孔陣屏蔽效能計(jì)算方式比較

摘 要:機(jī)載電子設(shè)備之間的間距很小,而且通常有用于散熱的功能性孔陣,容易造成電磁泄漏 ,必須進(jìn)行近場屏蔽效能分析.對比分析了采用有限元法的 H FSS和傳輸線法計(jì)算孔陣近場屏蔽效能的結(jié)果,理論分析和計(jì)算結(jié)果均表明,傳輸線法不適合用于近場屏蔽效能計(jì)算.基于 HF SS仿真分析,研究了相關(guān)參數(shù)對近場屏效的影響規(guī)律,提出了提高近場屏效的設(shè)計(jì)方法.

關(guān)鍵詞:孔陣;屏蔽效能;近場

電磁屏蔽是抑制輻射干擾的有效手段 ,是電磁兼容性技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.電子設(shè)備通常難以做到連續(xù)密封屏蔽,機(jī)殼上既有用于散熱、觀察、過電纜等的功能性孔陣,也存在被動(dòng)形成的接縫.而孔陣往往是造成屏蔽體電磁泄漏的重要途徑之一。

機(jī)載設(shè)備艙空間一般十分緊湊 ,為了集成復(fù)雜電子系統(tǒng),設(shè)備之間的間距很小 ,導(dǎo)致輻射源很接近屏蔽體 ,而且安裝環(huán)境惡劣 ,大功率設(shè)備機(jī)殼上常帶有用于散熱的孔陣 ,容易造成電磁干擾.所以研究有孔陣腔體的近場電磁屏蔽效能具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

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屏蔽效能計(jì)算方法

屏蔽效能(shielding effectiv eness,SE)表示屏蔽體對電磁波衰減程度,其定義為同一點(diǎn)沒有屏蔽時(shí)的場強(qiáng)幅度 E0和屏蔽體存在的場強(qiáng)幅度 E1之比,以分貝表示 :

機(jī)殼的屏蔽效能受到材料特性、厚度、形狀,機(jī)殼上孔縫的形狀、尺寸、數(shù)量,機(jī)殼內(nèi)部的模塊印制板,以及輻射源的頻率、入射角和極化形式等的顯著影響.

當(dāng)前工程中對孔陣機(jī)殼的屏蔽效能計(jì)算除實(shí)驗(yàn)測試外 ,主要有基于平面波理論的傳輸線解析計(jì)算法和數(shù)值法兩種[3].常用的數(shù)值方法主要有矩量法 (M OM)、時(shí)域傳輸線矩陣法(T LM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)及有限元法(FEM).

傳輸線法概念清晰 ,計(jì)算方便快捷,能清楚表示出各種參數(shù)對屏蔽性能的影響.而電磁場的有限元法是目前研究比較多的計(jì)算方法 ,應(yīng)用范圍廣,適合分析各種復(fù)雜機(jī)構(gòu) ,配合現(xiàn)代高速、大存儲量的計(jì)算機(jī) ,能夠方便得到較為精確的結(jié)果.ANSOFT公司的 H FSS軟件基于 FEM進(jìn)行電磁場仿真分析,是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件 .本文采用 H FSS仿真,計(jì)算分析主要參數(shù)對近場屏蔽的影響.

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孔陣屏蔽效能計(jì)算方式比較

2.1 孔陣計(jì)算模型

機(jī)箱材料為鋁,外形尺寸為 200 mm×100 mm×100 m m ,壁厚為2 mm ,其中一個(gè)面中心有孔徑為16 mm 、規(guī)格為3 ×2 的孔陣,模型暫不考慮其他接縫問題 .在機(jī)箱外部設(shè)一個(gè)偶極子天線,作為近場輻射源 ,取機(jī)箱內(nèi)部點(diǎn) P(100 mm,50 m m,50 mm)作為屏蔽效能測試點(diǎn) ,以電場屏蔽效能為研究對象 .當(dāng)輻射頻率小于 1 GH z時(shí),模型均處于輻射源近場范圍內(nèi).模型及孔陣如圖 1、圖 2所示 .

2 .2 傳輸線法

Robinson 提出的基于波導(dǎo)理論和傳輸線法的修正孔陣屏蔽效能算法,由于計(jì)算簡便,能清楚表示出各種參數(shù)對屏蔽性能的影響 ,且與采用遠(yuǎn)場屏蔽效能測試標(biāo)準(zhǔn)獲得的測試數(shù)據(jù)吻合良好,所以廣泛用于孔陣屏蔽效能分析 .

對于垂直入射平面波,無限大薄金屬平板上的小孔陣相當(dāng)于與 TEM模傳輸線并聯(lián)的一個(gè)電感性電納[4].假設(shè)孔陣沒有電阻性損耗,孔間距 d1,d2遠(yuǎn)小于波長 ,孔直徑 d小于孔間距,則孔直徑 d遠(yuǎn)小于波長,孔陣結(jié)構(gòu)歸一化并聯(lián)導(dǎo)納近似為

式中 ,λ0和Y0分別為自由空間的波長和本征導(dǎo)納d1和d2分別為水平和垂直孔間距.

