基于HFSS在有孔矩形金屬腔體中電磁屏蔽效能的應(yīng)用

郭 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710071）

0 引言

近年來隨著電子戰(zhàn)的興起，各種軍用、民用電子設(shè)備成為電磁干擾的對象，而屏蔽腔體作為保護(hù)和隔離電磁干擾的設(shè)備，為適應(yīng)通風(fēng)、散熱的需要，通常需要在腔體上開孔，破壞了腔體的完整性。因此，研究帶孔金屬屏蔽腔體的屏蔽效能是具有十分重要的意義。通過HFSS軟件對孔縫電磁耦合的數(shù)值仿真，分析各種不同形狀的孔對屏蔽體屏蔽效能的影響，使有孔金屬屏蔽腔體抗電磁干擾的能力達(dá)到最大。

1 電磁屏蔽效能的計(jì)算方法

電磁屏蔽就是為了抑制電磁干擾，一般是通過隔斷電磁能量在空間的傳播路徑來實(shí)現(xiàn)的。為了描述和定量分析屏蔽體的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能表示屏蔽體對電磁干擾的屏蔽能力和效果[1]。

屏蔽效能是指未加屏蔽腔體時(shí)某一點(diǎn)的場強(qiáng)E0和H0與在同一測試點(diǎn)加屏蔽腔體時(shí)的場強(qiáng)ES和HS的比值。

通常在工程上以dB 為單位，屏蔽效能的表達(dá)式為：

一般情況下，屏蔽腔體的屏蔽效能受到材料特性、厚度、形狀、屏蔽體上孔縫的形狀、尺寸、數(shù)量和排布方式，屏蔽體內(nèi)部的模塊印制板，以及干擾源的頻率、入射角、干擾源到屏蔽體的距離和極化形式等顯著影響[2-4]。

2 仿真結(jié)果及分析

本文以一個(gè)帶孔的金屬機(jī)殼作為研究對象來分析帶孔金屬屏蔽腔體的屏蔽效能，尺寸為a×b×d＝300mm×120mm×300mm。運(yùn)用HFSS軟件的仿真結(jié)果來討論各種因素對有孔矩形屏蔽腔體屏蔽效能的影響，有孔矩形屏蔽腔體在HFSS 中建立的模型如圖1 所示。

圖1 屏蔽腔體在HFSS 中的模型

2.1 腔體厚度對屏蔽效能的影響

金屬屏蔽腔體上孔縫的尺寸為l×w=150mm×20mm，矩形金屬屏蔽腔體的壁厚分別為0.1mm、1mm 和2mm。觀察點(diǎn)位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。HFSS 軟件仿真得出的結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可以看到，在大多數(shù)情況下，金屬屏蔽腔體的厚度越厚，透射入金屬屏蔽腔體的電磁能量越少，金屬腔體的電磁屏蔽效能越大。但是在金屬腔體厚度的有限范圍內(nèi)，金屬腔體的厚度對屏蔽效能的影響是有限的。

圖2 不同厚度的金屬屏蔽腔體的屏蔽效能

2.2 腔體壁上孔縫的大小對屏蔽效能的影響

金屬屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w＝150mm×20mm（孔縫一）、l×w＝100mm×10mm（孔縫二）和l×w=50mm×5mm（孔縫三）。矩形金屬屏蔽腔體的壁厚為1mm。觀察點(diǎn)位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。得到的屏蔽效能結(jié)果如圖3所示。從圖3 可以得到，腔體上孔縫越大，外界電磁能量耦合進(jìn)腔體的能量就越多，在相同頻率下屏蔽效能越低。

圖3 不同的孔縫下屏蔽腔體的屏蔽效能

2.3 等面積不同形狀的孔縫對屏蔽效能的影響

取孔縫的總面積為3000m2，屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w=54.77mm×54.77mm（孔縫一）﹑l×w=75mm×40mm（孔縫二）和l×w=150mm×20mm（孔縫三）。觀察點(diǎn)位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。仿真得到的屏蔽效能曲線如圖4 所示。

圖4 等面積不同形狀的孔縫對屏蔽效能的影響

從上圖中可以得到，在腔體上孔縫面積相同的情況下，如果孔縫的長和寬的比值越小，耦合進(jìn)屏蔽腔體內(nèi)的電磁能量越少，其屏蔽效能越好。當(dāng)孔縫為正方形時(shí)，一般情況下屏蔽效能最好。所以在屏蔽腔體上一般開孔時(shí)，通常使用正方形孔縫，使屏蔽效能達(dá)到最大。

