帶有接地板的PCB對(duì)矩形腔屏蔽效能影響

陳少昌， 姚麗萍， 范 越

(1．海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 440033; 2．中國(guó)民用航空西北管理局空中交管局，陜西 西安 710077)

0 引 言

目前，對(duì)于裝有印刷電路板(PCB)屏蔽腔體屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)和諧振頻率的研究工作較多，Thomas等[1-2]采用傳輸線法建立了金屬板或等效PCB的模型，其思想是把無接地板的PCB等效為電導(dǎo)率不為0的有耗介質(zhì)，并進(jìn)行了測(cè)試工作。汪柳平等[3-6]采用類似等效有耗介質(zhì)對(duì)無接地板PCB的影響作用展開了深入的研究。Wallyn等[7]將PCB用金屬薄板代替；范穎鵬等[8-9]則采用了介質(zhì)電導(dǎo)率為0類似微帶線的結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究表明：PCB用有耗介質(zhì)代替時(shí)對(duì)腔體的屏蔽效能有一定的改善作用，而金屬板對(duì)諧振頻率的影響較大。考慮到高頻率的電路往往要求有良好的接地，廣泛應(yīng)用的多層板也含有接地層，接地板的存在改變了內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布，而介質(zhì)和元器件對(duì)電磁能量也具有一定的損耗作用。本文在分析和總結(jié)現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，建立帶有接地板和有耗介質(zhì)的等效模型，使用有限元電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS，研究帶接地板的PCB對(duì)矩形腔體屏蔽效能的影響。

1 物理模型的建立與分析

分析屏蔽問題時(shí)，PCB的模型主要有：①帶有金屬接地板的模型，包括類似微帶線的結(jié)構(gòu)[8-9](見圖1)和只有金屬板的模型[2,7]，其中介質(zhì)電導(dǎo)率為0；②不含金屬板的模型[1-6]，將沒有接地板的PCB等效為電導(dǎo)率不為0的有耗介質(zhì)(見圖2)。

圖1 PCB模型①圖2 PCB模型②

下面仿真分析這兩類模型對(duì)屏蔽效能和諧振頻率的影響效果，模型如圖3所示[1,2]。圖中：腔體尺寸30 cm×12 cm×30 cm，壁厚為1 mm的理想導(dǎo)體壁，在腔體外面加一外形尺寸為60 cm×42 cm×60 cm的長(zhǎng)方體,作為輻射邊界條件[10-14]。PCB底面中心在坐標(biāo)原點(diǎn)，縫隙長(zhǎng)16 cm，寬2 cm。PCB長(zhǎng)10 cm，寬8 cm，介質(zhì)厚0.4 cm。模型①中相對(duì)介電常數(shù)εr=3.55，電導(dǎo)率σ=0，銅質(zhì)導(dǎo)線長(zhǎng)8 cm，寬0.5 cm，厚0.05 cm，銅質(zhì)接地板厚0.02 cm。模型②中相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65，電導(dǎo)率σ=0.22 S/m[1]。

圖3 屏蔽腔模型

平面波沿Z軸負(fù)方向傳播：

兩種模型屏蔽效能及諧振頻率仿真結(jié)果如圖4、5所示。從圖4可以看出，與空腔相比，采用模型①時(shí)對(duì)屏蔽效能的影響不大，主要是諧振頻率向低頻方向移動(dòng)了約100 MHz，而采用模型②時(shí)對(duì)主諧振頻率附近屏蔽效能的改善作用明顯，但對(duì)主諧振頻率本身的影響較小。分析圖5也可以得出同樣的結(jié)論。

圖4 觀察點(diǎn)(0,0,10)處的屏蔽效能

PCB是包含金屬板、導(dǎo)線和介質(zhì)的綜合體，分析可知金屬板主要影響腔體的諧振頻率，有耗介質(zhì)則對(duì)電磁波功率起到了消耗作用。目前綜合考慮這兩種因素的研究工作很少，因此有必要建立帶有金屬板和有耗等效介質(zhì)的模型[2](見圖6)進(jìn)行分析研究。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論，設(shè)等效介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65，電導(dǎo)率σ=0.22 S/m[1]。

