一種近場(chǎng)屏蔽的基本模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

丁永平，蘇　醒，黨　麗，郭艷輝

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089)

?

一種近場(chǎng)屏蔽的基本模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

丁永平，蘇醒，黨麗，郭艷輝

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所,北京 100089)

摘要：隨著對(duì)屏蔽理論的深入研究，屏蔽體的基本模型也在不斷地發(fā)展。經(jīng)典的Schelkunoff屏蔽定量測(cè)試方法是根據(jù)傳輸線理論來(lái)定量描述屏蔽效能的一種常用方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，研究者往往對(duì)其對(duì)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽的不同性產(chǎn)生質(zhì)疑。通過(guò)對(duì)屏蔽效能描述方法的分析及對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)偶極子模型的研究和計(jì)算，建立了一種近場(chǎng)屏蔽的基本模型，利用該模型可清晰地描述屏蔽設(shè)備對(duì)外輻射發(fā)射與內(nèi)部干擾源的對(duì)外輻射發(fā)射的依存關(guān)系，得出屏蔽體在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)和電場(chǎng)可進(jìn)行同等衰減，而在近場(chǎng)對(duì)于低頻磁場(chǎng)抑制更加困難的結(jié)論，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了Schelkunoff屏蔽分析方法在遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用的正確性。

關(guān)鍵詞：電磁屏蔽；基本模型；試驗(yàn)驗(yàn)證

1Schelkunoff屏蔽理論

通常來(lái)講，屏蔽效能取決于屏蔽體的反射性損耗和吸收性損耗，屏蔽體的作用和屏蔽傳輸線模型如圖1所示。最經(jīng)典的定量測(cè)試方法是由Schelkunoff提出的[1]，是通過(guò)對(duì)屏蔽體和其周圍環(huán)境介質(zhì)(即圖1所示的自由空間的特性阻抗(ZO、ZSh)和傳播常數(shù)(ΓO、ΓSh))建模，并將傳輸線方程引入到屏蔽分析中。典型的有效屏蔽體通常具有比其周圍環(huán)境介質(zhì)更低的特性阻抗(ZSh)和更大的傳導(dǎo)常數(shù)(ΓS)的實(shí)部，從而對(duì)入射電磁場(chǎng)產(chǎn)生較大的反射性和吸收性損耗，進(jìn)而起到屏蔽的效果。傳輸線模型表明，屏蔽層對(duì)入射的磁場(chǎng)和電場(chǎng)衰減效果是相同的；但是在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，往往會(huì)覺(jué)得屏蔽強(qiáng)磁場(chǎng)干擾源要比屏蔽強(qiáng)電場(chǎng)干擾源困難得多。根據(jù)傳輸線理論，可以描述為屏蔽高阻抗場(chǎng)強(qiáng)比屏蔽低阻抗場(chǎng)強(qiáng)容易，因此對(duì)于研究Schelkunoff的屏蔽定量測(cè)試方法產(chǎn)生了諸多困惑。本文通過(guò)基本理論模型對(duì)其進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1　屏蔽體的作用和屏蔽傳輸線模型

2屏蔽效能的描述方法

屏蔽效能定義為輻射源裸露狀態(tài)的輻射場(chǎng)強(qiáng)與加屏蔽層后的對(duì)外輻射場(chǎng)強(qiáng)的比值，其場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試如圖2所示，其表達(dá)式為：

S(dB)=P1(dBm)-P2(dBm)

