帶有接地板的PCB對矩形腔屏蔽效能影響

陳少昌， 姚麗萍， 范 越

(1．海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 440033; 2．中國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等效為電導率不為0的有耗介質，并進行了測試工作。汪柳平等[3-6]采用類似等效有耗介質對無接地板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]則采用了介質電導率為0類似微帶線的結構。相關研究表明：PCB用有耗介質代替時對腔體的屏蔽效能有一定的改善作用，而金屬板對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，廣泛應用的多層板也含有接地層，接地板的存在改變了內部電磁場的分布，而介質和元器件對電磁能量也具有一定的損耗作用。本文在分析和總結現有模型的基礎上，建立帶有接地板和有耗介質的等效模型，使用有限元電磁場仿真軟件HFSS，研究帶接地板的PCB對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，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構[8-9](見圖1)和只有金屬板的模型[2,7]，其中介質電導率為0；②不含金屬板的模型[1-6]，將沒有接地板的PCB等效為電導率不為0的有耗介質(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的理想導體壁，在腔體外面加一外形尺寸為60 cm×42 cm×60 cm的長方體,作為輻射邊界條件[10-14]。PCB底面中心在坐標原點，縫隙長16 cm，寬2 cm。PCB長10 cm，寬8 cm，介質厚0.4 cm。模型①中相對介電常數εr=3.55，電導率σ=0，銅質導線長8 cm，寬0.5 cm，厚0.05 cm，銅質接地板厚0.02 cm。模型②中相對介電常數εr=2.65，電導率σ=0.22 S/m[1]。

圖3 屏蔽腔模型

平面波沿Z軸負方向傳播：

兩種模型屏蔽效能及諧振頻率仿真結果如圖4、5所示。從圖4可以看出，與空腔相比，采用模型①時對屏蔽效能的影響不大，主要是諧振頻率向低頻方向移動了約100 MHz，而采用模型②時對主諧振頻率附近屏蔽效能的改善作用明顯，但對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論。

圖4 觀察點(0,0,10)處的屏蔽效能

PCB是包含金屬板、導線和介質的綜合體，分析可知金屬板主要影響腔體的諧振頻率，有耗介質則對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的模型[2](見圖6)進行分析研究。根據文獻[1]的結論，設等效介質的相對介電常數εr=2.65，電導率σ=0.22 S/m[1]。

圖5 觀察點(0,0,-10)處的屏蔽效能

圖6 PCB模型

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

從圖7與圖4、5的對比中可以看到，在觀察點(0,0,10)處，PCB采用模型①時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等效模型時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(0,0,-10)也可以得出相同的結論。可見本文采用的模型兼顧了PCB對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在場強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對腔體屏蔽效能和諧振頻率的影響。

2.1 面積不同時的仿真結果

改變PCB面積，仿真計算點(0,0,-10)處的屏蔽效能。從圖8可以看出,PCB越大，對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也越多。

圖8 PCB面積不同時的屏蔽效能

2.2 厚度不同時的仿真結果

改變PCB厚度，分析腔體中觀察點(0,0,10)和觀察點(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也越多。

圖9 觀察點(0,0,-10)處的屏蔽效能

圖10 觀察點(0,0,10)處的屏蔽效能

2.3 位置不同時的仿真結果

PCB長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位置不同時點(0,0,10)處的屏蔽效能。其中PCB在位置a時底面中心為(0,0,0)，在位置b時為(0,0,-9)，在位置c時為(-12,0,0)。從圖12可以看出，當PCB放置在屏蔽腔中心區域時，對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)時對兩者的影響有所減弱。

圖11 放置PCB的屏蔽腔模型

圖12 PCB位置不同時的屏蔽效能

3 結 語

在分析不同PCB模型對矩形腔屏蔽效能和諧振頻率影響效果的基礎上,采用帶有金屬接地板和有耗介質層的等效模型，并進行了仿真計算和分析。結果表明：模型較好地兼顧了PCB對電磁波的損耗和腔體諧振頻率的擾動[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。當然，內部電路是復雜的，多層板的結構也具有新的特點，PCB對腔體屏蔽效能和諧振頻率的影響還有待進一步研究和實驗驗證。

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