圖5 觀察點(diǎn)(0,0,-10)處的屏蔽效能

圖6 PCB模型

仿真中PCB位置不變，長(zhǎng)10 cm，寬8 cm，等效介質(zhì)厚0.4 cm，接地板厚0.02 cm。計(jì)算屏蔽腔中點(diǎn)(0,0,10)和(0,0,-10)處的屏蔽效能。

從圖7與圖4、5的對(duì)比中可以看到，在觀察點(diǎn)(0,0,10)處，PCB采用模型①時(shí)腔體主諧振頻率約為585 MHz，該頻率處的屏蔽效能約為-24 dB；采用模型②時(shí)腔體主諧振頻率約為670 MHz，該頻率處的屏蔽效能約為-9 dB。而采用帶接地板和有耗介質(zhì)等效模型時(shí)腔體主諧振頻率約為580 MHz，該頻率處的屏蔽效能約為-10 dB。分析觀察點(diǎn)(0,0,-10)也可以得出相同的結(jié)論。可見本文采用的模型兼顧了PCB對(duì)屏蔽效能和諧振頻率的影響。此外，通過與空腔比較，屏蔽效能的改善作用主要表現(xiàn)在場(chǎng)強(qiáng)較大的諧振頻率附近，在其他頻段則不太明顯。

圖7 不同觀察點(diǎn)的屏蔽效能

2 裝有PCB矩形腔屏蔽效能分析

矩形腔模型如圖3所示，PCB模型如圖6所示，下面分析不同面積、厚度和處于不同位置的PCB對(duì)腔體屏蔽效能和諧振頻率的影響。

2.1 面積不同時(shí)的仿真結(jié)果

改變PCB面積，仿真計(jì)算點(diǎn)(0,0,-10)處的屏蔽效能。從圖8可以看出,PCB越大，對(duì)屏蔽效能的改善作用越明顯，而主諧振頻率向低頻方向移動(dòng)也越多。

圖8 PCB面積不同時(shí)的屏蔽效能

2.2 厚度不同時(shí)的仿真結(jié)果

改變PCB厚度，分析腔體中觀察點(diǎn)(0,0,10)和觀察點(diǎn)(0,0,-10)處的屏蔽效能。從圖9、10可以看出，板越厚，在諧振頻率附近屏蔽效能的改善作用越明顯，而主諧振頻率向低頻方向移動(dòng)也越多。

圖9 觀察點(diǎn)(0,0,-10)處的屏蔽效能

圖10 觀察點(diǎn)(0,0,10)處的屏蔽效能

2.3 位置不同時(shí)的仿真結(jié)果

PCB長(zhǎng)10 cm，寬8 cm，厚1 cm，改變其在腔體中的位置，如圖11所示，仿真分析PCB位置不同時(shí)點(diǎn)(0,0,10)處的屏蔽效能。其中PCB在位置a時(shí)底面中心為(0,0,0)，在位置b時(shí)為(0,0,-9)，在位置c時(shí)為(-12,0,0)。從圖12可以看出，當(dāng)PCB放置在屏蔽腔中心區(qū)域時(shí)，對(duì)屏蔽效能及主諧振頻率影響較大，靠近腔壁(縫隙所在處除外)時(shí)對(duì)兩者的影響有所減弱。

圖11 放置PCB的屏蔽腔模型

圖12 PCB位置不同時(shí)的屏蔽效能

3 結(jié) 語(yǔ)

在分析不同PCB模型對(duì)矩形腔屏蔽效能和諧振頻率影響效果的基礎(chǔ)上,采用帶有金屬接地板和有耗介質(zhì)層的等效模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析。結(jié)果表明：模型較好地兼顧了PCB對(duì)電磁波的損耗和腔體諧振頻率的擾動(dòng)[15]。放置PCB后，腔體的主諧振頻率顯著降低，屏蔽效能在該頻率附近有較大的提高，而且板面積越大、越厚、越靠近腔體中心，主諧振頻率偏移越多，屏蔽效能提高越明顯。當(dāng)然，內(nèi)部電路是復(fù)雜的，多層板的結(jié)構(gòu)也具有新的特點(diǎn)，PCB對(duì)腔體屏蔽效能和諧振頻率的影響還有待進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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