劉 力，劉 彬，葛玉石，劉為群，丁 勇，郭 勇

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211100）

隨著現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，各種電子和信息設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，因此，設(shè)備與設(shè)備之間的電磁干擾也變得日趨復(fù)雜。從設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，EMC 直接關(guān)系到一臺(tái)設(shè)備或一套系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時(shí)，電磁干擾也會(huì)對(duì)人體造成傷害[1-3]。基于上述原因，人們對(duì)電磁干擾的控制技術(shù)也越來(lái)越重視，而在產(chǎn)品的EMC 設(shè)計(jì)過(guò)程中，箱體孔縫的電磁泄露一直是EMC 設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。

文中對(duì)常見(jiàn)金屬箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究和分析，對(duì)比了材質(zhì)、板厚、縫隙結(jié)構(gòu)、雙層屏蔽對(duì)金屬箱體屏蔽效能的影響。

1 屏蔽效能及金屬板電磁屏蔽機(jī)理

1.1 屏蔽效能的概念

屏蔽是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施，而屏蔽體可以由任何導(dǎo)電、導(dǎo)磁的介質(zhì)構(gòu)成，用以阻止或減小電磁能傳輸，進(jìn)而對(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽。為表征屏蔽體電磁波的衰減程度，引入屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)概念[4-6]。

屏蔽效能SE 是指無(wú)屏蔽體時(shí)空間某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E0(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H0)與有屏蔽體時(shí)該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度E1(或磁場(chǎng)強(qiáng)度H1)的比值。由于屏蔽效能SE 的量值范圍較寬，上述計(jì)算較麻煩，因此一般采用分貝（dB）計(jì)量，如下式所示：

按照機(jī)理的不同，屏蔽效能可分為電場(chǎng)屏蔽效能和磁場(chǎng)屏蔽效能，表1 為屏蔽效能與場(chǎng)強(qiáng)衰減的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 屏蔽效能與場(chǎng)強(qiáng)衰減的關(guān)系

1.2 金屬板電磁屏蔽的機(jī)理分析

對(duì)于結(jié)構(gòu)上完整、電氣上連續(xù)均勻的金屬板，其屏蔽機(jī)理示意圖如圖1 所示。當(dāng)電磁波入射到板厚為t的金屬板界面a 時(shí)，波阻抗發(fā)生了突變，部分電磁波會(huì)被反射，剩余部分則穿過(guò)界面a 在金屬板內(nèi)繼續(xù)透射傳播；電磁波在金屬板內(nèi)透射時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定消耗。當(dāng)電磁波到達(dá)金屬板界面b 時(shí)，同樣會(huì)再次發(fā)生反射和透射，會(huì)有一小部分透過(guò)界面b 的電磁波進(jìn)入到被屏蔽空間中[7-9]。

圖1 金屬板電磁屏蔽機(jī)理示意圖

由上述分析可知，電磁波經(jīng)過(guò)屏蔽后的損耗主要分為3 個(gè)部分，即反射損耗R、吸收損耗A、多次反射修因子B。入射到金屬板時(shí)被反射的損耗稱為反射損耗（R）；透射波在金屬板內(nèi)傳播時(shí)的損耗稱為吸收損耗（A）。由于電磁波在a、b 界面存在循環(huán)往復(fù)的反射和透射，為此在屏蔽理論中引入多次反射修正因子（B），其量值小于1。

綜上，金屬板電磁屏蔽作用可用下式表示：

由電磁場(chǎng)理論可知，吸收損耗AdB、RdB、BdB表達(dá)式如下：

式中，δ為金屬板趨膚深度（m）；μr為金屬板磁導(dǎo)率（H/m）；σr為金屬板導(dǎo)電率（S/m）；f為電磁波頻率（HZ）；t為金屬板厚度（mm）；Zs為金屬板的波阻抗（Ω）；Zw為自由空間的波阻抗（Ω）。

由式（3）可知，金屬板屏蔽效能與材質(zhì)、板厚、電磁波頻率、傳播介質(zhì)等有密切關(guān)系。

在屏蔽機(jī)柜及其屏蔽盒的設(shè)計(jì)中，電磁波在箱體內(nèi)部發(fā)生諧振，導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部噪聲幅值被抬高，同樣對(duì)屏蔽效能有著較大的影響[10-11]。針對(duì)矩形金屬箱體，可根據(jù)式（4）算出諧振頻率fmnp。

式中，w、h、l分別為矩形箱體的寬、高、長(zhǎng)（m）；m、n分別為矩形箱體內(nèi)沿寬、高、長(zhǎng)方向的半駐波個(gè)數(shù)；μ、ε分別為箱內(nèi)介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)（H/m、F/m）。

