內置金屬板機箱屏蔽效能研究

郭華棟

（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

內置金屬板機箱屏蔽效能研究

郭華棟

（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

未來高技術戰爭在電磁空間的爭奪非常激烈，武器系統和設備將會受到電磁輻射的干擾或破壞，屏蔽機箱是保護電子設備不受外來電磁干擾的一種有效方法。研究了機箱內部放置金屬板不同尺寸大小和不同安裝位置對屏蔽效能的影響，對導體機箱的電磁兼容設計具有參考意義。

屏蔽效能；電磁兼容；屏蔽機箱

未來高技術戰爭在電磁空間的爭奪非常激烈，武器系統和設備將會受到電磁輻射的干擾或破壞，電子設備的電磁兼容設計成為越來越重要的一個方面，直接影響到武器系統的整體性能。

屏蔽機箱是保護電子設備不受外來電磁干擾的一種有效方法，盡管完整的屏蔽殼體屏蔽效能很高，但是為了通風、散熱以及導線接口需要，屏蔽腔體上不可避免地存在著孔縫，破壞了屏蔽的完整性，使得屏蔽效能嚴重下降。在實際工程應用中，導體機箱內部經常放置PCB板或其他金屬板將機箱分成隔間，這些會影響機箱屏蔽效能。筆者在有孔、縫的機箱內部放置一塊金屬板來模擬PCB板或其他導體板，仿真分析內置金屬板的不同尺寸、不同位置對機箱屏蔽效能的影響。

1 屏蔽原理

電磁屏蔽是采用低電阻的導體材料或低磁阻的導磁材料形成封閉面，將內外兩側空間進行電磁性隔離，當電磁場穿越屏蔽體時，由于介質材料的反射和消耗，造成電磁能量的衰減，從而起到屏蔽作用。

機箱屏蔽性能的好壞一般用屏蔽效能（SE）來衡量。屏蔽效能的定義是：對于給定外來源進行屏蔽時，在某一點上屏蔽體安放前后的電場強度或磁場強度之比值，即

由于屏蔽效能數值范圍很寬，用倍數表達不方便，因此在工程上，屏蔽效能一般用分貝（dB）表示，計算公式見式（2）。

機箱作為一個金屬諧振腔，在諧振頻點（f0）附近，機箱屏蔽效能會嚴重下降，矩形諧振腔諧振頻點的計算公式見式（3）。

內置金屬隔板、孔縫會對機箱結構進行改變，導致諧振頻點發生變化，在機箱電磁兼容設計時必須充分考慮。

對于孔、縫對導體機箱屏蔽效能的影響，可以采用的數值算法有矩量法（MOM）、傳輸線矩陣法（TLM）和時域有限差分法（FDTD）等。筆者采用TLM法來對導體機箱內部加入金屬板后的屏蔽效能仿真模擬。TLM法是一種時域求解麥克斯韋方程的方法，將求解空間劃分成傳輸線的網格單元，單元之間以節點相連，采用沖擊脈沖函數作為激勵，只要一次求解就可以得到整個系統在整個求解空間響應，通過傅里葉變化可以得到整個頻域的響應曲線，非常適合導體機箱的屏蔽效能仿真分析，可以避免頻域算法由于掃頻帶來的誤差。

2 仿真模型

人們對于孔縫的形狀、大小和方向等對機箱屏蔽效能影響研究開展較多，在此基礎上，筆者對機箱內部仿真金屬隔板對屏蔽效能的影響進行研究分析。采用基于傳輸線矩陣法（TLM）的仿真分析軟件FLO／EMC軟件對內置金屬隔板機箱屏蔽效能進行仿真建模分析。仿真模型尺寸為300 mm×300 mm×120 mm的一個矩形導體機箱，機箱內部放置不同尺寸的理想導體板模擬PCB板或其他金屬隔板，機箱側壁有一個100 mm×10 mm的孔縫，平面波沖－X方向入射，求解頻率范圍設定為200～1 000 MHz。在該仿真模型中，測點位于機箱中心位置，屏蔽效能（SE）通過比較機箱內部測點在有、無機箱2種情況下的場強值得到。仿真模型如圖1所示。

3 仿真結果與分析

3.1 不同大小金屬板對屏蔽效能的影響

對于無金屬板的開孔導體機箱的屏蔽效能曲線如圖2實線所示。由圖2可知，機箱在700 MHz頻率附近屏蔽效能為負值，原因為此時殼體發生諧振。對于TE型波振蕩，最低諧振頻率為TE101模（即m＝1，n＝0，p＝1），利用式（3）可以計算出該模型的主模諧振頻點f0（101）＝707 MHz，與仿真結果一致。

