基于機柜殼體屏蔽效能的電磁仿真與測試

關羽

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222006）

概述

RE102是GJB 151B《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》中的電場輻射發射測試項，是軍用設備和分系統電磁兼容性試驗必不可少的項目之一[1,2]。RE102主要測量受試設備和分系統通過空間傳播、地面反射等方式產生的電場輻射場強。提高殼體的屏蔽效能可以提高RE102的通過概率。電磁屏蔽效能良好的殼體可以將電磁場干擾源至設備的傳播途徑切斷[3]，從而消除或減弱干擾源對設備的不良影響。

電磁仿真技術的核心是基于麥克斯韋方程、場域邊界條件以及介質的本構關系[4]，利用計算機求解電磁場分布，此技術可以對產品殼體的屏蔽效能進行仿真分析[5]。為降低設備輻射發射量，提高設備殼體屏蔽效能時重要的手段之一。

1 仿真算法的選擇

一般的電磁仿真問題依據電尺寸和仿真帶寬可以分為四大類，即電大尺寸的寬帶問題，電大尺寸的窄帶問題，電小尺寸的寬帶問題以及電小尺寸的窄帶問題。據此可以選擇不同的仿真算法，算法的選擇影響到仿真的計算量和分析問題的準確性。

對于電磁兼容仿真問題屬于典型的電大尺寸寬帶問題，通常采用時域方法解決，如時域有限積分法（FITD）。因為時域方法是利用脈沖發生器將電磁脈沖加入系統中，以卷積概念中的沖擊函數與系統函數卷積可以類比。在系統輸出端得到輸出響應，然后通過頻譜分析得到系統在寬頻帶范圍內的響應。也就是說，利用時域方法分析寬頻帶電磁場問題，只需要經過一次計算就能得到結果，提高了計算效率。

時域有限積分法的理論基礎是Maxwell方程組，是Maxwell方程組在空間網格上的離散性形式。麥克斯韋方程組推導的網格方程是（1）。

式中：

h—磁場強度；

j—電流密度；

d—電位移矢量；

e—電場強度；

b—磁感應強度；

q—單位電荷量。

以此為基礎，用中心差分代替時間倒數，生成顯示方程，以下為無耗情況下的時間積分方程（2）：

通過以上方程組，可以在時間軸上交替求解電壓和磁通，從而得到完整的時間空間電磁場分布。

2 碳纖維殼體模型的建模仿真與實驗驗證

2.1 仿真模型的一般設置

依據GJB 151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》RE102電場輻射發射的測試要求“圖56適用于潛艇的RE102限值”頻率范圍，仿真頻段設置為10 kHz～1 GHz。同時依據文獻確定碳纖維的電導率為62500 S/m，介電常數取值8.5，磁導率取1。

2.2 仿真模型建立

機柜一般主要由金屬殼體、對外轉接板、散熱設備等組成。各類單位可以進行抽拉形式安裝。同時在某些型號機柜上還具備顯示和操控單位，可以方便進行內部模塊操控管理和電子機柜功能配置。在進行模型構建時，在CST模型創建環境下應注意以下幾點：

1）模型尺寸單位應預先進行確定，使用越低級的單位，如毫米（mm），后期的網格劃分越精確；

2）模型各個細節或模塊的相對位置應盡量貼近實際設計需求；

3）模型各個細節或模塊若材料特性不統一，應分開進行設置，如模型殼體為碳纖維，但內部模塊抽拉裝置以及模塊分層間隔為金屬，應分別設置模塊參數。

基于以上分析選擇某型號電子機柜作為仿真模型構建樣本，如圖1。該模型具備較為全面的功能模塊，代表了所內類似產品的共性特點。

圖1 碳纖維仿真模型

鑒于碳纖維殼體模型的對稱性，在內部的中心線位置每間隔200 mm設置一個垂直極化電場強度監視器和一個水平極化電場強度監視器。這樣就形成了殼體外發射，殼體內部接收的收發測試模型。依據電磁場的互異性定理，殼體對外部電場衰減多少（S12），即為其對應頻段的屏蔽效能。

