基于有限元方法的波導管結構電磁屏蔽屏蔽效能分析

王立龍,吳明贊,李 竹

(南京理工大學自動化學院,南京 210094)

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基于有限元方法的波導管結構電磁屏蔽屏蔽效能分析

王立龍,吳明贊*,李 竹

(南京理工大學自動化學院,南京 210094)

提出一種在屏蔽箱體孔縫結構的外部增加截止波導管結構的方法,利用截止波導管對高頻電磁波的衰減作用來提高屏蔽箱體屏蔽效能。基于有限元法分別對截止波導管的長度、厚度及其形狀進行仿真,仿真結果表明:在0.1 GHz～1 GHz頻率范圍內,隨著截止波導管長度及厚度的增加屏蔽箱體屏蔽效能提高15dB以上,圓形和矩形截止波導管對屏蔽效能影響不大。根據(jù)實際情況合理選擇截止波導管的長度及厚度可以提高微弱信號處理電路的電磁抗干擾能力。

微弱信號;波導管;電磁屏蔽;有限元法;

電磁屏蔽是用屏蔽材料制成屏蔽箱體,將電磁能量限制在一定的空間范圍內從而抑制輻射干擾。根據(jù)實際需要,通常要在屏蔽箱體上開孔,孔縫的出現(xiàn)導致屏蔽箱體屏蔽效果降低,已有的對孔縫結構處理方法是減少孔縫長度、孔縫面積不變的情況下多開孔、圓形孔代替矩形孔等[1-4]。這些方法雖然可以提高屏蔽箱體屏蔽效能,但是對于屏蔽要求較高的微弱信號處理電路還不足以很好的屏蔽外部空間電磁干擾[5]。在此基礎上論文在屏蔽箱體孔縫處加入截止波導管,基于有限元法對其長度、厚度及其形狀進行仿真分析。

1 電磁屏蔽機理與波導管理論

1.1 屏蔽效能

屏蔽效能是一種通過在源和目標點之間插入屏蔽體、用以降低或削減空間指定點電磁場的優(yōu)值系數(shù)。定義為無屏蔽的情況下電場E1[或磁場H1]在給定點r處的絕對值,與存在屏蔽狀態(tài)下電場Et[或磁場Ht]在給定點r處的絕對值之比。屏蔽效能單位通常用SE來表示,單位為dB。

電場屏蔽效能定義為:

(1)

磁場屏蔽效能定義為:

(2)

對于輻射近場,電場和磁場的波阻抗不同,因此電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能一般是不相等的。對于輻射遠場,平面波電磁場是統(tǒng)一的整體,電場和磁場的波阻抗相等,電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能是相等的。統(tǒng)稱為電磁屏蔽效能,即:

SE=SEE=SEH

(3)

1.2 單層屏蔽分析模型

單層屏蔽結構如圖1所示,均勻平面波電磁場以一定的角度射向單層屏蔽體,屏蔽層表面對電磁波的反射作用以及吸收作用使得電磁波強度得以衰減,傳播系數(shù)TE為:

(4)

20lg|eγl|-20lg|p|+20lg|1-qe-2γl|=

A+R+B(dB)

(5)

式中,A是電磁波在屏蔽體中的傳輸損耗。R是電磁波在屏蔽體的表面產(chǎn)生的反射損耗。B是電磁波在屏蔽體內多次反射損耗。f為電磁波頻率,μr為相對磁導率,σr為相對電導率,δ為集膚深度,L為屏蔽體的厚度,ZS為屏蔽體介質的波阻抗。單層屏蔽材料對高頻平面電磁波干擾的屏蔽效果可以用這3者之和來表示[6]。

圖1 均勻平面波入射單層屏蔽層表面

1.3 波導管理論

屏蔽效能主要取決于表面上開孔的最大徑向尺寸。開孔尺寸越大電磁泄漏也就越嚴重,屏蔽效能就越差。為了提高屏蔽效能,可以在不改變總面積的情況下多開孔,增加孔間距[6]。由電磁理論可知,波導管對于在其內傳播的電磁波起著高通的作用,高于波導管截止頻率的電磁波可以通過,對低于截止頻率的電磁波會產(chǎn)生嚴重衰減[7]。如圖2所示。

圖2 波導管的截止頻率

不同形狀和結構的波導管有著不同的截止頻率,矩形波導管截止頻率fc=15×109/d(Hz/cm),圓形波導管截止頻率fc=17.6×109/d(Hz/cm),其中fc單位為Hz,d是最大開口尺寸,單位為cm。低于截止頻率的電磁波從波導管的一端傳輸至另一端會產(chǎn)生一定的衰減,其衰減的大小與波導管的長度成正比,其關系式為:

(6)

箱體的總體屏蔽效能為屏蔽層與波導管兩者屏蔽效果之和。

2 基于有限元方法的仿真驗證

這篇文章使用基于有限元方法的電磁場仿真軟件Ansoft HFSS建立截止波導管屏蔽箱體模型,并對其屏蔽效能進行仿真分析,得出屏蔽箱體屏蔽效能隨頻率變化的曲線。本次仿真的求解形式采用模式驅動。屏蔽箱體設置成良導體,尺寸為30 cm×12 cm×30 cm,壁厚D=1 mm。設定入射波為平面波,沿縫隙面即Z軸負方向垂直入射。平面波電場強度為1000 V/m,沿著Y軸正向極化,選取箱體中心點為屏蔽效能測試點。

