大型通風孔口組合式通風波導窗防護性能研究

李剛 呂芳 郇峰 白剛

（1.96911部隊，北京 100000；2.軍事科學院國防工程研究院，北京 100000；3.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西太原 030032）

0.引言

科學技術的飛速發展對電子信息安全帶來了重大威脅，隨著政府部門、企事業單位以及大量涉密場所對電子信息安全的重視，屏蔽機房、屏蔽室、保密會議室等電磁屏蔽工程作為防止信息泄露和電磁干擾的關鍵措施日益被普及[1-3]。從原理上講，電磁屏蔽工程是一個用金屬材料制成的封閉六面體[4]，為了滿足內部空間的通風需求，不可避免地要在工程結構上設置通風口，而通風口的存在破壞了屏蔽體的電連續性，嚴重降低了屏蔽體的屏蔽效能[5-7]。

波導窗在滿足通風條件的同時兼具電磁屏蔽的功能特性，被廣泛應用于電磁屏蔽工程的通風系統[6-8]。波導窗由多個波導管組合而成，如圖1所示。電磁波在波導管中經過吸收、反射，能量逐漸損耗[9-10]，由此實現電磁屏蔽的功能特性。但是由于輻射源在多個波導管處的泄漏源在監測點會發生干涉效應[11]，導致波導窗包含的波導管數目越多，整個波導窗的屏蔽效能越低，當波導管參數一定時，表現為波導窗面積越大，屏蔽效能越差。這就導致在通風需求較大的場景中，采用大面積通風波導窗無法滿足屏蔽效能的要求。

圖1 通風波導窗實物圖

本文針對大面積通風波導窗屏蔽效能下降的問題對波導窗的電磁屏蔽特性展開具體分析，首先以單根波導管為研究對象，分析波導孔形狀、大小及波導管長度對屏蔽效能的影響，其次研究陣列波導管中孔距和陣列面積對屏蔽效能的影響特性，然后提出將大面積通風波導窗劃分為多個小波導窗的改進方法，并分析相鄰波導窗間隔的大小對屏蔽效能的影響規律，最后總結通風波導窗的電磁屏蔽特性，并給出大面積通風波導窗屏蔽效能優化的一般性建議，為通風波導窗的設計及參數優化提供理論基礎。

1.單根波導的電磁屏蔽特性研究

常見的通風波導窗按波導孔形狀主要分為圓形、方形和六邊形，在通風面積和波導管長度等其他參數一定時，圓形和六邊形波導管的屏蔽效能差別很小，而方形波導管的屏蔽效能要好于圓形和六邊形波導管[9]。在通風波導窗的實際應用中，考慮到制作工藝、結構強度等因素，使用最為廣泛的波導管類型是六邊形波導管，下文均以正六邊形波導管為研究對象展開電磁屏蔽特性研究。

正六邊形波導管參數包括六邊形孔徑L和長度H，如圖2所示。

圖2 波導參數

1.1 孔徑L對屏蔽效能的影響

改變孔徑L的大小，仿真計算不同孔徑下單根波導的屏蔽效能，結果如圖3所示。波導管表現出高通低阻的電磁屏蔽特性，隨著孔徑的增大，屏蔽效能降低。孔徑的大小直接影響波導的截止頻率，孔徑越小截止頻率越高，對于六邊形波導，其截止頻率fc可用如下公式估算[11]：fc=15/L，式中截止頻率fc單位為GHz，孔徑L的單位為cm。

圖3 波導孔徑L對屏蔽效能的影響

1.2 長度H對屏蔽效能的影響

改變長度H的大小，仿真求解不同長度下單根波導的屏蔽效能，結果如圖4所示。波導長度與波導截止頻率無明顯關系，但是其對屏蔽效能的影響非常明顯，表現為長度越大屏蔽效能越好。

圖4 波導長度H對屏蔽效能的影響

2.陣列波導的電磁屏蔽特性研究

以陣列波導為研究對象，分析陣列波導孔距D和陣列面積S（見圖5）對屏蔽效能的影響規律。

圖5 陣列波導參數

2.1 陣列波導孔距D對屏蔽效能的影響

改變相鄰波導間孔距D的大小，仿真求解不同孔距下陣列波導的屏蔽效能，結果如圖6所示。在截止頻率以下，隨著孔徑D的增大屏蔽效能提高，這是因為孔徑的增大會降低窗口的開孔率，使得電磁波的耦合路徑變少，從而提高了屏蔽效能。

圖6 孔距對屏蔽效能的影響

2.2 陣列波導面積S對屏蔽效能的影響

截取不同面積的陣列波導，仿真求解不同面積下陣列波導的屏蔽效能，如圖7所示。隨著陣列面積的增大，屏蔽效能降低。這是由于輻射源在多個波導管處的泄漏源在監測點發生同相位疊加的干涉效應，導致監測點場強變大，面積越大波導管數目越多，干涉效應越明顯，所以表現為陣列面積的增大導致了屏蔽效能的下降。

圖7 陣列面積對屏蔽效能的影響

3.大面積通風波導窗屏蔽效能改進設計

根據上文的分析結果并結合實際應用情況可知通風波導窗屏蔽效能隨窗口面積的增大而下降，而增加、減小孔徑、增加波導長度、增加孔距和減小陣列面積的方法雖然能夠提高屏蔽效能，但均會對窗口的通風效果造成影響。為了在保證通風量的前提下提高大面積通風波導窗的屏蔽效能，提出將大面積通風波導窗分隔為由多個小波導窗組合而成的組合模型，如圖8所示，相鄰小波導窗的橫向間隔為x，縱向間隔為y。

圖8 大面積通風波導窗的分隔組合模型

通過仿真計算不同間隔下組合模型的屏蔽效能，結果如圖9所示，其中x=y=0為分隔之前的計算結果。從圖中可以看出，分隔之前的屏蔽效能（紅色曲線）低于分隔之后，相鄰小波導窗之間間隔的存在使屏蔽效能譜線形成了新的諧振點（圖9中的A、B、C、D點），且隨著間隔的增大諧振點向低頻移動。諧振點的存在使屏蔽效能譜線看來雜亂無章，但是從300MHz～700MHz的頻率區間依然可以看出，隨著相鄰小波導窗間隔的增大屏蔽效能越來越高。

圖9 不同間隔下分隔模型的屏蔽效能

4.結論

通過對單根波導及陣列波導電磁屏蔽特性的研究，得出了波導各參數對屏蔽效能的影響規律，然后針對大面積通風波導屏蔽效能下降的問題，提出分隔組合模型的改進方法，并研究了相鄰小波導窗間隔的大小對組合模型屏蔽效能的影響。具體結論總結如下：

（1）對于單根波導：在孔徑和波導管長度一定時，圓形波導和六邊形波導的屏蔽效能接近，方形波導的屏蔽效能優于圓形波導和六邊形波導；波導管孔徑越大屏蔽效能越差，且孔徑的大小直接影響波導孔的截止頻率，孔徑越小截止頻率越高；波導管長度越長屏蔽效能越好。

（2）對于陣列波導：相鄰波導管孔距增大會降低整體結構的開孔率，使電磁波的耦合路徑變少，進而提高屏蔽效能；波導管參數一定時，陣列面積的增大意味著波導管數目增多，更多的波導管泄漏源在監測點發生干涉疊加效應，使得監測點場強變大，即屏蔽效能下降。

（3）針對大面積通風波導屏蔽效能下降的問題，可將大面積波導窗劃分為多個小波導窗分隔排布來提高屏蔽效能，且相鄰小波導窗間隔越大屏蔽效能越高。