如圖 1所示矩形機(jī)殼 ,除含孔陣一面外,其余部分以終端短路的波導(dǎo)表示.波導(dǎo)的特性阻抗和傳播常數(shù)分別為 Zg和 kg,對于矩形金屬機(jī)殼中傳播的TE10模,

式中 ,k0是自由空間的傳播常數(shù) .入射波以電壓 V0和自由空間本征阻抗 Z0≈377Ψ表示.

阻抗 Zah=1/Yah作為連接自由空間和波導(dǎo)的模型.根據(jù)阻抗比的概念,圖 2所示孔陣居中的有效機(jī)殼孔陣阻抗為

根據(jù)等效電路和戴維南定律,孔陣處的等效電壓源及其阻抗為

運(yùn)用傳輸線理論 ,測試點(diǎn) P 電壓為：

式中 ,p為屏蔽體與測試點(diǎn)之間的距離 ,c為屏蔽機(jī)殼的深度.在沒有屏蔽時(shí),P點(diǎn)的阻抗為 Z0,電壓 V′P=V0/2 .所以,機(jī)殼的電場屏蔽效能為

2 .3 屏蔽效能比較

采用相同的模型,傳輸線法計(jì)算的屏蔽效能和根據(jù) H FSS計(jì)算輻射天線距離屏蔽體 20 mm處的近場屏蔽效能如圖 3所示.

根據(jù) HFSS計(jì)算的結(jié)果,在頻率為 600 M Hz左右時(shí),出現(xiàn)了屏蔽效能極大值,這是通過機(jī)殼孔陣進(jìn)入屏蔽體內(nèi)的電磁場在測試點(diǎn)發(fā)生了反向疊加相消導(dǎo)致.而傳輸線法計(jì)算出的屏蔽效能不但沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象,并且一般比 H FSS計(jì)算出近場屏蔽效能要高 ,差別最大處達(dá)到 30 dB以上 .這種計(jì)算誤差的程度已不能被接受 .

由于傳輸線法基于平面波理論 ,計(jì)算必須滿足 2 個(gè)條件:

1)場分量Eθ和H 正交.

2)兩個(gè)場分量之比是媒質(zhì)的本征阻抗,

通常,只有當(dāng)測試點(diǎn)距離輻射源的距離達(dá)到 3個(gè)波長以上才能滿足這 2個(gè)條件[5].而在輻射源的近場,場分量復(fù)雜 ,耦合情況難以用理論公式表示,但近似為:

其中 r為測試點(diǎn)到天線中心的距離 .

傳輸線法從理論上忽略了近場輻射場強(qiáng)度隨距離變化的因素 ,而且也不考慮輻射源類型和近場孔陣耦合對屏蔽效能的影響 ,因此傳輸線法只能適合計(jì)算遠(yuǎn)場屏蔽 ,而采用 FEM的 HFSS成為計(jì)算近場屏蔽有效手段之一.

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孔陣近場屏蔽效能分析

本節(jié)分析輻射源與機(jī)殼的距離、孔間距、孔徑和孔類型等參數(shù)對近場屏蔽的影響 .

3 .1 輻射源與機(jī)殼的距離對近場屏蔽效能的影響

圖 4為輻射天線到機(jī)殼孔陣面的距離分別為20 ,50 ,80 mm ,在100 M Hz ～1 GH z 的屏蔽效能.由圖可得 ,由于天線類型和孔陣耦合的影響,屏蔽效能有一個(gè)極大值 ,并隨著輻射天線與機(jī)殼距離的增加,電磁場相位差發(fā)生改變,極大值對應(yīng)的相消頻率隨之減少 ;在輻射天線到機(jī)殼距離一定時(shí),過了相消頻率后,屏蔽效能隨頻率的增加而減少 ;隨著輻射天線與機(jī)殼距離的增加,屏蔽效能總體趨勢是隨之增加,相消頻率是逐漸降低的.

圖 5為頻率為 1 GH z時(shí) ,屏蔽效能隨輻射天線距離變化的曲線 .隨著距離的增加 ,屏蔽效能逐漸上升,但是上升的趨勢逐漸變緩 ,產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因如式(12)所示:入射的電磁波電場強(qiáng)度 Eθ正比于 1/r3.

3 .2 孔間距對近場屏蔽效能的影響

輻射天線到機(jī)殼孔陣面的距離是 50 mm,圖 6為在 500 M H z和 1 GH z時(shí) ,屏蔽效能隨孔距 d1變化曲線圖.圖 7為在 500 M H z和 1 GH z時(shí) ,屏蔽效能隨孔距 d2變化曲線圖.

從圖 6和圖 7可知 ,隨著孔距增加,機(jī)殼近場屏蔽效能逐漸增加.屏蔽效能隨孔距 d1變化的幅度不大 ,而 d2與天線的極化方向平行,對屏蔽效能影響較大,在頻率較低時(shí)尤為明顯.