2.4 相同面積下孔縫數(shù)量對屏蔽效能的影響

取孔縫的總面積為900mm2，孔縫的尺寸分別為30mm×30mm 的單孔﹑單孔面積為10mm×10mm 的3×3 孔陣以及單孔面積為6mm×6mm的5×5 的孔陣。孔或者孔陣的中心位于所開孔面的中心。觀察點(diǎn)位于金屬屏蔽腔體的中心。得到的屏蔽效能曲線如圖5 所示。

圖5 孔陣數(shù)量對屏蔽腔體屏蔽效能的影響

從圖5 可以得到，在孔縫面積相同的條件下，通常情況下在屏蔽腔體上開孔陣要比開單孔的屏蔽效能要好，而且孔陣的數(shù)量越多，其屏蔽效能越高。因此在屏蔽腔體上面開孔時(shí)盡量開數(shù)量較多的孔陣，使屏蔽腔體的屏蔽效能盡量達(dá)到最優(yōu)的效果。

2.5 腔體大小對屏蔽效能的影響

屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w＝50mm×5mm，屏蔽腔體的壁厚為2mm。屏蔽腔體的尺寸大小分別為a×b×d=480mm×120mm×480mm（腔體一）﹑a×b×d=300mm×120mm×300mm（腔體二）和a×b×d=100mm×120mm×100mm（腔體三）。觀察點(diǎn)位于屏蔽腔體的中心得到的屏蔽效能曲線如圖6 所示。

圖6 屏蔽腔體大小不同時(shí)的屏蔽效能

從圖6 以得到，在0.2G-1.0G 頻率范圍內(nèi)，腔體一出現(xiàn)了三次諧振現(xiàn)象；腔體二發(fā)生一次諧振現(xiàn)象；根據(jù)腔體諧振頻率計(jì)算公式[5]

其中c 為光速，a,b,d 分別為矩形屏蔽腔體的長寬高，m,n,p 為分別為沿腔體的三個(gè)方向的駐波半波束。由于該矩形金屬屏蔽腔體的主傳輸模式為TE10，所以由公式（3）計(jì)算可得，在0.2G-1.0G 頻率范圍內(nèi)，腔體一在442MHz（TE101）、699MHz(TE201)和988MHz（TE301）出現(xiàn)三次諧振現(xiàn)象；腔體二在707MHz（TE101）出現(xiàn)了一次諧振現(xiàn)象；通過計(jì)算，腔體三在2.12GHz（TE101）出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，所以在下圖觀察不到腔體三出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。通過圖6 可以看到，計(jì)算的結(jié)果和仿真出來的結(jié)果很接近。由此可見，當(dāng)屏蔽腔體越小時(shí)，腔體出現(xiàn)諧振的諧振頻率越高。

3 結(jié)束語

通過運(yùn)用HFSS 分析了影響金屬屏蔽腔體屏蔽效能的因素，可以得出：對于單孔來說，屏蔽腔體越厚，孔縫的尺寸越小，屏蔽效能越高；屏蔽腔體越小，屏蔽腔體的諧振頻率越高；在開孔面積一定的條件下，應(yīng)盡量多開孔陣，并且所開孔形狀越接近正方形，其屏蔽效能越好。通過HFSS 仿真得出的結(jié)論對于指導(dǎo)屏蔽體的設(shè)計(jì)以及電路和器件的合理布局有著重要的意義。

［1］崔楊.矩形金屬腔體屏蔽效能分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［2］Rodolf Araneo，Giampiero Lovat.An efficient MoM formulation for the evaluation of the shielding effectiveness of rectangular enclosures with thin and thick apertures[J].IEEE transactions on Electromagnetic Compatibility，2008，50(2)：294-304.

［3］何林濤.基于HFSS 的孔陣機(jī)殼近場屏蔽效能分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18(4)：255-259.

［4］Antonio Ciccomancini Scogna，Martin Schauer.EMC simulation of complex PCB inside a metallic enclosure and shielding effectiveness analysis[C]//18thInt.Zurich symposium on Electromagnetic Compatibility.Munich：2007：91-94.

［5］鄒澎，周曉萍.電磁兼容原理、技術(shù)和應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2007.