孔縫對電子設備機箱屏蔽效能影響的分析

摘 要：電子設備機箱由于散熱及外接其他設備等原因需要開有各種孔縫，從而導致其電磁屏蔽效能降低。采用時域有限差分（Finite Difference Time Domain， FDTD）算法，仿真分析了不同開孔形狀、開孔尺寸、開孔數量及開孔間距的孔縫對電子設備機箱屏蔽效能的影響。為電子設備機箱提高屏蔽效能工程設計提供依據，同時也為散熱結構設計提供電磁兼容方面參考。

關鍵詞：時域有限差分算法 屏蔽效能 孔縫耦合 電磁脈沖

中圖分類號：TJ760.3

Analysis of Influence of Enclosure Holes on Shielding Effectiveness of Electronic Equipment Cabinet

LI Lei

Southwest Institute of Electronic Technology， Chengdu， Sichuan Province， 610036 China

Abstract： Due to heat dissipation and connection with external equipment， electronic equipment cabinet needs to have various holes and slots， which leads to the reduction of its electromagnetic shielding effectiveness. The Finite Difference Time Domain （FDTD） algorithm was used to simulate and analyze the effects of different shapes， sizes， numbers and spacings of enclosure holes on the shielding effectiveness of electronic equipment cabinet. It provides a basis for the engineering design of electronic equipment cabinet to improve shielding effectiveness， and also provides a reference of heat dissipation structure design for the electromagnetic compatibility.

Key Words： Finite Difference Time Domain Algorithm; Shielding Effectiveness; Hole Coupling; Electromagnetic Pulse

電磁脈沖可由諸如核爆炸、電磁脈沖炸彈、高功率微波武器等多種方法生成，且能對電子設備造成巨大損害[1]。電磁脈沖耦合進入電子設備的途徑主要分為前門耦合與后門耦合。前門耦合是指電磁能量被天線或其他線纜等耦合進入電子系統內[2]；后門耦合是指電磁能量穿過目標上的散熱孔洞或接縫等進入電子系統內[3]。屏蔽機箱可以有效降低電磁脈沖對其內部電路的危害，逐漸成為了減少后門耦合的一種重要手段。因此，關于電子設備機箱的屏蔽特性分析研究成為近年來的研究熱點。理想的屏蔽機箱必須把敏感電路全部包圍，不能有任何破壞屏蔽效果的如電纜連接等穿透，而實際工程中由于散熱、安裝等因素，機箱上存在很多孔縫，使得外部干擾源通過孔縫耦合到其內部，并與內部的電路進一步耦合產生電壓干擾和電流干擾[4]。因而，孔縫對電子設備機箱屏蔽效能影響的研究具有現實意義。針對上述問題，本文通過FDTD算法仿真分析了孔縫的形狀、尺寸、數量、間距對電子設備機箱屏蔽效能的影響，為電子設備機箱屏蔽措施提供設計指導。

1 問題分析與建模

屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）是用來表征屏蔽體對電磁波衰減程度的物理量，單位為dB，其表達式如下[5]：

式（1）中：為未屏蔽時某一觀測點的場強，為屏蔽時該位置的場強。如果在屏蔽效能計算中使用的是磁場，則稱為磁場屏蔽效能；如果計算中用的是電場，則稱為電場屏蔽效能。屏蔽效能的值越大表示屏蔽效果越好；反之表示屏蔽效果越差。

研究機箱屏蔽效能，實際就是求解電磁場問題，而電磁脈沖作為一種瞬態電磁現象，通過時域數值算法仿真便具有先天優勢。時域算法可通過一次仿真模擬，獲得整個空間的時域響應并通過Fourier變換，就可以在很寬的頻率范圍內，獲得其對應的頻域響應。已有的各種時域計算方法中，FDTD算法因其適應性廣的優點，成為了電磁場模擬仿真中最重要方法之一。其直接求解Maxwell方程組的兩個旋度方程，不需要進行其他轉化，因而直接反映電場和磁場之間的物理規律[6]。

FDTD算法的主要原理為將Maxwell旋度方程轉化為差分方程，將整個空間和時間網格劃分為離散的采樣值，如圖1所示。在給定了激勵源后，隨著時間步的迭代，電場和磁場交替更新，從而模擬了各種現實中的電磁現象。通過觀測這些網格中電磁場值，便可獲得整個計算空間的時域電磁信息。

為了分析開有孔縫的電子設備機箱在電磁脈沖輻照下的屏蔽效能，本文以某型金屬機箱為研究對象，機箱材料設為理想導體，尺寸為300 mm′200 mm′240 mm。入射電磁脈沖以平面波形式正對孔縫垂直入射，入射波為垂直極化波，并在設備機箱的中心設置觀測點，如圖2所示。