導體機箱內部同一位置放置一塊平行于YZ平面的金屬板，金屬板大小分別為100 mm×250 mm，100 mm×200 mm，100 mm×150 mm和50 mm×50 mm，計算觀測點的屏蔽效能，仿真結果如圖2所示。

圖2 內置不同尺寸的金屬板的機箱屏蔽效能曲線

圖1 內置金屬板機箱仿真模型

由圖2的曲線分析可知，加入導體金屬板后，箱體的諧振頻率從700 MHz下降到540 MHz左右，并在910 MHz附近出現高次模諧振，在機箱設計時一定要注意金屬隔板的放置導致機箱諧振頻點的改變，從而使機箱屏蔽效能在諧振點附近急劇下降，影響電子設備電磁兼容性能。圖2中的細實線為50 mm×50 mm的金屬板，可以看出當金屬板相對較小時，箱體的諧振頻點改變很小，對箱體屏蔽效能的影響幾乎可以忽略。

3.2 內置金屬板位置對屏蔽效能的影響

對于同樣大小的金屬板，由于放置位置的不同，會對箱體的屏蔽效能產生不同的影響。在導體機箱內部放置一塊大小100 mm×200 mm的金屬板，平行于YZ平面，導體板距有縫隙的機箱側面的距離為150，100，50 mm，屏蔽效能的仿真曲線如圖3所示。

圖3 內置不同位置金屬板的機箱屏蔽效能曲線

從圖3中可以看到隨著金屬板逐漸靠近機箱的中心位置，箱體的諧振頻點逐漸降低，同時在1 GHz以下也出現了高次模的諧振頻點。分析圖中曲線，在400 MHz頻率以下時，加入金屬板后，機箱的屏蔽效能有所提高，金屬板越靠近觀測點，屏蔽效能提高越明顯，在200 MHz附近達到10 dB左右。機箱內部加入金屬板后，機箱的屏蔽效能在諧振頻點以下部分略有提高，由于諧振頻點的改變，在部分頻段對機箱屏蔽效能略有提高。

3.3 不同測試點處的屏蔽效能

對箱體內部，取不同的測試點，獲得的屏蔽效能曲線是有差距的。在箱體中間安置一塊平行于YZ平面的100 mm×200 mm大小的金屬板，觀測點分別為（100，60，150）和（200，60，150）處仿真得到的屏蔽效能曲線如圖4所示。在導體機箱的孔縫附近，由于耦合關系箱體的屏蔽效能要低于其他部位的測試結果。

圖4 不同觀測點處的屏蔽效能曲線

4 結 語

在對孔、縫對機箱屏蔽效能研究的基礎上，在機箱內部加入理想導體板，模擬機箱內部內置PCB板或金屬板，通過建模仿真手動分析導體機箱屏蔽效能的變化情況。內置金屬板導致機箱諧振頻點下降，影響機箱屏蔽效能指標發生變化，內置金屬板的大小與放置位置對屏蔽效能有很大影，通過合理內置金屬板，在部分頻段內可改善機箱屏蔽效能。

在電子設備機箱電磁兼容設計時，考慮孔、縫對屏蔽效能影響的同時，必須考慮內部金屬板對機箱屏蔽效能的影響，避免出現內置金屬板而導致機箱屏蔽效能不達標的情況。利用仿真分析的手段可以提前對機箱屏蔽效能進行分析并改善，提高電子產品電磁兼容性能，有效降低產品研發成本、縮短研發周期。

［1］ 周佩白.電磁兼容問題的計算機模擬與仿真技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 何 鳴，劉光斌.孔縫對導彈電子設備機箱電磁屏蔽效能的影響［J］.宇航學報，2006，27（2）：47-52.

［3］ TRENKA V，SCARAMUZZA R.Modelling of arbitray solt structures using transmission line matrix（TLM）method［A］.Proc of the 14th Intern Zurich Symp on EMC 2001［C］.［S.l.］：［s.n.］，2001.784-792.

TM27

A

1008-1542（2011）07-0160-04

2011-06-20；責任編輯:張士瑩

郭華棟（1984-），男，山西平定人，碩士，主要從事航天系統電磁兼容設計、仿真與試驗驗證方面的工作。