金屬材料低頻磁場屏蔽效能研究

金屬材料低頻磁場屏蔽效能研究

吳逸汀盛衛星韓玉兵馬曉峰張仁李

(南京理工大學電子工程與光電技術學院,江蘇 南京 210094)

摘要通過分析低頻電磁波的屏蔽效能公式,綜合考慮材料電磁、物理等特性,選取了五種金屬作為屏蔽機箱的材料.分別測試了材料的電導率和相對磁導率,通過屏蔽公式和仿真軟件比較了它們的低頻磁場屏蔽效能.選用三種金屬加工成屏蔽機箱,進行低頻磁場屏蔽效能.測試機箱的低頻磁場屏蔽效能實測結果與仿真結果基本一致.結果表明:坡莫合金對低頻磁場的屏蔽效能最好,0Cr13不銹鋼屏蔽效能比坡莫合金稍差,但比其他材料要好,而且其性價比高,可以用于一些需要一定低頻磁場屏蔽的場合.

關鍵詞電磁屏蔽;低頻;0Cr13;屏蔽效能;屏蔽機箱

中圖分類號TN4

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0673-06

AbstractBy analyzing the low-frequency (LF) magnetic shielding effectiveness formulation, five metal materials were chosen as shielding box with consideration of the electromagnetic properties, physical properties, etc. The conductivity and relative permeability of each material respectively. According to the shielding effectiveness formulation and the simulation results, the shielding effectiveness of different materials was investigated and compared. Then, we also measured LF magnetic shielding effectiveness of three metal boxes in different frequencies. It turns out that testing and simulation results match well. The results show that permalloy box owns the best LF magnetic shielding effectiveness. Although 0Cr13 behaves slightly worse than permalloy in LF magnetic shielding effectiveness, it is better than all other materials. In addition, 0Cr13 has good cost performance. Consequently, it is advisable to apply 0Cr13 as the material of shielding box when a certain LF magnetic shielding effectiveness is demanded.

收稿日期：2014-08-10

作者簡介

The simulation and testing analysis on low-frequency

magnetic shielding effectiveness of metal materials

WU YitingSHENG WeixingHAN YubingMA XiaofengZHANG Renli

(SchoolofElectronicandOpticalEngineering,NanjingUniversityofScienceand

Technology,NanjingJiangsu210094,China)

Key wordselectromagnetic shielding; low frequency; 0Cr13; shielding effectiveness; shielding box

資助項目: 國家自然科學基金(No.61471196;No.11273017)

聯系人： 盛衛星 E-mail: shengwx@njust.edu.cn

引言

近些年,電磁防護逐漸成為了電磁兼容領域的研究熱點.一方面,研究發現,在工業生產中,低頻磁場(<100 kHz)的干擾會使得周圍電子電路設備無法正常使用[1-2].特別是大電流低頻干擾,會在周邊產生強大的電磁場;醫學研究也發現,低頻強磁場對人體肌肉組織的影響很大[3],長期在低頻磁場輻射環境中生產休息的人體,發生各種腫瘤癌變、白血病等多種疾病的概率是正常人的4～6倍,高強度持續的低頻磁場輻射會危害人體的健康;另一方面,雷電脈沖、高功率微波武器產生的電磁脈沖也會影響電子設備的正常使用,甚至會損害高靈敏的電子設備.因此,研究低頻磁場的電磁屏蔽對民用和軍用領域都是非常有必要的.

不同于高頻磁場屏蔽,低頻磁場的屏蔽是一項艱巨的任務[4].在工程中,電子電路設備暴露在復雜電磁環境下,這會對其正常工作造成很大的干擾,設計低頻磁場屏蔽機箱是必要的.

學者們在低頻磁場的屏蔽研究中發現,機箱材料的選取對屏蔽效能的影響有著非常大的影響[5],鐵磁性物質(鐵,鋼等)由于材料強度、結構特性、耐腐蝕性和價格因素等是低頻磁場屏蔽的一類很好的材料.綜合考慮上述因素,本文對選取五種金屬(坡莫合金、0Cr13不銹鋼、45號鋼、1Cr18Ni19Ti不銹鋼和鐵)的低頻磁場特性做了理論公式計算、CST仿真和實驗測試.經過比較,發現0Cr13不銹鐵具有明顯優于其他三種材料的低頻磁場屏蔽性能.雖然其低頻磁場屏蔽性能稍遜于坡莫合金,但0Cr13作為常用不銹鋼具有價格低廉的特點,性價比較高.

1理論分析

1.1屏蔽效能

電磁屏蔽表示同時對電場和磁場進行屏蔽,通常我們用屏蔽效能(Shielding Effectiveness)來表示.屏蔽效能定義為:存在屏蔽的情況下,電場(或磁場)在某點的絕對值,與無屏蔽狀態下電場(或磁場)在該點的絕對值之比[5].常用分貝(dB)表示.

