波導通風窗在礦用方艙電磁屏蔽中的應用研究

龐 佳，熊書磊，陳貴華，段娜娜，韓衛鹓，單琳媛

（1.河南焦煤能源有限公司，河南 焦作 454150；2.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049）

引言

如今，大型方艙設備在軍事、醫療、電力、礦業等領域已經應用較為廣泛，為了更好地進行戶外獨立性作業，礦用方艙的艙內會攜帶多種電子設備，而礦場周圍環境中復雜的電磁信號會對其正常工作產生干擾，導致設備數據紊亂等后果，因此方艙必須有良好的電磁屏蔽設計[1-3］。同時，方艙還有通風散熱性能的要求，盡管艙體采用金屬材料制作，安裝縫隙和通風窗的存在也會引起干擾信號的孔縫泄漏[4］。此外，艙內的各種電子設備在工作中也會產生較多電磁干擾信號，會在其周圍環境中產生電磁污染[5］。

1 截止波導及屏蔽效能

截止波導可以由鐵、鋁等金屬材料制成，是一種空心管道式結構，由文獻[6］可知，方形波導相比于矩形波導而言，不受電磁波極化方向的影響，本文以方形波導為例，如圖1所示，電磁波可以在波導內部沿著z軸方向傳播。

圖1 方形波導Fig.1 Square waveguide

平面波是一種TEM 波，其在方形波導中沿著z軸傳播時，電場和磁場可以分別表示為：

式（1）中的γ為傳播常數，它滿足：

傳播常數γ決定了平面波在波導內部的傳播特性，當時，傳播常數γ為虛數，平面波沿著波導徑向傳播時不會有衰減；當時，傳播常數γ為實數，平面波在波導內傳播時將會隨著距離的增大而衰減，若方形波導的截面內邊長為a，則截止頻率可以由式（3）來計算[7］：

其中，截止頻率fc的單位為GHz，a的單位為mm。

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）是指在采用屏蔽措施前后某一觀測點的電場或磁場強度的比值，公式（4）用于電場的屏蔽效能計算[8］。

其中，E0表示采用屏蔽措施之前的電場強度，Es表示采用屏蔽措施之后的電場強度。

2 方艙電磁屏蔽仿真分析

2.1 方艙模型

方艙壁板的材料為不銹鋼，壁厚為2mm，尺寸大小為410mm×160mm×218mm。側面安裝有截止波導窗的方艙模型如圖2所示。

圖2 方艙三維結構Fig.2 Three-dimensional structure of the square cabin

如圖3 所示，截止波導窗由完全相同的單個方形波導組成陣列的形式，安裝位置位于側面正中心，單個波導管厚度為1mm，管道長度為20mm，材料為鐵。設置電場強度為1V/m、電場極化方向為x軸、沿著z軸負方向入射的平面波激勵，場監測點位于艙體幾何正中心，求解頻段為0-20GHz。

圖3 截止波導窗結構Fig.3 Structure of cut-off waveguide window

2.2 波導通風窗的屏蔽分析

2.2.1 開孔面積的影響

為研究在單個波導結構保持一致的情況下，波導窗的開孔面積對方艙電磁屏蔽的影響，如圖4分別設置了數量為1×1、3×3和6×6的波導窗結構單個方形波導的尺寸為10mm×10mm×20mm，厚度為1mm。

圖4 不同尺寸的波導窗Fig.4 Waveguide windows of different sizes

監測點得到的電磁場強度如圖5所示。

圖5 監測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.5 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖5（a）、5（b）中可以看出，隨著波導窗開孔面積的增大，使得電磁場更容易進入到方艙內部，因此艙體中心的電場強度及磁場強度幅值都在增大。可以發現波導窗的截止頻率都保持在14GHz附近，由公式（3）可知截止頻率的理論值為15GHz，這是因為每個波導窗的元胞波導是尺寸完全一致的方形波導，而陣列波導的整體截止頻率只取決于元胞波導的結構尺寸。由圖5（c）可知屏蔽效能的變化并不明顯。

2.2.2 開孔數量的影響

如圖6所示，設置了3種不同的工況，波導窗的總面積保持一致，開孔數量分別為2×2、3×3 和4×4，元胞波導均為方形波導。

圖6 不同開孔數量的波導窗Fig.6 Waveguide window with different openings

監測點得到的電磁場強度如圖7所示。

圖7 監測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.7 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖7（a）、7（b）中可以看出，當開孔數量增加時，電場強度和磁場強度的幅值都有較大的衰減，并且截止頻率從數量為2×2時的6GHz上升到數量為4×4的18GHz，這是因為波導窗的面積不變，當元胞波導數量增加時其尺寸也在縮小，從而導致截止頻率在增加。而圖7（c）中，數量為4×4時的屏蔽效能在0-18GHz范圍內都保持較高水平，大約為45dB。在18-20GHz范圍內的屏蔽效能也高于其他兩種情況。

