船用屏蔽箱體孔腔耦合諧振的仿真分析

羅名祺，金華標，王 卓，喻方平

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

為了保護船用通信設備在船用甚高頻通信頻段（156～165 MHz）內處于低噪聲的電磁環境中，國內外制定了相應的公約條款對該頻段提出了更高的要求[1 –4]，CISPR 16-2-3無線電干擾和抗干擾測量儀器和方法進行了詳細的規定[5]，如圖1所示。屏蔽技術是使船用電子設備滿足該要求的有效手段。而箱體諧振特性是決定屏蔽效能好壞的重要因素，本文將從船用通信頻段孔腔耦合諧振特性展開研究。

帶孔縫腔體的電磁諧振現象可分為3種表現形式：腔體諧振、孔縫諧振和孔縫-腔體耦合諧振[6]。電磁諧振的3種形式中，腔體諧振占主導因素[7]。孔縫諧振可分為由截面尺寸引起的橫向諧振及由縱向尺寸引起的傳輸腔體諧振[8]，孔縫諧振只在孔縫附近產生影響。孔腔耦合諧振可看作是孔縫對腔體諧振的影響，腔體與外部空間通過孔縫產生耦合，因此分析困難。

孔縫腔體耦合諧振沒有固定的諧振模式，國內外的研究相對較少[9]。本文通過改變縫隙的結構參數，分析在船用通信頻段的孔腔耦合諧振特性，研究結果在船用屏蔽箱體設計中抑制或控制船用通信頻段電磁耦合諧振具有一定參考價值。

1 孔腔耦合諧振的形成及其特性分析

研究對象為外部平面波垂直入射的帶縫屏蔽箱體，箱體尺寸為：1 326 mm×500 mm×1 326 mm（a×b×d），箱體厚度為t=2 mm，箱體材料為鋁。在箱體右側壁面中心（y=250 mm）開一道平行于z軸的縫隙，縫隙尺寸為L×1 mm×2 mm（l×w×h），L依次選擇為 200 mm，400 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 322 mm，作為對比，以一個 20 mm×20 mm 的方形孔洞代替縫隙。在腔體內部中心設場強探針P，計算模型如圖所示，頻率范圍選擇0～500 MHz，覆蓋了156～165 MHz 的船用通信頻段。

平面波沿X軸負向垂直入射，平面波電場方向與Z軸垂直。計算觀測點P處電場強度隨頻率的變化（E-f曲線圖），結果如圖3所示。

由圖3（a）可知，小方形孔與200 mm縫的箱體模型，諧振頻點幾乎保持一致，諧振點都是腔體自然諧振頻點。

根據圖3（b）及圖3（c），列出表1如下（其中，SRm表示縫隙諧振頻點，SCRn表示孔腔耦合諧振頻點）：

L=1 322 mm 時，SR3及TE101諧振模在y=250 mm剖面的場強分布如圖4所示。

L=800 mm 時，SCR3諧振在y=250 mm 剖面內部場強分布如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，孔腔耦合諧振和腔體諧振的區別在于，SCR場分布圖中縫隙處的駐波覆蓋更大的橫向面積，且縫隙與腔體內部駐波關聯更加緊密。