當電磁波入射到一塊無限大屏蔽平板時,一部分能量被平板所反射,稱之為反射損耗(Rm);另一部分能量透射入平板內,在透射過程中一部分能量被吸收掉,稱之為吸收損耗(A);當剩下的能量透射到平板另一側時,又發生反射(小部分能量透射入屏蔽平板的后面).被反射回屏蔽平板的能量再經過吸收和反射,如此反復,直到全部衰減和透射入屏蔽平板的后面.這多次的反射和吸收損耗稱之為再反射損耗(Rr).

1.2磁場屏蔽效能

對于頻率較低的干擾源,磁場的屏蔽效能(SEH)往往小于電場的屏蔽效能(SEE),在進行電磁屏蔽分析時,主要考慮材料對磁場的屏蔽效能.應用傳輸線理論可以導出材料的磁場屏蔽效能經驗公式[6]

SEH=Rm+A+Rr;

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: f為頻率，Hz; μr為屏蔽材料的相對磁導率; Gr為該屏蔽材料相對于銅的電導率; r表示屏蔽平板與源的距離，cm; t表示屏蔽平板的厚度,mm; Zm為屏蔽平板所采用金屬導體的阻抗,Ω; Zw為波阻抗,Ω.需要注意的是再反射損耗始終是一個負數,它需要從總屏蔽效能中減去才能得到正確的增益.通常當A大于15dB時,Rr可忽略不記.

對于磁場,當r<λ/2π時,波阻抗可表示為

Zw=377×2πr/λ.

(5)

式中: r為屏蔽平板與源的距離,m; λ為波長，m.

金屬導體的阻抗[7]可表示為:

(6)

式中: ω為角頻率; μ0為真空磁導率; σ為屏蔽材料的電導率.

1.3屏蔽材料的選擇

根據式(1)～(6)可知,低頻磁場屏蔽效果取決于屏蔽平板厚度t、屏蔽材料相對電導率σ和相對磁導率μr以及干擾源距離屏蔽體的距離r等因素.

選取高磁導率、高電導率的屏蔽材料能有效地提高機箱對低頻干擾的屏蔽效能.現階段市場上有著許多高磁導率材料,能產生非常優異的屏蔽效果.綜合考慮材料強度、結構特性、耐腐蝕性和價格等因素,大多數情況下,還是選用金屬材料作為首選.考慮到材料的屏蔽效能和價格,本次實驗的理論分析、仿真和測試選取了五種金屬材料:坡莫合金、0Cr13不銹鐵、45號鋼、1Cr18Ni19Ti不銹鋼和鐵.

2實驗結果分析

2.1材料電磁參數測試

坡莫合金的電磁參數可以方便地獲得(相對磁導率和電導率分別取保守值2×104S/m和5×107S/m).雖然另外幾種材料在市面上都是比較常見的金屬材料,但是其具體的電磁參數并沒有明確給出.測試低頻下這四種材料的電導率[8]和磁導率.圖1所示為測試實驗中所使用的材料樣品.

圖1　測試用各材料樣品

根據公式:

μr=Ll/μ0N2S;

(7)

σ=4l/πd2R.

(8)

得到四種材料的相對磁導率和電導率,如表1所示.

表1　四種材料電磁參數測試結果

利用表1中的電磁參數,應用式(1)～(6).可以得到這四種材料的低頻磁場屏蔽效能(50～100 kHz),如圖2所示.

圖2　四種材料理論公式屏蔽效能

由圖2,高相對磁導率的0Cr13不銹鋼擁有明顯優于其他3種材料的低頻磁場屏蔽效能.1Cr18Ni19Ti、45號鋼和鐵的低頻磁場屏蔽效果并不理想,特別是1Cr18Ni19Ti不銹鋼,低頻磁場屏蔽效能和0Cr13不銹鋼相差了100 dB.為了更好地說明材料的低頻磁場屏蔽效能,下面進行了材料的低頻屏蔽效能仿真CST仿真.

2.2仿真分析

在五種材料中:坡莫合金具有很好的低頻磁場屏蔽性能,但其價格很高;0Cr13不銹鋼和45號鋼價格便宜,屏蔽效能未知.這三種材料具有各自的特點,由于條件限制，選擇這三種材料來進行仿真對比來尋找一種性價比高的低頻磁場屏蔽材料.應用CST中的MWS工作室建立如圖3所示模型,仿真這三種材料的低頻磁場屏蔽效能.

圖3　CST仿真模型

圖3中機箱長寬高分別為500 mm、500 mm、300 mm,厚2 mm.在x軸方向靠右面的正中間位置,做了一個長寬高分別為300 mm、300 mm、50 mm的門.在z軸正方向面正中心向下220 mm處開了一個直徑10 mm的孔.

