帶開孔金屬腔體內(nèi)部耦合場強分布的實驗研究

夏志勇,王輝,胡新,肖集雄,徐曉英

(1武漢理工大學理學院,湖北武漢 430070;2武漢大學電氣工程學院,湖北武漢 430070)

帶開孔金屬腔體內(nèi)部耦合場強分布的實驗研究

夏志勇1,王輝1,胡新1,肖集雄2,徐曉英1

(1武漢理工大學理學院,湖北武漢 430070;2武漢大學電氣工程學院,湖北武漢 430070)

對入射頻率100～1 000 M Hz內(nèi)通過矩形開孔耦合入金屬腔體內(nèi)部的場強分布進行了實驗研究,分析了矩形開孔尺寸與發(fā)生諧振現(xiàn)象時腔體內(nèi)部場強分布間的關系,為從理論角度定量研究腔體內(nèi)部耦合場強分布提供了實驗依據(jù),對電子設備金屬腔體內(nèi)的PCB板或敏感元器件的放置方式起到一定的指導作用.

電磁屏蔽;金屬腔體;場強分布;孔縫耦合

目前,關于帶開孔金屬腔體屏蔽效能的研究日益成熟,各種有效的提高帶開孔金屬腔體屏蔽效能的方法被提出并應用于電子設備的設計中[1-3],增強了電子設備的抗電磁干擾能力,使其能夠在復雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定運行.然而,由于電子設備中不同的構(gòu)成模塊所能承受的電磁干擾強度不同,僅從宏觀角度研究金屬腔體的屏蔽效能還不能對電子設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計進行指導,故需要對帶開孔金屬腔體內(nèi)部耦合場強分布特點及規(guī)律進行深入的研究[4-5].

由于電磁波在通過開孔耦合入腔體過程的復雜性,從理論角度準確推導出腔體內(nèi)部場強的分布具有很大的難度;而仿真方式雖然能夠?qū)ч_孔金屬腔體內(nèi)部耦合場強分布進行模擬,但計算的時間復雜度及誤差都比較大.本文采用實驗的方法,對不同矩形開孔下金屬腔體內(nèi)部耦合場強的分布進行了研究,為從理論角度進行研究提供實驗依據(jù).

1 實驗方法

本實驗由3部分組成:模式攪拌電波混響室,帶孔縫金屬腔體和場強自動測試系統(tǒng).

實驗所采用的混響室為某國防重點實驗室的大型模式攪拌電波混響室,其尺寸為10.5 m×8 m×4.3 m,可用測試空間為6.5 m×5.0 m×2.2 m.該混響室由英國Rainfo rd公司建造,由高反射屏蔽室,機械式攪拌裝置(2個)與控制器,場發(fā)射天線,場參考天線,三坐標場強測試系統(tǒng),安裝有專用控制、數(shù)據(jù)處理軟件的計算機以及射頻信號發(fā)生器SM L 01,雙通道功率計NRVR,寬帶功率放大器50WD1000組成.其主要技術(shù)指標為,輸入功率4 kW時,平均場強為2 000 V/m,峰值為7 000 V/m;場均勻度400 M Hz;頻率80 M Hz～18 GHz.系統(tǒng)的發(fā)射天線采用發(fā)射頻率范圍為100～1 500 M Hz的對數(shù)周期天線.射頻信號發(fā)生器SML 01的頻率范圍為9 k Hz～1.1 GHz.

帶孔縫金屬腔體由鋼制材料制成,尺寸為80 cm×70

cm×100 cm;腔體壁一側(cè)是可拆卸的帶有不同尺寸矩形孔的金屬板.本次實驗采用的矩形開孔尺寸有50 mm×40 mm,200 mm×10 mm,200 mm×40 mm等幾種.

場強自動測試系統(tǒng)由水平導軌、步進電機、光纖傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動處理和存儲程序構(gòu)成.測試位置如圖1所示,以腔體幾何中心為軸心建立三維直角坐標系,以坐標原點為中心,在腔體中線AB,CD上分別對稱地取80個測試點,各點之間的距離為5mm.本次實驗主要研究垂直于開孔以及平行于開孔處的強場分布,故主要的測量點選在垂直線AB,平行線CD上.