表1 諧振頻點及對應箱體諧振模式

基于以上3張E-f曲線圖、表格數據及場分布圖的對比分析可知：

1）當 800 mm≤L≤1 000 mm 時，產生與TE101模的耦合諧振現象；

2）隨著縫隙長度的遞增，出現在0～500 MHz的諧振頻點數由0變為2，且縫隙諧振頻點頻率不斷變低；

3）孔腔耦合諧振和腔體諧振的區別在于，SCR場分布圖中縫隙處的駐波覆蓋更大的橫向面積，與腔體內駐波連接更加緊密；

4）孔腔耦合諧振和縫隙諧振的區別在于，SCR場分布中縫隙處的場強值比縫隙諧振更大（對比E-f曲線）。

2 孔縫結構參數對耦合諧振特性的影響

本文以 850 mm×1 mm×2 mm 為縫隙初始模型，研究縫隙的分段情況、縫隙寬度、縫隙厚度、縫隙位置及縫隙數量對電磁耦合諧振特性的影響規律。

2.1 縫隙分段對耦合諧振特性的影響

依次將850 mm的縫隙等長截成1段、2段、3段，對應的E-f曲線如圖6所示。

由圖6可知，不分段的條件下，產生孔腔耦合諧振SCR7，頻率為 157.5 MHz 和 178 MHz，諧振幅值都較大；截成2段的條件下，縫隙諧振頻率與腔體諧振TE103及TE301頻率接近，產生了孔腔耦合諧振SCR8，頻率為346 MHz 和 364 MHz；截成 3 段的條件下，0～500 MHz頻段內，不存在孔腔耦合諧振且無縫隙諧振頻率。

2.2 縫隙寬度及厚度對耦合諧振特性的影響

依次將縫隙寬度、厚度設為1 mm、2 mm及3 mm，對應的E-f曲線如圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著縫隙寬度變大，除耦合諧振頻點幅值略有下降以外，整個頻段內場強值都略有變大。由圖8可知，隨著縫隙厚度的變大，發生在船用通信頻段內的耦合諧振場強值幾乎不變，表明由縫隙橫向諧振形成的孔腔耦合諧振。

2.3 縫隙沿Y軸坐標位置對耦合諧振特性的影響

使縫平行于Z軸，依次將縫隙設置250 mm、y=374 mm及y=498 mm的腔體右壁上，對應的E-f曲線如圖9所示。

由圖9可知，3種縫隙位置條件下，船用通信頻段內發生的耦合諧振場強值幾乎不變。但縫隙=374 mm及y=498 mm處都激發了腔體諧振其他模式諧振。

2.4 縫隙數量耦合諧振特性的影響

在沿著腔體右壁中心對稱地設置1～5條縫隙（y=250 mm，y=374 mm，y=126 mm，y=498 mm，y=2 mm），對應的E-f曲線如圖10所示。

由圖10可知，隨著縫隙數量的增多，孔腔耦合諧振的2個頻點場強值略變小同時往低頻及高頻轉移，而2個頻點的中間頻率場強值略變大。2和4條縫的條件下，激勵出了腔體的其他諧振模式。

通過上述仿真結果及理論分析可得知：

1）對縫隙進行分段處理，縫隙分段越多，縫隙諧振頻點越高，腔體內場強值越小；

2）縫隙寬度遞增時，孔腔耦合諧振的2個頻點場強值略變小且同時往低頻及高頻小幅度偏移；

3）縫隙厚度遞增時，對于由縫隙橫向諧振引起的孔腔耦合諧振影響非常小；

4）縫隙偏離箱體壁中心高度時，孔腔耦合諧振特性幾乎不變，且會激勵出腔體的其他模式諧振；

5）縫隙數量增加時，孔腔耦合諧振的2個頻點場強值略變小且同時往低頻及高頻轉移。如果縫隙不是以腔體壁中心高度對稱分布，則會激勵出其他的腔體模式諧振。

3 結 語

本文采用CST電磁仿真軟件，分析了在船用通信頻段發生電磁耦合諧振的孔縫尺寸條件。在此基礎上，分析了縫隙分段、縫隙寬度、縫隙厚度、縫隙位置及縫隙數量對耦合諧振的影響。結合腔體內部場強分布圖，分析了耦合諧振與其他諧振形式的區別。

結果表明：發生孔腔耦合諧振時，腔體內部場強分布更加復雜，且此時孔縫處場強值大于縫隙諧振時的場強值；縫隙的等長分段處理能有效控制船用通信頻段發生的電磁耦合諧振；縫隙寬度、厚度對孔腔耦合諧振影響較小，縫隙在腔壁不同位置激勵出不同的腔體諧振模式，而多條縫隙沿腔壁中心非對稱布置會激勵出更多的諧振模式。

本文研究結果在船用屏蔽箱體設計中抑制或控制船用通信頻段孔腔耦合諧振具有一定的參考價值。

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