式中，P1為輻射源裸露狀態(tài)的輻射場(chǎng)強(qiáng)；P2為加屏蔽層后的對(duì)外輻射場(chǎng)強(qiáng)。

圖2　屏蔽效能測(cè)試示意圖

當(dāng)屏蔽體物理尺寸比輻射源波長(zhǎng)大時(shí)，屏蔽體的場(chǎng)強(qiáng)阻抗為377 Ω(ZF=E/H)，這相較于自由空間將起到效果，屏蔽效能S也會(huì)相應(yīng)變大。當(dāng)屏蔽體物理上小于干擾源波長(zhǎng)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)阻抗相較于自由空間有可能會(huì)小很多，也有可能會(huì)大很多，這完全取決于屏蔽體內(nèi)干擾源自身類型。在文獻(xiàn)[2]中，屏蔽體可被視為輻射天線，并且提出了如下2條重要原則：1)當(dāng)距離大于天線尺寸(即屏蔽體尺寸)2～3倍時(shí)，輻射場(chǎng)可用偶極子源系統(tǒng)來(lái)表示；2)場(chǎng)的本質(zhì)是屏蔽體物理尺寸的一個(gè)函數(shù)，并且也是電磁激勵(lì)的一個(gè)函數(shù)。由第1條原則可知，由已屏蔽的基本電場(chǎng)或磁場(chǎng)偶極子發(fā)射出的場(chǎng)可認(rèn)為是衰減后的原始偶極子場(chǎng)；因此，在實(shí)際運(yùn)用中可認(rèn)為在電磁屏蔽模型中干擾源的基本發(fā)射是典型的基本環(huán)天線(磁場(chǎng)偶極子)，或者是短的電場(chǎng)偶極子天線。

3偶極子模型

3.1磁場(chǎng)偶極子模型

基本的磁場(chǎng)偶極子模型如圖3所示。它的模型可用電流環(huán)來(lái)表示。偶極矩MH等于導(dǎo)通電流I與環(huán)形區(qū)域A的乘積。

圖3　基本磁場(chǎng)偶極子模型

近場(chǎng)阻抗計(jì)算如下：Eφ=ωμIA/4πr2(θ=π/2)，Hr=IA/2πr3(θ=0)，Hθ=IA/4πr3(θ=π/2)，ZF=Eφ/Hθ=ωμr?377r/(λ/2π)。

由上述計(jì)算可知，近場(chǎng)偶極子的場(chǎng)強(qiáng)阻抗ZF比遠(yuǎn)場(chǎng)阻抗(377 Ω)要小，并且當(dāng)干擾源不斷接近時(shí)其變得越來(lái)越小；因此，可定義磁場(chǎng)偶極子的近場(chǎng)特性為低阻抗場(chǎng)。

3.2電場(chǎng)偶極子模型

基本的電場(chǎng)偶極子模型如圖4所示。它的模型可用一對(duì)具有相反極性，且其偶極矩ME等于電極間電量q和相互之間間隔L的乘積的間隔振蕩電荷來(lái)定義。

圖4　基本電場(chǎng)偶極子模型

近場(chǎng)阻抗計(jì)算如下：Hφ=ωqL/4πr2(θ=π/2)，Eθ=qL/4πεr3(θ=π/2)，ZF=Eφ/Hθ=1/ωεr?377λ/2πr。

由上述計(jì)算可知，近場(chǎng)電場(chǎng)偶極子的場(chǎng)強(qiáng)阻抗ZF比遠(yuǎn)場(chǎng)阻抗(377 Ω)要大，并且當(dāng)干擾源不斷接近時(shí)，其變得越來(lái)越大；因此，可定義電場(chǎng)偶極子的近場(chǎng)特性為高阻抗場(chǎng)[3]。

3.3偶極子模型的結(jié)論

由上述關(guān)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)偶極子模型的方程式可得出如下結(jié)論：1)在電場(chǎng)偶極子和磁場(chǎng)偶極子的近場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)的輻射分量φ和θ迅速衰減，并且遠(yuǎn)場(chǎng)比場(chǎng)內(nèi)的衰減速度逐步減緩；2)在電場(chǎng)偶極子和磁場(chǎng)偶極子的近場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)θ分量衰減速度比φ分量衰減速度快得多；3)在遠(yuǎn)場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)φ和θ2種分量與r成反向衰減。