2.3 屏蔽效能仿真結果

依前文所述，將屏蔽效能仿真結果依據頻率范圍和極化方向進行區分，得到的仿真結果如圖2。

圖2 屏蔽效能仿真結

從仿真結果可以看出，碳纖維材料殼體的屏蔽效能在大部分頻段超過60 dB，在某些頻率點無法達到，如26～30 MHz頻段屏蔽效能大于58 dB，200 MHz～1 GHz頻率范圍水平極化屏蔽效能大于40 dB。

因此從仿真結果可以得到的結論是：使用碳纖維材料的殼體作為設備機柜，其屏蔽效能總體滿足所內產品的使用要求，在個別位置和個別頻段應從設計上考慮材料自身缺陷。

2.4 屏蔽效能的試驗驗證

縮比模型驗證法的優點是節約模型生產成本，降低驗證費用。缺點是縮比模型本質上是對實物殼體的精簡，無法完全反映實物殼體的全部細節，因此僅當殼體結構簡單時采用縮比模型驗證法對仿真的精度做定量驗證。結合測試環境并考慮到研究實際和驗證的成本問題，選擇縮比模型驗證。

1）驗證模型的制備

由于麥克斯韋方程組的線性性，當模型的物理尺寸縮小n倍時，測試頻段提高n倍，假設n=2，即選擇1∶2的縮比碳纖維材料模型進行測試。依據仿真的比例參數，制作了碳纖維材料殼體，材料為市場成品T300碳纖維板材，殼體高度40 cm，寬度和長度約為25 cm，材料厚度2 mm，基本符合機柜殼體1∶2縮小比例要求，如圖3。

圖3 碳纖維材料殼體

2）驗證測試

測試現場依據RE102電場輻射發射的測試要求進行布置，首先測試背景電磁環境確定背景合格，再使用某寬頻輻射源和接收天線測試沒有屏蔽殼體狀態下的電場強度數值，最后使用某寬頻輻射源和接收天線測試有屏蔽殼體狀態下的電場強度數值，測試現場如圖4。

圖4 測試現場

3）試驗驗證的結果

最終垂直極化和水平極化的反推測試結果，由此依據屏蔽效能的定義可以計算出垂直極化和水平極化的屏蔽效能，如圖5。

圖5 屏蔽效能結果

圖5 屏蔽效能結果（續）

2.5 結果分析與誤差討論

從屏蔽效能的結果上看，碳纖維殼體在RE102測試頻段10 kHz～1 GHz具備較好的屏蔽效果，從趨勢上看仿真分析結果與實際測試結果基本符合，但也有不少的誤差，誤差的主要來源分析如下：

1）仿真誤差：仿真誤差主要涉及仿真模型構建，仿真算法選擇，仿真網格和網格擴展劃分，在這些因素中仿真網格帶來的誤差因是主要誤差，因為網格劃分直接影響到計算量的多少，間接的成為運算收斂時間的衡量指標。當網格數達到一定程度時其邊界條件的不同產生的誤差也不斷積累，最終導致仿真結果的誤差。

2）縮比模型的誤差：縮比模型本質上是對仿真模型或設計模型的一種簡化，這種簡化省略了仿真中的某些因素，同時測試時頻率的轉換還會涉及到輻射源和天線的輻射能力的限制。

3）輻射源帶來的誤差：為了將輻射信號裝進屏蔽殼體，使用某型號顯示器作為輻射源，在測試頻段內最大程度上保證了全頻段電磁能量的發射。但該輻射源本質上不是天線與信號源的理想模型無法保證每個頻點的高輻射量，當某些頻點的輻射量過低時，輻射淹沒在背景噪聲里，造成最終屏蔽效能的計算值偏小。從另一個角度說明了縮比模型的局限性，即當模型尺寸較小是，無法將所有頻段的天線放入縮比模型中并帶來測試誤差。

4）測試系統誤差：所使用的測量接收機滿足CISPER16關于EMI測量接收機的定義，但不能完全保證當實際測試時，由部分偶發性騷擾信號串如測試系統。

3 結論

本課題采用仿真方法對碳纖維材料的電子機柜進行了仿真研究，利用了當代主流的三維全波電磁仿真軟件CST和現代電磁仿真算法作為研究工具，對該情況下的電子機柜的電場屏蔽效能進行了分析，完成進行了一定的試驗驗證工作。