李光旭，湯 詠

（1.成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，成都610225；2.合肥中科環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室有限公司，合肥230031）

地基DOAS 設(shè)備是合肥中科環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室有限公司最新研發(fā)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先的污染氣體監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。其具有監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。為適應(yīng)室外負(fù)責(zé)的監(jiān)測(cè)條件，排除周圍電磁干擾，要求設(shè)備具有較高電磁屏蔽功能[1]。

目前，電磁屏蔽領(lǐng)域的研究已經(jīng)從基礎(chǔ)理論研究發(fā)展到了預(yù)測(cè)和實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]一方面，總結(jié)了預(yù)防電磁干擾的材料，描述了屏蔽金屬、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電復(fù)合材料對(duì)控制電磁干擾的效果，為本文選材提供了指導(dǎo)方向；另一方面，又分析了4 種測(cè)試電磁屏蔽效果的方法；文獻(xiàn)[3]對(duì)帶有矩形開(kāi)孔的腔體使用等效傳輸線原理計(jì)算該腔體的屏蔽效能，該理論已經(jīng)擴(kuò)展到解決帶有圓形孔的屏蔽效能問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]更是針對(duì)航空電子產(chǎn)品電磁環(huán)境效應(yīng)提出了模塊化設(shè)計(jì)方法。

隨著文獻(xiàn)[5]中總結(jié)出的電磁數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，有限元法、矩量法、有限積分法、差分法、傳輸線法等方法都被提出并豐富起來(lái)，由此研發(fā)出了各種工程應(yīng)用軟件：ANSYS HFSS 是基于有限元法研發(fā)出的；CTS 是基于有限積分法研發(fā)出來(lái)的，Microwave OfficeADSFEKO 等是基于矩量法研發(fā)出的；文獻(xiàn)[6]應(yīng)用CTS 仿真了在0～1 GHz 下，帶有矩形孔徑的箱體的電磁屏蔽效能；文獻(xiàn)[7]應(yīng)用ANSYS HFSS 分析了孔縫對(duì)箱體的電磁屏蔽影響。以上兩種軟件都展現(xiàn)了強(qiáng)大的電磁場(chǎng)精確仿真能力；文獻(xiàn)[8]展示了HFSS 軟件分析細(xì)節(jié)，文中HFSS以其無(wú)與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，成為三維電磁仿真設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

以上研究都是針對(duì)電磁屏蔽效能的評(píng)估，隨研究的全面，在文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]的研究中，除分析電磁屏蔽效果之外，還重點(diǎn)關(guān)注了電磁諧振現(xiàn)象，對(duì)抑制電磁諧振提出了很多優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[11]結(jié)合HFSS 仿真評(píng)估與優(yōu)化設(shè)備的電磁屏蔽和電磁諧振。HFSS 優(yōu)秀的場(chǎng)后處理功能能為設(shè)計(jì)人員提供豐富的場(chǎng)結(jié)果，整個(gè)空間的場(chǎng)分布情況可以以顏色云圖的方式直觀展現(xiàn)電場(chǎng)/磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱點(diǎn)位。

1 相關(guān)理論

電磁兼容性設(shè)計(jì)要素在于干擾源、干擾路徑和受擾設(shè)備3 方面。為此，提高設(shè)備電磁兼容性的措施必然從這3 方面入手：通過(guò)屏蔽干擾源或降低干擾功率等措施來(lái)限制干擾源主動(dòng)干擾，加大設(shè)備距離等方式切斷干擾路徑，控制設(shè)備孔隙等措施提高設(shè)備受擾閾值。