4基本屏蔽模型

4.1磁場(chǎng)基本屏蔽模型

基本的屏蔽電流環(huán)模型如圖5所示。圖5a所示的是未屏蔽的電流環(huán)區(qū)域A，電流為IL，磁場(chǎng)偶極子此時(shí)MH=ILA。圖5b所示的是軸向屏蔽電流環(huán)，電流IL在屏蔽層上感應(yīng)電流為ISh，它具有抵消由IL引起的磁場(chǎng)的趨勢(shì)。其等效電路如圖5c所示。

圖5　屏蔽和未屏蔽的磁場(chǎng)偶極子模型

屏蔽層中的電流如下式：

(1)

但是，當(dāng)LM=LSh時(shí)[4]，有：

(2)

在具有屏蔽的環(huán)內(nèi)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)的電流效應(yīng)為：

(3)

屏蔽電流環(huán)的磁場(chǎng)偶極矩為：

(4)

磁場(chǎng)偶極矩MSh等于未屏蔽電流環(huán)的偶極距ILA，并隨屏蔽的衰減因素(1/ (1+jωLSh/RSh))而改變。因此，屏蔽電流環(huán)的屏蔽效能為：

(5)

由式5可知，低阻抗偶極子隨頻率的降低屏蔽效能越高。

4.2電場(chǎng)基本屏蔽模型

基本的屏蔽電場(chǎng)偶極子電流環(huán)的模型如圖6所示。圖6a是一個(gè)伴有激勵(lì)源的短線偶極子V。有效的偶極子電學(xué)長(zhǎng)度大約是其物理長(zhǎng)度L的一半，因此，具有的電場(chǎng)偶極矩為ME=qL/2=CWVL/2。

圖6　屏蔽和未屏蔽的電場(chǎng)偶極子模型

圖6b所示的是具有軸向屏蔽電場(chǎng)偶極子。導(dǎo)線與屏蔽層的耦合電容為CW-Sh，屏蔽層電流為ISh，屏蔽層等效電容為CSh，在圖6c所示的等效電路中的屏蔽層等效電容的電壓約為：

(6)

從而，屏蔽的電場(chǎng)偶極子的偶極矩等于：

(7)

當(dāng)?shù)刃щ娙軨W、CSh與導(dǎo)線及屏蔽層半徑成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系時(shí)，它們幾乎相等；當(dāng)在式7中，將CSh用CW代替時(shí)，可見(jiàn)屏蔽的偶極矩和原始電場(chǎng)偶極矩相等，但其隨衰減因素而變化。

具有屏蔽的電場(chǎng)偶極子的屏蔽效能為：

(8)

由式8可知，高阻抗偶極子在頻率越低時(shí)屏蔽效能越高。

4.3基本屏蔽模型的結(jié)論

2種模型都揭示出屏蔽的磁場(chǎng)和電場(chǎng)偶極子仍保持它們各自未屏蔽基本偶極子的特性，只是具有衰減效應(yīng)。典型屏蔽模型的屏蔽方程式和那些適用于球體屏蔽的理論模型的方程式形式相同[5-6]。

5模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7、圖8所示的數(shù)據(jù)圖是一個(gè)實(shí)際具有環(huán)形激勵(lì)源的屏蔽設(shè)備近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。測(cè)試設(shè)備為鋁外殼，尺寸為31.5 cm×25.5 cm×13.5 cm。測(cè)試先將設(shè)備屏蔽，然后去掉屏蔽。在去掉屏蔽的測(cè)試中，取掉31.5 cm×25.5 cm的一面，而將一塊約1 Ω/mm2的金屬化塑料板作為蓋子。具有相對(duì)高電阻的蓋子可以減小測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍。