仿真中為了能很好地模擬低頻低阻抗源的特征,同時為了能和實測結果進行對比,采用了圖3中的單匝直徑為300 mm的細線天線作為激勵.激勵信號為對應測試頻點的方波大電流信號.磁場探針放在機箱的中心位置.經過仿真,三種材料的低頻磁場屏蔽效能如圖4所示.

圖4　三種材料的磁場屏蔽效能-CST仿真結果

由圖4,可以發現坡莫合金屏蔽效能比0Cr13不銹鋼好10 dB左右,而0Cr13不銹鋼又比45號鋼好9 dB左右.坡莫合金具有較高的低頻磁場屏蔽效能的主要原因是高磁導率.而0Cr13不銹鋼雖然屏蔽性能比坡莫合金稍差,但是和45號鋼比有著明顯的優勢.45號鋼的低頻磁場屏蔽效能較一般,和另外兩種材料相比有著較大的差距.需要注意的是,市面上坡莫合金的價格非常高,而0Cr13不銹鋼和45號鋼則便宜很多.

為了驗證CST仿真結果的正確性,我們對三種材料的機箱進行了加工,并分別測試了它們的低頻磁場屏蔽性能[7].

2.3屏蔽性能測試

測試過程中為了將接收天線和光電轉換裝置放入機箱內部,在機箱正面(x軸方向靠右的面)中間開了一個長寬高分別為300 mm、300 mm、50 mm的門,并在機箱側面(z軸正方中心向下220 mm處)開了一個直徑10 mm的孔.門與機箱接口處的孔縫會對結果造成很大的影響[9-10],采用單刀雙簧片的設計可以確保開口處的可靠電連接,有效消除門對機箱屏蔽效能影響[11].

測試的簡單示意圖如圖5所示,測試的照片如圖6所示.

圖5　測試示意圖

圖6　低頻磁場屏蔽效能測試圖

具體的測試過程:圖5中左側圓環為發射天線,用大功率低頻方波信號源激勵.右側接收天線得到的電壓信號經過其底座的光電轉換裝置轉換為光信號,光纖通過機箱側面預留的小孔通到屏蔽室中,最后經過轉換顯示到示波器上.

實驗總共測試了3種金屬材料分別在8個頻點(50、100、200、500、1 000、2 000、5 000、10 000 Hz)的磁場屏蔽效能.將測試得到的屏蔽效能曲線和仿真得到的進行對比,如圖7所示.

圖7　仿真與測試所得磁場屏蔽效能對比

分析圖7可知仿真和測試得到的屏蔽效能曲線基本一致.比較圖2和圖7,理論公式得到的屏蔽效能和仿真實測的存在著誤差(40 dB),主要原因是式(1)～(6)的計算準確度會隨著收發天線距離的縮小變小.另外由于式(1)～(6)描述的是無限大金屬平板的屏蔽效能,這和仿真和實驗中測試的屏蔽機箱并不相同(測試用屏蔽機箱的長與首發天線半徑比k=3.333,并沒有遠遠大于1).

3結論

文中給出了一種應用理論公式與商用仿真軟件CST尋找高效低頻磁場屏蔽材料的方法.通過理論公式預估,用CST仿真來確認材料的屏蔽效能,最后對實際加工后的機箱進行實驗測試驗證.仿真結果和實測結果基本一致.研究還發現0Cr13不銹鋼材料具有較強的低頻磁場屏蔽性能.需要注意的是,0Cr13不銹鋼是一種常見的不銹鋼材料,被廣泛應用于工業中.相對于坡莫合金的高昂價格,0Cr13更廉價,同時其不錯的強低頻磁場屏蔽效能(比坡莫合金差10 dB左右)可以為冶金工業、日常電子設備以及國家安全領域等需要一定低頻磁場屏蔽效能的場合提供性價比很高的屏蔽效果.

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吳逸汀(1991-),男,江蘇人,南京理工大學博士研究生,主要從事電磁兼容和電磁場數值計算等方面的研究.

盛衛星(1966-),男,江蘇人,南京理工大學通信工程系教授,博士,中國兵工學會電磁技術專業委員會副主任委員,中國電子學會天線分會委員,中國兵工學會坦克裝甲車專業委員會委員,主要研究方向為目標電磁散射特性建模及其應用、陣列天線、智能天線.

韓玉兵(1971-),男,江蘇人,博士生導師,南京理工大學通信工程系教授,博士,中國計算機學會多媒體專業委員會委員，中國兵工學會會員,主要研究方向為微波系統和天線設計中的優化算法、多輸入多輸出(MIMO)天線系統等.

馬曉峰(1981-),男,江蘇人,南京理工大學通信工程系講師,主要研究方向為陣列信號處理、軟件無線電等.

張仁李(1986-),男,江蘇人,南京理工大學通信工程系講師,主要研究方向為陣列信號處理、恒虛警檢測等.

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