孔隙結構金屬板電磁屏蔽效能的實驗研究

張春陽，田小建，王靈敏，蒲 鑫

（吉林大學 電子科學與工程學院，吉林 長春 130012）

近年來各種通信及移動終端設備飛速發展，引領著我們走進電子信息時代。然而，電子系統和通信設備工作時所輻射的電磁波，讓人類在盡享信息技術便利于快捷的同時也不得不面對日益惡化的電磁環境。無處不在的電磁輻射、如影隨行的電磁干擾不僅影響電子系統的正常工作，制約高新技術的更新和發展，也威脅著我們的身體健康。如何將電磁波控制在一個固定的空間內，降低電磁干擾，實現電磁兼容，已經成為科研人員急需解決的難題。

電磁屏蔽是抑制電磁干擾的最有效方法，工程中常用良導體金屬板作為電子系統的機箱。良導體金屬板可以有效地防止電子系統內部的電磁泄漏，同時也可以降低外界對系統內部的電磁干擾，是一種有效的電磁屏蔽材料。最理想的電磁屏蔽材料應該是表面無孔的完整結構金屬板，但實際應用過程中，沒有通風散熱性能的電磁屏蔽材料是不具備使用價值的，金屬板表面預留出相應形狀和數量的孔隙是必要且必須的。文中利用Ansoft HFSS仿真軟件對含有不同類型孔隙的金屬板進行多層次分析與實驗，提出提升金屬板電磁屏蔽效能的解決方案[1]。

1 非完整屏蔽體的電磁泄漏

非完整屏蔽體的電磁泄漏主要表現在孔隙對電磁波的磁泄露上。設為通過孔隙泄露到屏蔽體內部的磁場強度，為總的磁場強度，為屏蔽材料縫隙的寬度，t為縫隙的深度，衰減后的電磁屏蔽效能為。

則磁泄漏量如式（1）和式（2）所示：

由此可見，屏蔽體表面出現孔隙后，表面完整性遭到破壞，造成大量的磁泄露?？p隙深度越深，開口尺寸越大，磁泄露量越大。

現實情況中，孔隙的形狀和尺寸往往更加復雜，不同形狀孔隙的磁泄露計算方法也不同[2]。對于圓形孔隙和和方形孔隙來說，磁泄露公式如式（3）和式（4）所示：

A是屏蔽板截面積，S為每個孔洞的面積。

若孔隙的個數為N，那么磁泄露公式為：

對于矩形孔隙來說，設矩形孔隙的面積為S1，泄露磁場相同情況下圓形孔隙或正方形孔隙的面積為S，那么S=KS1。

2 矩形波導測試法

矩形波導測試法[5]是建立在Ansoft HFSS軟件基礎上的計算機仿真實驗方法，可以準確的模擬實物測量，提供有參考價值的實驗數據，有效的降低實驗成本，縮短實驗周期。矩形波導作為電磁波傳播的通道，在沒有遮擋物的情況下，電磁波可以從波導的一個端口傳播的到另一個端口[6]。文中如無特殊說明，實驗所采用的波導均為BJ14型號矩形波導，求解頻率均為 1．13～1．73 GHz。

在HFSS軟件中建立一個國際標準型號BJ14型空波導，端口wave 1和端口wave 2設為波端口激勵。

圖1和圖2分別是空波導的模型，以及傳輸系數S21的曲線圖。

圖3是內含鋁板的波導模型，圖4是仿真后傳輸系數S21曲線圖。

圖1 空波導仿真Fig．1 Simulation of rectangular waveguide

圖2 S21曲線圖Fig．2 Curve of S21

圖3 內含鋁板模型Fig．3 Model containing aluminum plate

圖4 含鋁板波導S21曲線圖Fig．4 S21curve of waveguide with a aluminum plate

上述實驗顯示，內部沒有遮擋物S21的空波導，傳輸系數的值幾乎維持在0 dB左右，說明從端口wave1發射的電磁波幾乎全部傳播到了端口wave2。在波導內部插入一塊良導體鋁板后，S21值大幅度下降。這是由于金屬鋁板良好的電磁屏蔽性能，將大部分電磁波反射回波端口1，從而使波導的傳輸系數降低。通過上述實驗方法，可以將含有不同特征孔隙的金屬板插入矩形波導內部，分析傳輸系數S21和電磁屏蔽效能SE的變化趨勢，探究孔隙特征對于金屬板電磁屏蔽效能的影響。

3 孔隙特性對比實驗

文中的實驗部分主要是在矩形波導測試方法的基礎上，研究不同特征孔隙對于金屬板電磁屏蔽效能的影響。實驗采用長度 a=165．1 mm，寬度 b=82．55 mm 的鋁質金屬板，每組對比試驗中保持孔隙其它特征不變，改變其中一個特征，從而探究這一特征對于金屬板電磁屏蔽效能的影響。

3.1 孔隙形狀對金屬板屏蔽效能的影響

分別在BJ14型矩形波導中，構建四塊長寬尺寸相同，厚度c=1 mm的鋁質金屬板，且鋁板上分別含有相等數量、面積為3 mm2的圓形、正六邊形、正方形和長方形孔隙。通過計算機仿真，分別得到含有4種不同形狀孔隙金屬鋁板的傳輸系數曲線和屏蔽效能曲線如圖5、圖6所示。