圖1 腔體簡圖與測試取樣直線Fig.1 Cavity diagram and the testing sam ple line

2 實驗結(jié)果分析

2.1AB,CD上平均場強的比較

以50 mm×40 mm和200 mm×40 mm矩形開孔為例,入射頻率為100～1 000 M Hz(發(fā)射天線的發(fā)射頻率為100～1 500 M Hz),步長取100 M Hz,將所測數(shù)據(jù)制成表格,如表1,2所示.

從表1可以看出,在頻率低于700 M Hz時,中線AB上的平均場強均高于同頻率下CD中線上的場強,而當頻率大于700 M Hz時,腔體內(nèi)AB中線上的平均場強卻低于同頻率下CD中線上的場強.當矩形開孔長邊增加至200 mm,在頻率大于700 M Hz時,腔體內(nèi)AB中線上的平均場強低于同頻率下CD中線上的場強,而在低頻部分卻不存在類似于50 mm×40 mm時的特點.

根據(jù)電磁波傳播理論,腔體內(nèi)場強是由經(jīng)開孔衍射進入腔體的電磁波以及腔體壁的多次反射形成的.根據(jù)惠更斯-菲涅爾波的衍射理論,電磁波經(jīng)衍射在矩形孔截面法線方向AB上振動加強,使得AB上的平均場強高于CD上的平均場強.隨著開孔的增大或者入射頻率的增強,入射波波長與矩形孔尺寸的比值降低,孔的衍射效應被打破,電磁波經(jīng)開孔耦合進入腔體的能量增加,波的反射作用加強,AB由于反射波的疊加使得原振動幅度降低,而CD上則由于反射波的疊加出現(xiàn)振動加強點.

表1 50 mm×40 mm不同頻率下AB,CD方向上測得的平均場強Tab.1 50 mm×40 mm,the average f ield strength in the direction of AB,CD tested in differen t frequency

表2 200 mm×40 mm不同頻率下AB,CD方向上測得的平均場強Tab.2 200 mm×40 mm,the average field strength in the direction of AB,CD tested in differen t frequency

2.2 共振現(xiàn)象發(fā)生時AB,CD中線上場強分布的特點

以50 mm×40 mm,200 mm×10 mm為例,研究腔體發(fā)生諧振現(xiàn)象(諧振頻率為400 M Hz)時中線AB, CD上場強分布的特點.通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,可得結(jié)果如下:

1)入射頻率為400 M Hz時AB,CD中線上場強分布的特點

從圖2中可以看出,AB中線上場強的分布對于原點不具有對稱性.這是由于AB垂直于矩形孔截面, AB上的點在物理結(jié)構(gòu)模型上不具有對稱性,經(jīng)矩形孔衍射進入腔體內(nèi)的電磁波隨著距離的增加而減弱,而對應開孔的腔體壁的反射作用卻在增強,衍射與反射的疊加在AB上形成的振動強度不同.圖3顯示,CD中線上場強的分布對于原點具有對稱性.這是由于CD平行于矩形孔截面,CD上的點在物理結(jié)構(gòu)模型上具有對稱性,不但衍射電磁波而且反射電磁波在CD上都對于腔體中心對稱,波的疊加作用在CD上所形成的振動幅度基本一致,從而形成了較為對稱的振動分布圖像.

2)諧振現(xiàn)象發(fā)生時AB,CD中線上場強的最大值及平均值

對于矩形開孔尺寸為200 mm×10 mm,200 mm×40 mm,200 mm×70 mm的腔體,在入射頻率為400 M Hz時腔體內(nèi)均發(fā)生諧振現(xiàn)象,其內(nèi)部場強的最大值和平均值如表3所示.