在實(shí)際工作中，對(duì)受擾設(shè)備而言，屏蔽受擾設(shè)備是控制電磁兼容的重要手段。通常，電子設(shè)備的屏蔽效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是電磁屏蔽效能SE，其定義為指空間某點(diǎn)屏蔽前的電場(chǎng)強(qiáng)度E0、磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和屏蔽后該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)Es，Hs的比值。其電場(chǎng)屏蔽效能：SEe=20lg（E0/Es）；磁場(chǎng)屏蔽效能：SEm=20lg（H0/Hs）。對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，按照QJ3035-1998 標(biāo)準(zhǔn)中電子機(jī)柜電磁屏蔽要求和測(cè)試方法的要求，該設(shè)備內(nèi)部電磁屏蔽效能要求為二類屏蔽：>30～40 dB。

HFSS 作為電磁仿真軟件，其仿真流程如下：

（1）創(chuàng)建設(shè)計(jì)工程，選擇求解類型。在HFSS 中共有3 種模式，分別為模式驅(qū)動(dòng)、終端驅(qū)動(dòng)、本征模求解。本次仿真選用模式驅(qū)動(dòng)求解；

（2）創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型病情指定模型中材料屬性，分配邊界條件和端口激勵(lì)；

（3）求解設(shè)置。設(shè)置求解頻率、收斂誤差、最大迭代次數(shù)等信息。本次仿真是掃頻分析，還需要設(shè)置掃頻方式；

（4）運(yùn)算仿真并對(duì)數(shù)據(jù)做后處理，查看計(jì)算結(jié)果，包括屏蔽效能曲線、電場(chǎng)強(qiáng)度圖等等。

地基DOAS 設(shè)備是基于成像光譜技術(shù)與差分吸收光譜技術(shù)，完成區(qū)域內(nèi)污染物分布的觀測(cè)。其內(nèi)部有高精密光譜儀設(shè)備。光譜儀工作中數(shù)據(jù)量大，信息處理過(guò)程復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)信噪比有較為嚴(yán)格的要求，而電磁兼容特性是影響系統(tǒng)信噪比，進(jìn)而影響光譜復(fù)原準(zhǔn)確度的重要因素之一。因此，針對(duì)地基DOAS 設(shè)備，提高其電磁屏蔽性能是非常有意義的研究。

2 模型簡(jiǎn)化

按照設(shè)備小型化和高電磁屏蔽性要求，該地基DOAS 設(shè)備采用鋁合金5052 材質(zhì)制成，結(jié)構(gòu)分內(nèi)外兩層，外層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為394 mm×394 mm×382 mm；內(nèi)層為異形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為234 mm×250 mm×344 mm；凸起結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為104 mm×144 mm×160 mm。設(shè)備正前方有直徑40 mm 的光路出口貫穿內(nèi)外層兩個(gè)面。仿真中，在模型最外側(cè)建立600 mm 的真空區(qū)間作為仿真邊界條件。本次仿真忽略安裝螺釘帶來(lái)的屏蔽影響。因此，直接建模為BOX 形態(tài)，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model

3 地基DOAS 屏蔽效能分析

為驗(yàn)證該雙層結(jié)構(gòu)的屏蔽能力，在模型中選4個(gè)分布在內(nèi)外殼中的參考點(diǎn)：P1（190，100，300）；P2（150，100，150）；P3（-50，100，50）；P4（-150，100，100），其中P1，P4 在外層與內(nèi)層結(jié)構(gòu)之間，P2，P3 在內(nèi)層結(jié)構(gòu)內(nèi)。

仿真中取離散掃頻范圍為0.2 GHz～2 GHz，步進(jìn)100 MHz，共計(jì)18 個(gè)離散頻率做分析，入射波為500 V/m。為避免假收斂，預(yù)設(shè)置最小Pass 為3，最大delta energy 為0.1，使用HFSS 仿真后的收斂如圖2所示。

圖2 模型仿真收斂Fig.2 Model simulation convergence picture

可見(jiàn)，在循環(huán)計(jì)算11 次后，delta energy<0.1，計(jì)算結(jié)果快速收斂。觀察不同參考點(diǎn)處，材料厚度分別為2 mm，3 mm，4 mm 時(shí)不同的屏蔽效能曲線如圖3～圖6所示。