電磁脈沖波形采用美國Bell實驗室提出的高空核爆電磁脈沖波形，其表達式為：

式（2）中：=1.05，=50 kV/m，=4.76′108 s-1，=4.0′106 s-1。其時域波形和頻譜，分別如圖3和圖4所示。

2 屏蔽效能仿真分析

下面將以上述模型為例，分別針對孔縫的形狀、尺寸、數量、間距對電子設備機箱屏蔽效能的影響進行仿真分析。

2.1 開孔形狀

在保證開孔面積相同的條件下，分析開孔形狀對機箱屏蔽效能的影響。分別設置正方形單孔邊長為40 mm×40 mm，圓形單孔半徑為40/πmm，矩形單孔邊長為80 mm×20 mm。不同的開孔形狀屏蔽效能仿真結果如圖5所示。

由圖5可見，950 MHz以下頻段，圓形開孔的屏蔽效能最好；950～1 600 MHz頻段，正方形開孔的屏蔽效能最好；1 600 MHz以上頻段，正方形開孔與圓形開孔屏蔽效能基本相同，矩形開孔屏蔽效能較差。綜合來看，開孔面積相同條件下，正方形和圓形開孔的屏蔽效能基本相當，矩形開孔的屏蔽效能最差。同時由圖可見，3種開孔的屏蔽效能在802 MHz、1 626 MHz、1 700 MHz和1 934 MHz頻點附近出現明顯惡化的情況。根據腔體諧振理論分析可知，其主要由入射電磁脈沖引起機箱諧振導致的，4個諧振頻率分別對應110、130、112及310諧振模式。

2.2 開孔尺寸

根據上節分析結果，正方形和圓形的屏蔽效果更好。本節以正方形開孔為例，分析開孔尺寸對機箱屏蔽效能的影響。分別設置正方形開孔邊長尺寸為20 mm、30 mm和40 mm。不同的開孔尺寸屏蔽效能仿真結果如圖6所示。

由圖6可見，邊長40 mm與邊長20 mm的正方形開孔相比，屏蔽效能下降了約45 dB。因而可知，開孔形狀相同的條件下，開孔越大，屏蔽效能越差。同時，對比圖6中的腔體諧振頻率點可知，開孔尺寸不會影響機箱內的場分布形式，只會引起場強的變化。

2.3 開孔數量

在開孔總面積相同的條件下，分析開孔數量對機箱屏蔽效能的影響。開孔總面積為1 600 mm2，開孔數量分別為單孔、2×2開孔和3×3開孔，開孔相鄰兩邊間距2 mm。不同的開孔數量屏蔽效能仿真結果如圖7所示。

由圖7可見，2×2開孔相比單孔的屏蔽效能提高了約50 dB，3×3開孔比2×2開孔的屏蔽效能提高了約25 dB。由此可知，在開孔面積相同的條件下，增加開孔數量可以較大提高屏蔽效能。同時，對比圖7中的腔體諧振頻率點可知，改變開孔數量也不會影響機箱內的場分布形式，只會引起場強的變化。

2.4 開孔間距

在開孔總面積及開孔數量相同的條件下，分析開孔間距對機箱屏蔽效能的影響。開孔總面積為1 600 mm2，開孔數量為3×3開孔，開孔相鄰兩邊間距分別為2 mm、4 mm和6 mm。不同的開孔間距屏蔽效能仿真結果如圖8所示。

由圖8看見，隨著開孔間距增大，機箱屏蔽效能在1 600 MHz以下頻段略有提高，而在1600MHz～950 MHz 950～1600 MHz頻段略有下降。總體來說，開孔間距對屏蔽效能的影響不明顯。對比圖8中的腔體諧振頻率點可知，改變開孔間距同樣不會影響機箱內的場分布形式，對場強的影響也不大。

3 結語

本文采用FDTD算法，以孔縫對電子設備機箱屏蔽效能的影響為研究對象，分別仿真分析了開孔形狀、開孔尺寸、開孔數量及開孔間距對屏蔽效能的影響。研究結果表明：在工程設計中應優先考慮采用圓形或正方形開孔；同時在開孔總面積不變的條件下，盡量增加開孔數量，減小單個開孔面積等措施來提高電子設備機箱的屏蔽效能。

參考文獻

[1]聶坤林，趙瑋，李鵬，等.某型車輛在高空核爆炸環境下的電磁脈沖耦合特性[J].兵工學報，2022，43（2）：372-382.

[2]鮑獻豐，陳曉潔，李瀚宇，等.基于FDTD的時域混合方法及其在天線前門耦合數值模擬中的應用[J].強激光與粒子束，2021，33（12）：121-126.

[3]張龍，田明宏，宋正鑫，等.雷達裝備強電磁脈沖防護現狀及發展考慮[J].現代雷達，2020，42（5）：13-16.

[4]張鄭，馮成德.基于HFSS的電源機箱屏蔽效能的仿真分析[J].機械，2020，47（7）：35-41.

[5]張玉廷，王振興，董亞凱，等.衛星無線傳能系統主動電場屏蔽效能分析[J].宇航學報，2021，42（5）：669-676.

[6]任書磊.基于FDTD的典型目標電磁散射計算方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.