2 仿真模型的建立

建立金屬箱體屏蔽效能的仿真分析模型，基本步驟主要包括求解類型的選擇、三維箱體模型的建立、仿真求解設(shè)置、數(shù)據(jù)后處理[12-13]，其詳細(xì)設(shè)置如下：

1）由于仿真分析電磁場(chǎng)衰減程度（屏蔽效能），所以解類型選用模式驅(qū)動(dòng)形式。

2）創(chuàng)建金屬箱體模型，以常見(jiàn)金屬機(jī)箱作為案例建模，矩形箱體的寬、高、長(zhǎng)分別為w×h×l=200 mm×300 mm×300 mm，箱體在寬度面的幾何中心處開(kāi)設(shè)10 mm×60 mm 的矩形孔，箱體幾何中心設(shè)在坐標(biāo)原點(diǎn)處，材質(zhì)為Q235 碳素鋼。

3）為更好地模擬金屬箱體的屏蔽效能，此處激勵(lì)選擇內(nèi)置的偶極子天線，設(shè)置在坐標(biāo)原點(diǎn)處，沿Y軸正方向極化，場(chǎng)強(qiáng)為1 V/m。

4）設(shè)置邊界條件，為得到唯一確定的解，同時(shí)確保模型的完整性，需要在箱體以外空間建立吸收邊界條件，將箱體包裹，以模擬開(kāi)放的自由空間。

5）網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，可根據(jù)設(shè)置誤差標(biāo)準(zhǔn)，精確、有效地生成網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)分析對(duì)象的離散化。為得到更精細(xì)的網(wǎng)格，此處設(shè)置求解頻率為1 GHz，最大迭代次數(shù)10 次，收斂精度0.01。

6）對(duì)于求解設(shè)置，為分析箱體對(duì)各電磁波頻率下的屏蔽效能，設(shè)置離散掃頻，起始頻率設(shè)為0.02 GHz，終止頻率為1 GHz，步長(zhǎng)為0.01 GHz。

7）求解方法依據(jù)屏蔽效能3 米法測(cè)量的方式，引用屏蔽效能的求解函數(shù)dB（Sphere 3 meters）,依據(jù)前文屏蔽效能的計(jì)算公式（1），求解得出箱體各種設(shè)置條件下的屏蔽效能SE 值。

圖2 為金屬箱體仿真模型。

圖2 金屬箱體仿真模型

3 金屬箱體的屏蔽效能分析

結(jié)合電磁學(xué)理論及式（3）的分析可知，屏蔽效能與箱體材質(zhì)、孔縫結(jié)構(gòu)、箱體內(nèi)外介質(zhì)及電磁波頻率有關(guān)，下面分析改變箱體材質(zhì)、壁厚、孔縫結(jié)構(gòu)及箱體雙層屏蔽對(duì)SE 值的影響。

3.1 箱體不同材質(zhì)對(duì)屏蔽效能的影響

選取箱體及屏柜設(shè)計(jì)中常用的Q235 碳素鋼、普通鋁板、304 不銹鋼作為仿真分析對(duì)象，比較得到屏蔽效能隨頻率的曲線，如圖3 所示。

圖3 不同材質(zhì)下屏蔽效能對(duì)比曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著材料的變化，箱體的屏蔽效能變化較小，因此在一般情況下，電磁屏蔽最重要的是保證箱體導(dǎo)電的連續(xù)性，而金屬材質(zhì)并不是影響屏蔽效能的關(guān)鍵因素，同時(shí)已有研究表明，200 mm×300 mm×300 mm 尺寸的金屬腔體約在710 MHz 諧振頻率下，屏蔽效能最差[14-15]，亦可通過(guò)式（4）推導(dǎo)計(jì)算。在該諧振頻率下，金屬箱體屏蔽效能衰減明顯，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值情況。

3.2 箱體不同板厚對(duì)屏蔽效能的影響

分析不同板厚對(duì)箱體屏蔽效能的影響，研究選取箱體材質(zhì)為Q235、箱體縫隙面積為10 mm×60 mm（孔不變），分別對(duì)板厚為2 mm、4 mm、6 mm 的箱體進(jìn)行仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率的曲線，如圖4 所示。

由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，隨著板厚的變化，箱體的屏蔽效能變化同樣較小，每增加2 mm，屏蔽效能提升1 dB左右。但屏蔽效能隨板厚增加而提升的趨勢(shì)明顯；同時(shí)，板厚的變化致使諧振頻率發(fā)生小范圍偏移，但也并非板厚越大越好，本例諧振頻率在4 mm 板厚時(shí)的屏蔽效能明顯優(yōu)于其他兩種板厚。