實驗結果顯示，在孔隙面密度相同、單個孔隙面積相等情況下，孔隙形狀對于傳輸系數和金屬板屏蔽效能有很大影響。從傳輸系數方面分析，圓形孔隙鋁板電磁波的傳輸系數最小值達到－106 dB，長方形孔隙鋁板傳輸系數最小值僅為－94 dB，說明從圓形孔隙金屬板透射而過的電磁波遠遠少于從長方形孔隙透射果的電磁波。從屏蔽效能角度分析，含有圓形孔隙的鋁板屏蔽效果最好，屏蔽效能最高可達106 dB，正六邊形和正方形孔隙鋁板屏蔽效能最高分別可達105 dB和104 dB，含有長方形孔隙的鋁板的屏蔽能力最差，屏蔽效能最大值僅為95 dB。由此可以推斷，在屏蔽體或屏蔽材料的設計過程中，應該盡量避免長條形孔隙，多選用圓形孔隙可以在保持通風散熱效果的同時，相對提高屏蔽材料的屏蔽效能。

圖5 S21曲線Fig.5 The curve of S21

圖6 屏蔽效能曲線Fig.6 The curve of shielding effectiveness

3.2 孔隙開口尺寸對于金屬板屏蔽效能的影響

分別在BJ14型矩形波導中構建三塊長寬尺寸相同，厚度c=1 mm的，含有相等數量圓形孔隙的鋁質金屬板。三塊鋁板上所包含的圓形孔隙的半徑分別為0.5 mm、0.7 mm和1 mm。通過計算機仿真得到三塊鋁板傳輸系數曲線和屏蔽效能曲線如圖7、圖8所示。

圖7 屏蔽效能曲線Fig.7 The curve of shielding effectiveness

圖8 S21曲線Fig.8 The curve of S21

實驗結果顯示，同一頻率點，孔隙形狀相同、含孔隙面密度相同的情況下，孔隙開口尺寸R=0.5 mm的鋁質金屬板傳輸系數最低，電磁屏蔽效能最高；而孔隙開口尺寸R=1.0 mm的鋁質金屬板，傳輸系數最高，電磁屏蔽效能最低。這說明，隨著開口尺寸的變大，傳輸系數S21成增長趨勢，而電磁屏蔽效能反而成下降趨。勢。從理論上分析，屏蔽效能SE=20lg（H0/Hp）=-20lg（Hp/H0）=27.274 t/g，其中 g 為開口尺寸，從而可以看出孔隙開口尺寸越大，對電磁波透射的抑制作用越差，從而造成更多的電磁波泄露，影響金屬板的電磁屏蔽性能，導致屏蔽效能降低。

3.3 孔隙深度對于金屬板屏蔽效能的影響

分別在BJ14型矩形波導中構建六塊長寬尺寸相同，不同厚度的鋁質金屬板。鋁板上含有相等數量、相同尺寸的圓形孔隙。六塊金屬板的厚度分別為0.25 mm，0.5 mm，0.75 mm，1.0 mm，1.25 mm，1.5 mm。通過計算機仿真得到六塊鋁板傳輸系數曲線和電磁屏蔽效能曲線如圖9、圖10所示。

圖 9 S21曲線Fig.9 The curve of S21

實驗結果顯示，同一頻率點，孔隙形狀相同，孔隙開口尺寸相等的情況下，縫深為1.5 mm的鋁質金屬板值最低，電磁屏蔽效能最高；而縫深為0.25 mm鋁質金屬板的值最高，電磁屏蔽效能反而最低。這說明，鋁質金屬板厚度越大，孔隙縫深越大，對電磁波的傳輸效果越差，屏蔽效果越好，電磁屏蔽效能越高。從理論上分析，屏蔽效能SE=20lg（H0/Hp）=-20lg（Hp/H0）=27.274 t/g，其中t為孔隙深度，孔隙深度的增加可以增強金屬板對于電磁波的反射吸收能力，從而提升其電磁屏蔽效能。

圖10 屏蔽效能曲線Fig.10 The curve of shielding effectivenes

4 結 論

結合上述大量的對比實驗和理論分析，可以確定，一塊材料確定的、含有孔隙的金屬板，孔隙的形狀、單個孔隙的開口尺寸以及孔隙的深度都是影響金屬板電磁屏蔽效能的重要因素。

在單個孔隙開口尺寸和孔隙深度一定的情況下，圓形孔隙相比于其它類別的孔隙對金屬板電磁屏蔽性能的影響更小。實際應用過程中，應該盡量避免出現長條形縫隙，而多采用相對圓滑的圓形孔隙。

在孔隙形狀和孔隙深度一定的情況下，單個孔隙開口尺寸越小的金屬板電磁屏蔽效果越好，電磁屏蔽效能越高。這主要是由于小的開口尺寸可以保障金屬板更好的導電連續性，抑制電磁波的透射，從而實現更好的電磁屏蔽性能。

在孔隙形狀和單個孔隙開口尺寸一定的情況下，孔隙深度稍大的金屬板電磁屏蔽效能相對更高。實際工程實踐過程中，合理的增加板材厚度，可以在保持通風散熱性能的同時，提高材料的電磁屏蔽效能。

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[2]段玉平，劉順華.縫隙對金屬網屏蔽性能的影響[J].安全與電磁兼容，2004，4（2）:46-48.DUAN Yu-ping，LIU Shun-hua.Electromagnetic shielding effectiveness analysis of mental wire mach with slit[J].Shielding Technology&Shielding Material，2004，4（2）:46-48.

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