基于有限元法的孔縫結構矩形腔屏蔽效能數值仿真

黃年龍，吳明贊，李 竹

(南京理工大學自動化學院，南京210094)

隨著電子技術的快速發展，復雜的電磁環境使得電磁干擾變得越來越嚴重［1］。微弱信號檢測電路中的任何導體都會像天線一樣拾取電磁輻射噪聲，電路中的有用信號越微弱，相對而言電磁輻射噪聲的影響就越嚴重［2］。研究屏蔽效能的理論方法有時域有限差分法［3］、傳輸線矩陣法［4］、矩量法［5］和有限元法［6-7］等。本文從電磁屏蔽抑制干擾噪聲的角度分析具有孔縫結構的屏蔽體的屏蔽效能。使用有限元法對具有孔縫結構的屏蔽體進行建模，并對孔縫的尺寸、形狀對屏蔽效能的影響以及屏蔽腔內不同位置處的屏蔽效能進行仿真研究。

1 屏蔽效能

屏蔽是指用導電或導磁材料或既導電又導磁的材料制成屏蔽體，將電磁能量限制在一定的空間范圍內從而抑制輻射干擾的一種方法［8］。通常對強電磁干擾源進行屏蔽以抑制其電磁泄漏，同時使用屏蔽措施對比較敏感的電子、電氣設備進行屏蔽保護以避免外部電磁干擾進入設備內部。通過對電子設備進行電磁屏蔽能有效解決電磁干擾問題，但經常要考慮通風、散熱以及屏蔽設備的制造工藝和安裝等因素，這些因素會在屏蔽設備上會留下孔縫，使得屏蔽效果大為降低。

屏蔽體的屏蔽效果可以用屏蔽效能Es表示，屏蔽效能是指加屏蔽措施以后某一點的場強Ei和Hi與同一點未加屏蔽時的場強Et和Ht之比。當以分貝為單位時，對電場Es=20lg(Ei/Et)，對磁場Es=20lg(Hi/Ht)。采用屏蔽效能計算屏蔽效果的好處是可以對多層屏蔽體的屏蔽效能進行簡單相加得到總的屏蔽效能。圖1為電磁波通過屏蔽體的示意圖。

圖1 電磁波通過屏蔽體示意圖

2 Ansoft HFSS中屏蔽效能仿真

2.1 建立仿真模型

Ansoft HFSS采用有限元法求解電磁場問題，主要用于微波器件和微波天線的設計中，也可用于屏蔽室或機箱的屏蔽效能和諧振特性的仿真等。本文使用Ansoft HFSS對微弱信號檢測電路的屏蔽腔體進行屏蔽效能仿真。圖2為Ansoft HFSS中建立含孔縫結構的屏蔽體模型，金屬屏蔽體的尺寸為20 cm×20 cm×12 cm，屏蔽材料為厚度為0.05 cm的理想導體，內置PCB板的尺寸為12 cm×6 cm，厚度為0.2 cm。在屏蔽體的正前方開一矩形孔縫，孔縫尺寸為10 cm×1 cm。

圖2 Ansoft HFSS中屏蔽體的仿真模型

2.2 孔縫尺寸對屏蔽效能的影響

在Ansoft HFSS中設置孔縫寬度為1 cm，長度分別為8 cm、10 cm和12 cm，取屏蔽腔體的中心位置觀察屏蔽效能值。圖3為孔縫長度變化時的屏蔽效能曲線。從屏蔽效能曲線可以看出隨著孔縫長度的增加，屏蔽效能值逐漸下降。長度增加4 cm，在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內，屏蔽效能值下降了10dB～25 dB。屏蔽腔體在1.05 GHz附近發生共振現象，此時屏蔽體的屏蔽效能為負值，屏蔽效能急劇惡化，所以應盡量避免電子設備工作在此頻率附近。圖4為孔縫長度為10 cm時，寬度分別為1 cm、2 cm和3 cm情況下在屏蔽腔體的中心位置觀察到的屏蔽效能曲線。從圖中可以看出隨著孔縫寬度的增加，屏蔽效能值逐漸下降，寬度增加 2 cm，在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內，屏蔽效能值下降了5 dB～10 dB。所以在設計屏蔽體時，在機箱加蓋處理的地方可以用金屬物料對長縫隙進行填塞處理，阻斷長縫隙以提高屏蔽效能。

圖3 孔縫長度變化對屏蔽效能的影響

圖4 孔縫寬度變化對屏蔽效能的影響

圖5 P1、P2、P33 點位置示意圖

2.3 腔內不同位置處的屏蔽效能

在Ansoft HFSS中對腔體內不同位置處的屏蔽效能進行仿真研究。設置孔縫寬度為1 cm，長度為10 cm，取Z軸上到孔縫距離分別為2 cm、8 cm和14 cm的P1、P2、P33點進行屏蔽效能仿真。圖5為P1、P2、P33點到孔縫之間距離示意圖。圖6為P1、P2、P33點的屏蔽效能曲線。從仿真曲線可以看出，到孔縫距離越近，屏蔽效能值越小，屏蔽效果越差。到孔縫距離越遠，屏蔽效能值越大，屏蔽效果越好。所以微弱信號檢測電路以及敏感器件盡量放在遠離孔縫的位置。

