)論［M］.聞?dòng)臣t，譯.北京：人民郵電出版社，2007：465-488.

［4］劉恩博，杜平安，周元，等.以PCB為干擾源的帶孔機(jī)箱電磁輻射特性仿真研究［J］.電子學(xué)報(bào)，2015，45（3）：611-614.