圖3 P1 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.3 Shielding effectiveness curve at P1

圖4 P2 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.4 Shielding effectiveness curve at P2

圖5 P3 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.5 Shielding effectiveness curve at P3

圖6 P4 點(diǎn)處屏蔽效能曲線Fig.6 Shielding effectiveness curve at P4

可見(jiàn)，各參考點(diǎn)及厚度參數(shù)對(duì)應(yīng)的屏蔽效能均大于40 dB，符合QJ3035-1998 標(biāo)準(zhǔn)要求，其中在小于0.5 GHz 時(shí)候，處于內(nèi)外殼之間的P1 和P4 點(diǎn)都能維持在54 dB；而處于內(nèi)殼的P2 和P3 點(diǎn)在可以在大于0.5 GHz，小于1 GHz 時(shí)候，仍位于54 dB 的較高屏蔽效能指數(shù)?？梢?jiàn)雙層殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部更符合高屏蔽要求，因此核心模塊優(yōu)選安裝在內(nèi)殼中。

再看雙殼體內(nèi)部的P2 和P3 處的屏蔽效能曲線，P2 點(diǎn)附近的電磁屏蔽效能曲線往下波動(dòng)最小，在2 GHz 以內(nèi)的掃頻中，屏蔽效能均在50 dB 以上，因此，P2 點(diǎn)附近的屏蔽效能更好。對(duì)比圖4中不同厚度下的屏蔽效能曲線，其中紅色線條在1 GHz 時(shí)該點(diǎn)屏蔽效能出現(xiàn)明顯下降，而其他顏色線條此現(xiàn)象，因此優(yōu)選其他顏色線條代表的壁厚，考慮整體減重，設(shè)計(jì)中選擇壁厚3 mm 作為結(jié)構(gòu)厚度尺寸。

4 地基DOAS 電磁諧振場(chǎng)強(qiáng)分析

從圖3～圖6中可以看出，部分頻率下，對(duì)應(yīng)位置的電磁屏蔽效能急劇下降，這極有可能是電磁諧振引起的變化，對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)也叫諧振點(diǎn)。極端情況下的電磁諧振會(huì)導(dǎo)致電磁屏蔽效能為負(fù)值，即金屬結(jié)構(gòu)未消除電磁干擾，反而加大了電磁干擾。因此從結(jié)構(gòu)布局需要避開(kāi)電磁諧振。

觀察3 mm 壁厚下，在1.4 GHz 時(shí)，外殼屏蔽效能有突降，因此在HFSS 軟件中仿真1.4 GHz 下內(nèi)外殼中的場(chǎng)強(qiáng)分布情況如圖7和圖8所示。

觀察圖7，外殼體邊角處場(chǎng)強(qiáng)較中間大，可見(jiàn)，考慮電磁諧振的影響，裝配在外殼的電子元器件需要避開(kāi)邊角，盡量安裝在中間區(qū)域；觀察圖8，除底部外，內(nèi)殼體場(chǎng)強(qiáng)較小，且接近均勻分布，因此雙層屏蔽對(duì)外部磁場(chǎng)起到了良好的屏蔽效果，電子設(shè)備可根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)先在內(nèi)殼排布，且盡量遠(yuǎn)離底部。

圖7 外殼場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.7 Field strength distribution of shell

圖8 內(nèi)殼場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.8 Field strength distribution of inner shell

5 結(jié)語(yǔ)

高可靠性的電子產(chǎn)品需要綜合電磁兼容性、加工制造及功能需求來(lái)設(shè)計(jì)，本文從電磁屏蔽和電磁諧振角度為材料厚度的選擇和內(nèi)部元件的布局提供了指導(dǎo)，設(shè)計(jì)的內(nèi)外殼結(jié)構(gòu)符合高電磁兼容性設(shè)計(jì)要求。在后期的工作中可通過(guò)試驗(yàn)的方式對(duì)此結(jié)果做進(jìn)一步驗(yàn)證。