圖2 不同矩形開孔腔內(nèi)AB中線上場強分布Fig.2 Field distribution in AB line tested with differen t rectangle apertures

圖3 不同矩形開孔腔內(nèi)CD中線上場強分布Fig.3 The field distribution in CD line tested with different rectangle apertures

表3 不同矩形開孔下入射頻率為400M Hz時腔體中線AB,CD場強的最大值和平均值Tab.3 Themax and average field strength both in AB and CD tested in the frequency of 400 M Hz with differen t apertures

從表3中可以看出,對于長邊相同的矩形開孔,隨著短邊寬度的增加,腔體內(nèi)中線上AB,CD場強的最大值和平均值均有很大程度的提升.這是由于隨著矩形孔寬度的增加,通過開孔耦合進入腔體內(nèi)部的電磁波強度變大,從而使反射波能量也得到了極大的提高.由于諧振現(xiàn)象的發(fā)生,使得腔體內(nèi)場強在200 mm× 70 mm處超出了外部場強.

3 總結(jié)

本文研究了不同矩形開孔下金屬腔體內(nèi)部場強分布的情形,從而對電子設備金屬腔體內(nèi)的PCB板或敏感元器件的放置方式起到一定的指導作用.如在中線AB的-80 mm(OA線上)處,中線CD的-40 mm (OC線上)與130 mm處耦合進腔體的場強較其他位置要大,像這些典型位置則應盡量避免放置敏感元器件,以減小電磁干擾.

實驗表明:在入射頻率為100～1 000 M Hz的范圍內(nèi),當開孔線度遠小于入射波長時,腔體內(nèi)垂直于開孔截面的中線AB上的場強大于平行于截面的中線CD方向上的場強;隨著開孔線度接近于入射波長,腔體內(nèi)的場強分布有了明顯的變化,場強在CD上的分布高于AB上的分布.從整體情況來看,AB中線上的場強分布不具有對稱性,而CD中線上的場強分布具有明顯的對稱性.

[1]HODJA T F,MO IN IR,SHAFIEEM.Shielding effectiveness of rectangular enclosures with aperture using multiresolution method of moments[Z].IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility,Honululu,2007.

[2]M IYA TA S,KA YANO Y,INOUE H.EM radiation through aperture of metallic enclosure w ith a PCB inside[Z].A sia-Pacific Symposium on EMC,Singapo re,2008.

[3]GU Chunhong.Shielding effectiveness of an enclosure w ith apertures[Z].IEEE 2005 International Symposium on M icrowave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications,Beijing,2005.

[4]周金山,劉國治,王建國.矩形孔縫耦合特性試驗研究[J].強激光與粒子束.2003,15(12):1228-1234.

[5]馬飛.微波脈沖與帶縫非金屬腔體、金屬腔體耦合的研究[D].長沙:國防科學技術(shù)大學研究生院,2008.

Experimental Research on Coupling Field Distribution in Metal Cavity with Aperture

XIA Zhi-yong1,WANGHui1,HU Xin1,XIAO Ji-xiong2,XU Xiao-ying1
(1 School of Science,W uhan University of Technology,W uhan 430070,China; 2.School of Electrical Engineering,W uhan University,W uhan 430070,China)

The field distribution w hich coup led through the rectangle aperture into metal cavity was researched according to the experiment w hich incident f requency range was 100 to 1000M Hz.The relationship betw een the size of rec tangle apertu res and field distribu tion at the time w hen the resonance phenomenon was happened was analyzed in this paper,all of w hich p rovided experimental evidence to quantitative study on coup ling field distribution in cavity w ith aperture in theo ry.The experimental study aims at giving some guidance for electronic devices w ith metal cavity to p lace co rrectly the PCB or sensitive components.

electromagnetic shielding;metal cavity;field distribution;aperture coup ling

O 441.5

A

1000-1565(2010)05-0481-04

2010-03-05

國防科技重點實驗室基金資助項目(9140C8702050903)

夏志勇(1984—),男,湖北武漢人,武漢理工大學碩士研究生,主要從事電磁兼容方向研究.

(責任編輯:王蘭英)