3 .3 孔徑對近場屏蔽效能的影響

分析孔徑尺寸變化時(shí)近場屏蔽效能的變化 .保證孔邊距 d2-d=d1-d=2 mm不變 ,天線距離機(jī)殼 50 m m條件下 ,圖 8為 500 M H z和 1 GH z屏蔽效能隨孔徑 d變化曲線圖.

從圖 8可知,隨著孔徑增加 ,2種頻率對應(yīng)的機(jī)殼近場屏蔽效能都逐漸減少 ,而且減少的幅度較大,但是減少的趨勢變緩慢 .增加孔徑可以有效增加機(jī)殼散熱通風(fēng)的橫截面積,應(yīng)通過分析計(jì)算找到滿足屏蔽和散熱設(shè)計(jì)需求的最優(yōu)尺寸.

3 .4 孔類型對近場屏蔽效能的影響

對比分析工程中常用的圓孔孔陣和正方形孔陣,進(jìn)行近場屏蔽效能仿真分析.保持孔距不變 ,頻率掃描范圍為 100 M Hz～ 1 GH z,圖 9為輻射天線距離機(jī)殼 50 mm,圓孔、內(nèi)接方孔和等面積方孔孔陣近場屏蔽效能對比.圖 10為輻射天線距離機(jī)殼 80 mm ,上述3 種孔陣近場屏蔽效能對比.

從圖 9、圖 10可知 :當(dāng)頻率小于相消頻率時(shí),受到天線類型及孔陣耦合影響,2種方孔孔陣的屏蔽效能比圓孔孔陣高;大于該頻率后 ,內(nèi)接方孔孔陣與圓孔孔陣相差很小 ,其最大差值不超過 1 dB,因?yàn)閳A孔和內(nèi)接方孔內(nèi)最遠(yuǎn)兩點(diǎn)的距離相同,均為圓孔直徑 ,根據(jù)縫隙天線相關(guān)理論 ,輻射電場強(qiáng)度與孔內(nèi)最遠(yuǎn)兩點(diǎn)距離(方孔對角線)有關(guān) ,故兩者的屏蔽效能區(qū)別很小;等面積方孔陣 ,由于對角線大于圓孔直徑 ,屏蔽效能要低 1 dB左右 .

由于機(jī)殼的散熱性能與孔陣總的散熱通風(fēng)面積有關(guān),保持總面積不變 ,模型采用 3×2孔陣、6×4孔陣、9×6孔陣三種規(guī)格的屏蔽體進(jìn)行仿真分析.孔孔邊距 d2-d=d1-d=2 mm不變 ,頻率掃描范圍為 100 M Hz～ 1 GH z.圖 11為3種規(guī)格近場屏蔽效能隨頻率變化曲線圖 .

保持孔陣總面積不變的情況下,增大孔陣規(guī)模,即減少了單個(gè)孔的孔徑 .如圖 11所示 ,隨著孔陣規(guī)模的增大,屏蔽效能也隨之增加 ,增加的趨勢比較明顯 .

輻射場會在屏蔽機(jī)殼上產(chǎn)生感應(yīng)電流 .感應(yīng)電流產(chǎn)生的反射場可以抵消輻射場,從而實(shí)現(xiàn)屏蔽效果 .為了使屏蔽體達(dá)到良好的抵消效果,感應(yīng)電流必須無阻礙地流動(dòng),而屏蔽體上的縫隙會打斷感應(yīng)電流的流動(dòng),減少屏蔽效能.垂直于感應(yīng)電流方向的縫隙寬度對屏蔽效能影響很大 ,如圖 12所示 ,帶箭頭線條即表示感應(yīng)電流及其流動(dòng)方向 .對于圓孔,縫隙寬度就是孔直徑.當(dāng)用許多個(gè)小孔代替 1個(gè)大孔 ,散熱作用與大孔相差不大,但是對感應(yīng)電流的干擾很小,如圖 13所示 ,因此減小了開孔引起的屏蔽效能.

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結(jié) 論

通過對孔陣腔體近場屏蔽計(jì)算分析可知 :

1)由于近場場分量復(fù)雜,基于平面波理論的傳輸線法不適合用于近場屏蔽計(jì)算;

2)輻射源與屏蔽體之間的距離對近場屏蔽效能有很大影響,因此在條件允許時(shí) ,機(jī)載設(shè)備之間安裝距離應(yīng)盡量增加以提高屏蔽效能 ;

3)面積相同時(shí),一般情況下圓孔比方孔屏蔽效能高 1dB左右 ,加工條件允許時(shí),應(yīng)盡量選用圓孔孔陣 ;

4)孔陣的孔距增加時(shí),近場屏蔽效能隨之增加,但幅度較小且受到機(jī)殼外形尺寸限制.孔徑的影響較大,在不影響散熱性能的基礎(chǔ)上,提高近場屏蔽效能最有效的方法是減小孔徑 ,增大孔陣規(guī)模 .