圖6 腔內不同位置處的屏蔽效能曲線

2.4 孔縫形狀對屏蔽效能的影響

屏蔽體在設計時需要考慮到通風、散熱等因素，所以需要在屏蔽體上開孔縫。在Ansoft HFSS中研究孔縫面積相同的情況下，形狀分別為10 cm×1 cm的矩形縫隙、1 cm×1 cm的10個方孔、單個面積為1 cm2的10個圓孔和單個面積為0.25 cm2的40個小圓孔的不同情形下的屏蔽效能。圖7為總面積相同，不同形狀孔洞的示意圖。圖8為Ansoft HFSS中建立的含多排小孔屏蔽體模型。

圖7 總面積相同，不同形狀孔洞的示意圖

圖8 屏蔽體含多排小孔模型圖

圖9為單個面積1 cm×1 cm的10個方孔，方孔間距d分別為0.25 cm、0.5 cm和0.75 cm時的屏蔽效能曲線。比較圖3中形狀為10 cm×1 cm的矩形縫隙的屏蔽效能曲線，可以看出，將長的矩形縫隙分成十個間距為0.25 cm的方孔時，在頻率為0.1 GHz～0.8 GHz范圍內，屏蔽效能值提高了8 dB～13 dB。在頻率為0.8 GHz～1 GHz范圍內，屏蔽效能值提高了20 dB以上。從圖9的屏蔽效能曲線可以看出，隨著方孔間距的增大，屏蔽效能值逐漸下降。通過進一步仿真顯示，將面積為1 cm2的圓孔代替方孔時，屏蔽效能會得到進一步的提高。所以將多個圓孔代替面積相同的矩形縫隙可以使得屏蔽效能得到顯著提高，且圓孔之間的間距不應過大，隨著間距的增大，屏蔽效能會下降。

圖9 方孔間距不同時的屏蔽效能曲線

圖10為單個面積為0.25 cm2的40個小圓孔，間距d分別為0.05 cm、0.1 cm和0.15 cm時的屏蔽效能曲線。從屏蔽效能曲線可以看出，采用多排小圓孔以后，屏蔽體的屏蔽效能較之前有很大的提高。表1列出了以上幾種情形的屏蔽效能數據。多排小孔情形下間距d為0.15 cm時的屏蔽效能值與方孔距離d為0.25 cm時相比較，在0.1GHz～1GHz頻率范圍內屏蔽效能提高了10 dB。較之前采用矩形縫隙屏蔽效能在0.1 GHz～0.8 GHz頻率范圍內提高了20 dB以上，在0.8 GHz～1 GHz范圍內提高了35 dB。通過仿真得到在孔縫面積相等的情況下，采用多排小圓孔并且合理選取圓孔的間距可以顯著提高屏蔽體的屏蔽效能。

圖10 圓孔間距不同時的屏蔽效能曲線

表1 總面積相同，不同形狀孔縫的屏蔽效能

3 結束語

本文通過對含孔縫結構的矩形屏蔽腔體進行屏蔽效能仿真，得到屏蔽體內不同位置處的屏蔽效能以及孔縫的尺寸、形狀對屏蔽效能影響的規律。根據屏蔽效能仿真結果，提出增強屏蔽效能的相應措施，這些措施可以使得在產品設計的早期發現電磁兼容問題，并且可以低成本地對設計進行調整和修改。通過仿真得到的結論有利于微弱信號檢測電路和設備的合理布局，提高微弱信號檢測設備的抗電磁干擾能力。本文的不足之處是沒有考慮內置PCB板產生的電磁輻射對微弱信號檢測電路的影響，這部分還需要進一步進行深入分析。

［1］汪柳平，高攸綱.有孔矩形腔的屏蔽效能及其對諧振抑制研究［J］.電波科學學報，2008，23(3):560-564.

［2］王衛勛.微電流檢測方法的研究［D］.西安:西安理工大學機械與精密儀器工程學院，2007.

［3］焦超群，李琳，崔翔.計算含窗薄壁腔體屏蔽效能的時域有限差分法［J］.電波科學學報，2005，20(5):619-621.

［4］毛湘宇，杜平安，聶寶林.基于TLM的機箱孔縫電磁屏蔽效能數值分析［J］.系統仿真學報，2009，21(23):7493-7497.

［5］吳剛，張新剛，劉波.有孔矩形金屬腔體屏蔽效能的估算［J］.強激光與粒子束，2011，23(3):743-747.

［6］安靜，武俊峰，吳一輝.孔縫對內置電路板殼體屏蔽效能的影響［J］.微波學報，2011，27(2):34-37.

［7］石崢，杜平安.孔陣結構近場屏蔽特性有限元數值仿真［J］.電子學報，2009，37(3):634-639.

［8］白旭東.Ansoft HFSS在電磁屏蔽設計中的應用［J］.無線電工程，2011，41(8):41-43.