2.2.3 開孔傾角的影響

考慮到在戶外工作時的惡劣環境，若將波導窗向上傾斜適當的角度，可以在保證通風性能和電磁屏蔽性能的基礎上，避免雨水滲入到方艙內部。為研究不同傾斜角度對電磁屏蔽性能的影響，設置了3 種不同的角度，分別是30°、45°和60°，如圖8 所示。波導窗采用數量為6×6 的尺寸結構，且元胞方形波導的尺寸為10mm×10mm×20mm，厚度為1mm。

圖8 不同傾斜角度的波導窗（側視圖）Fig.8 Waveguide window with different tilt angles（side view）

監測點得到的電磁場強度如圖9所示。

圖9 監測點處的電磁場強度及屏蔽效能Fig.9 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

圖9（a）和圖9（b）中，當開孔傾角為30°時，艙內監測點的電磁場強度要比傾角45°和60°時大很多；而開孔傾角為45°和60°時，電磁場強度的幅值幾乎都趨于0，沒有明顯差別。圖9（c）為以電場為例的屏蔽效能曲線，可以發現：當開孔傾角達到60°時，在頻段0-14GHz頻段內，其屏蔽效果相比傾角45°時在最大處的差別為10dB左右，在較高頻段14-20GHz內的差別不大，但仍然優于后者。

圖9（a）和9（b）中并不能明顯地看出45°和60°兩種情況的差別，這是因為，由公式（4）可以知道，屏蔽效能在本質上是將屏蔽前后的電磁場強度幅值取對數函數之后放大20倍的結果，因此屏蔽效能更能明確地表示不同情況下的屏蔽效果，這也是屏蔽效能這一概念的意義所在。

開孔傾角為60°時，在0-20GHz頻段內的電磁場幾乎都被有效地屏蔽，且屏蔽效能在0-12GHz頻段內始終保持較高水平，達到了60dB。這是由于波導管自身的導波作用，電磁波沿著波導管的內壁傳播，當傾斜一定角度時，進入方艙內部的電磁波會經過多次的折射和反射，當到達監測點時其幅值已經經過了多次衰減，因此達到了良好的屏蔽效果。

2.3 方艙電磁屏蔽的數值分析

現如今在分析帶孔艙體的屏蔽效能問題時，常常會使用Dehkhoda等人提出的等效電路模型[9-12］，如圖10所示。

圖10 開孔艙體及其等效電路模型Fig.10 Open-hole cabin and its equivalent circuit model

將入射的平面波看作電壓源激勵，幅值為V0，內阻為Z0；開孔的等效阻抗為Zap，機箱的等效阻抗為Zg。從等效電路可以得出孔陣的阻抗：

式（5）中，n為小孔的總數量，d為方形孔的邊長。孔陣的總面積S為：

由戴維南定理可以得出孔陣處的等效電壓：

相應的阻抗：

從而觀測點P的電壓也能得出：

通過數值分析建立起的模型，電場屏蔽效能可以表示為：

由式（5）、（6）可知，當開孔面積固定時，增大開孔數量，會導致元胞孔的尺寸變小，從而孔陣的整體阻抗會變小；由式（7）到（10）可知，當孔陣阻抗變小時，屏蔽效能會增大，這一結論和上述仿真得到的保持一致。

2.4 方艙內部干擾源的屏蔽分析

本節考慮方艙內部的電子設備對其工作環境的電磁污染情況，以工作頻率為3GHz的半波偶極子天線作為內部干擾源，圖11 為半波偶極子天線示意圖，實際總長度為48mm，橫截圓面半徑為0.1mm，中間端口施加1V的電壓激勵。

圖11 半波偶極子天線Fig.11 Half-wave dipole antenna

將方艙外部一固定點設置為監測點，分別研究3種情況，得到該處的電場強度并計算出屏蔽效能，如圖11所示，圖例1表示沒有任何屏蔽措施的情況，圖例2表示采用6×6規格波導窗時的情況，圖例3表示采用向上傾斜60°、6×6規格波導窗時的情況。

從圖12可以看出，當不采用波導窗進行屏蔽時，偶極子天線產生的電場強度最高可達15V/m，而采用6×6規格的波導窗時，屏蔽效果十分明顯，并且傾斜60°的波導窗，其電場的屏蔽效能在0-20GHz頻段內始終保持在較高水平，這表明所設計的波導窗結構能夠很好地屏蔽來自方艙內部的電磁干擾。

圖12 監測點處的電場強度及屏蔽效能Fig.12 Electric field strength and shielding efficiency at monitoring points

3 結語

經過上述的對比研究可以發現，截止波導窗能有效的屏蔽來自方艙內外的電磁干擾，但是在實際設計時需要兼顧通風性能的要求。增大波導窗面積可以提升通風性能，但是會帶來更多的電磁干擾；波導窗面積固定時，當波導孔的數量增大時，電磁屏蔽效果更好；可以根據方艙內部的設備安放位置，將波導窗適當傾斜一定角度，能夠有效提升屏蔽效能，對設備的安全運行起到一定的保障作用。本文從理論和仿真的角度對截止波導窗結構進行了研究，對方艙結構的電磁屏蔽設計具有一定的指導意義。