圖4 不同板厚下屏蔽效能對(duì)比曲線

3.3 箱體不同孔縫結(jié)構(gòu)形式對(duì)屏蔽效能的影響

針對(duì)金屬箱體上不同孔縫形狀對(duì)屏蔽效能的影響，已有研究表明，在相同孔縫面積下，正多邊形孔縫的屏蔽效能優(yōu)于矩形孔縫的屏蔽效能，而圓形孔縫又優(yōu)于正多邊形[16-18]?；谏鲜龅难芯浚闹蟹治鱿嗤卓p面積條件下，不同圓形孔征數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響。分析設(shè)3 組：第一組為原10 mm×60 mm 的矩形孔縫；第二組為9 孔方陣，單孔半徑約4.61 mm，孔距20 mm；第三組為16 孔陣，單孔半徑為3.46 mm，孔距10 mm。上述孔陣均以矩形孔縫中心布置。

依據(jù)上述條件仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 不同孔縫下屏蔽效能對(duì)比曲線

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在相同孔縫面積下，圓形孔陣的屏蔽效能比原矩形孔有顯著提升，相同頻率下屏蔽效能提升20～28 dB；隨著孔征數(shù)量的增加，屏蔽效能同樣得到提升，在相同頻率下，16 孔陣較9 孔陣的屏蔽效能提升2～3 dB。

3.4 雙層箱體結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽效能的影響

針對(duì)電磁兼容性要求較高的場(chǎng)合，單層屏蔽往往難以滿足要求，為此，下面分析雙層箱體對(duì)屏蔽效能的影響。在原模型箱體外包裹一層同材質(zhì)的箱體，其縫隙的尺寸(10 mm×60 mm)和位置與原箱體相同，外層箱體與原箱體外框保持20 mm 間隙。依據(jù)上述條件仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 單、雙層箱體屏蔽效能對(duì)比曲線

基于經(jīng)濟(jì)性考慮，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采取箱體+柜體的雙層屏蔽形式，為此，下面分析將箱體裝進(jìn)柜體時(shí)對(duì)屏蔽效能的影響。設(shè)置柜體寬、高、長(zhǎng)分別為w×h×l=700 mm×1 200 mm×800 mm，箱體置于柜體集合中心；設(shè)置柜門與側(cè)封板之間的縫隙為1.5 mm，縫隙深度為10 mm；除柜體前后門及左右側(cè)縫板縫隙外，其他泄露暫不做考慮，屏蔽效能隨頻率的變化曲線如圖7 所示。

圖7 箱體設(shè)置柜體前后的屏蔽效能對(duì)比曲線

由圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，雙層箱體屏蔽效能較單層箱體有明顯提升，同頻率下屏蔽效能提升約16～21 dB，單箱體+柜體結(jié)構(gòu)的屏蔽效能較單層箱體有所提升，均值約在10 dB 以內(nèi)。因此，在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，將需要屏蔽的設(shè)備單獨(dú)設(shè)置在一個(gè)屏蔽倉(cāng)，由此可以極大提高屏蔽效能，提升設(shè)備的電磁兼容性。值得注意的是，由于諧振具有多模特性，因此屏蔽效能不再隨頻率單調(diào)變化，需要考慮雙層屏蔽層間電磁波諧振對(duì)屏蔽效能的影響。

4 結(jié)論

在闡述電磁屏蔽效能及計(jì)算方法的同時(shí)，分析了金屬板電磁屏蔽的機(jī)理。運(yùn)用三維電磁仿真分析軟件計(jì)算了金屬箱體在各種工況下的屏蔽效能，系統(tǒng)全面地分析了工程中多種常見(jiàn)的金屬箱體結(jié)構(gòu)形式對(duì)屏蔽效能的影響，得出了以下一般性結(jié)論：

1）普通碳鋼、鋁板、不銹鋼材質(zhì)對(duì)屏蔽效能影響不大，為此，機(jī)柜、箱體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際工況選擇適宜材質(zhì)。

2）單方面增加金屬板厚對(duì)屏蔽效能的提升并不明顯，同時(shí)需注意板厚的增加對(duì)諧振頻率的影響。

3）為提升屏蔽效能，通過(guò)改變孔縫結(jié)構(gòu)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不失為一種較好的選擇，在相同縫隙面積的前提下，盡量設(shè)置圓形孔陣，并增加開(kāi)孔數(shù)量，可以顯著提升屏蔽效能。

4）為提升屏蔽效能，亦可采取雙層屏蔽的方式，在箱體內(nèi)設(shè)置屏蔽分倉(cāng)，將干擾源與敏感源隔離，可極大提高產(chǎn)品的電磁兼容性，但設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注諧振頻率的變化。

5）由于實(shí)際設(shè)計(jì)中柜體上不可避免的縫隙較多，通過(guò)柜體提升屏蔽效能并不特別顯著，因此對(duì)于進(jìn)出線纜及柜體縫隙較多的系統(tǒng)，慎重使用機(jī)柜級(jí)屏蔽方案。