圖7所示為設(shè)備的磁場(chǎng)近場(chǎng)發(fā)射測(cè)試，先裸露測(cè)試后屏蔽測(cè)試。從圖7a和圖7b中可以清晰地看出，在屏蔽前、后2種狀態(tài)下的磁場(chǎng)衰減速率均為60 dB/decade，試驗(yàn)結(jié)果與方程式5中的計(jì)算結(jié)果基本一致，磁場(chǎng)衰減在低頻段非常微弱，但隨著頻率升高衰減會(huì)變大。

圖8所示的是設(shè)備的電場(chǎng)近場(chǎng)發(fā)射，先裸露測(cè)試后屏蔽測(cè)試。從圖8a和圖8b中可以清晰地看出，在屏蔽前、后2種狀態(tài)下的磁場(chǎng)衰減速率均為40 dB/decade。在現(xiàn)有試驗(yàn)的測(cè)量精度條件下，對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效能和對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效能(分別見(jiàn)圖8c和圖7c)的大體一致，這和從磁場(chǎng)偶極子模型得出的預(yù)測(cè)是一致的。

圖7　環(huán)形源的磁場(chǎng)衰減

圖8　環(huán)形源的電場(chǎng)衰減

6結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)屏蔽電磁場(chǎng)偶極子的基本模型進(jìn)行了介紹，并對(duì)其理論特性進(jìn)行了推導(dǎo)。根據(jù)此模型，可以計(jì)算出屏蔽模型的近場(chǎng)輻射特性只是對(duì)未屏蔽偶極子源進(jìn)行衰減，且通過(guò)模型可得出磁場(chǎng)和電場(chǎng)可由屏蔽進(jìn)行同等的衰減，但衰減速率基本不同。通過(guò)對(duì)具有環(huán)形激勵(lì)源的屏蔽設(shè)備進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果表明，該近場(chǎng)屏蔽模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，能夠準(zhǔn)確描述近場(chǎng)屏蔽效能。說(shuō)明在近場(chǎng)低頻磁場(chǎng)比高頻電場(chǎng)更加難抑制，同時(shí)驗(yàn)證了Schelkunoff屏蔽分析方法在遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] Schelkunoff S A. Electromagnetic waves[M].New York：D.Van Nostrand Company, Inc., 1948.

[2] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3] 王巖.用傳輸線輸入阻抗原理確定屏蔽提屏蔽性能[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.

[4] Mohr R J.Coupling between lines at high frequencies[J].IEEE Trans. On EMC, 1967, 9(3):127-129.

[5] Miller D A， Bridges J E. Review of circuit approach to calculate shielding effectiveness[J].IEEE Trans. on EMC, 1968,10(1):52-62.

[6] Wheeler H A.The spherical coil as an inductor, shield, or antenna[J], Proc. IRE, 1958, 46(9):1595-1602.

責(zé)任編輯馬彤

A Fundamental Model for Near-field Shielding and Verification Test

DING Yongping, SU Xing, DANG Li, GUO Yanhui

(Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China)

Abstract：The fundamental models for shielding enclosure are developing with constant researches on the shielding theory. The classic approach for the quantitative treatment is that presented by Schelkunoff approach by employed transmission line equations in shielding analysis. But in practical application, the difference between electric field and magnetic field shielding is often questioned. Through the analysis of the method of shielding effectiveness and the research, and the calculation of electric and magnetic dipole model, a basic model for near field shielding could illustrate the interdependence of emissions from the shielded enclosure and the basic source of emissions within the enclosure. The conclusion shows that the magnetic and electric field can be equally attenuated in the far field, but in the near field shielding the magnetic field is more difficult. And a verification test is designed to verify the conclusion of the basic model, and prove the correctness of Schelkunoff approach to shielding analysis which is often questioned.

Key words:electromagnetic shielding， fundamental models， verification test

收稿日期：2015-10-09

作者簡(jiǎn)介：丁永平(1983-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電磁兼容性測(cè)試技術(shù)，復(fù)雜電磁環(huán)境分析及防護(hù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TM 15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A