2.1 截止波導管對屏蔽效能的影響

圖3 截止波導管結構及屏蔽箱體仿真模型

圖3所示左側是長為L邊長為d的波導管剖面圖,當L≥d時該結構才可以稱為截止波導管[8]。右側為屏蔽箱體模型,箱體工作在0.1 GHz～1 GHz范圍內,因此矩形波導截止頻率必須大于1 GHz,由矩形波導管截止頻率fc=15×109/d(Hz/cm)可得,波導邊長小于15 cm。在最上端增加了有10個正方形通孔的波導管,波導管邊長d=1 cm,長度L=3 cm,相鄰的兩個方孔中心間距為1.1 cm,10個孔的總面積為10 cm2,在箱體外設置一個輻射邊界條件,尺寸為60 cm×42 cm×60 cm。矩形截止波導管對屏蔽箱體屏蔽效能的影響如圖4所示。

圖4 加入截止波導管后屏蔽效能的改變

從圖4可以看出:加入波導管與不加波導管相比,箱體的屏蔽效能在整個0.1 GHz～1 GHz頻段中都大大提高,尤其是在0.6 GHz～0.8 GHz之外的頻段平均提高15 dB,0.7 GHz處為箱體的諧振頻率,在此處兩者的屏蔽效果都有所下降,諧振頻率是由箱體的結構的尺寸決定的。如果內部電路的工作頻率在0.7 GHz附近,可以調整箱體尺寸來改變箱體的諧振頻率。

2.2 截止波導管的長度及厚度對屏蔽效能的影響

把模型中的截止波導管長度L分別設置為0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm,其他條件不變,截止波導管長度對屏蔽效能的影響如圖5所示。

圖5 波導管長度對屏蔽效能的影響

對于波導管厚度對屏蔽效能的影響,仿真模型采用圓形波導進行仿真分析,管壁厚度D分別設置為0.05 cm、0.1 cm、0.3 cm。仿真結果如圖6所示。

圖6 波導管管壁厚度對屏蔽效能的影響

從圖5屏蔽效能曲線上可以看出:波導管長度增加時,箱體的屏蔽效能也增加,長度越長,屏蔽效果越好。當長度每增加1 cm,屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz頻段提高4 dB～10 dB,由圖6可以得出:隨著管壁厚度的增加箱體整體的屏蔽效能也不斷提高,管壁由0.05 cm增至0.1 cm時,屏蔽效能提高大約4 dB,再由0.1 cm增至0.3 cm時,屏蔽效能又提高了近10 dB,由此可以得出以上結論。從兩幅仿真結果圖上總結出一個共同點:0.7 GHz附近為箱體的諧振頻率,此處箱體屏蔽效能大大下降,因此通過濾波消除0.7 GHz噪聲的干擾。屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz頻段屏蔽效能隨著平面電磁波的頻率增加而不斷下降,因此在高頻部分對電磁干擾的抑制將變得更加困難。

2.3 截止波導管通孔形狀對屏蔽效能的影響

在保持通孔總面積、通孔之間間距以及長度不變的條件下,只改變波導管的形狀再進行仿真,觀察箱體屏蔽效能的變化。表1總面積、通孔間距以及長度相同時的屏蔽效能。

表1 總面積相同、通孔間距以及長度相同時箱體的屏蔽效能

由表1可以看出,在總面積相同、通孔間距以及長度相同時波導管的形狀對箱體的屏蔽效能的影響并不是非常明顯。在0.1 GHz到0.4 GHz頻段圓形和矩形孔對應的屏蔽效能相差平均不到2 dB,在接近箱體諧振頻率時,即在0.5 GHz到0.8 GHz段屏蔽效能相差達到最大,平均為4 dB,在0.8 GHz到1 GHz頻段基本無差距,隨著頻率的進一步提高屏蔽效能已無差別。由仿真數(shù)據(jù)可知圓形和矩形波導管對箱體屏蔽效能的影響不大。由于兩種結構在材料制作上來看圓形波導管比矩形波導管消耗更多的材料,波導管不宜制作成圓形。

3 結束語

孔縫的存在使得屏蔽箱體的屏蔽效能大大下降,對外部電磁干擾的抑制能力減弱,這篇文章的解決辦法是在孔縫處加入波導管結構,并對其進行了理論分析?；谟邢拊椒▽ζ帘蜗潴w屏蔽效能進行仿真分析得出,截止波導管結構能夠提高屏蔽箱體的屏蔽效能,且波導管的長度、管壁厚度及通孔形狀都能夠對其造成影響:增加波導管長度和管壁厚度可以提高屏蔽效能,但是波導管通孔的形狀對其低于其截止頻率的屏蔽效能影響并不是很明顯。在考慮到成本方面波導管不宜采用圓形通孔。這篇文章不足之處在于只考慮了外部電磁干擾對屏蔽效能的影響,沒有對內部微弱信號處理電路對屏蔽效能的影響。

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王立龍(1989-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,研究方向為嵌入式系統(tǒng)硬件,ahnjwu@sina.com。

AnalysisofElectromagneticShieldingEffectivenessforWaveguideBasedonFEM

WANGLilong,WUMingzan*,LIZhu

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

A method joining waveguide out of the shield structure is presented,by using the effect of the attenuation of high-frequency electromagnetic waves in waveguide to improve shielding effectiveness. Finite element method is used to modeling and simulation of the waveguide length,thickness and the shape. The simulation results show that:in the range of the 0.1 GHz～1 GHz frequency,the shielding enclosure shielding effectiveness with the increase of length and thickness of the waveguide has improved 15 dB and also improved a little on the rectangular and circular waveguide. According to the actual situation to choice a reasonable length and the thickness of the waveguide,the electromagnetic immunity of the weak signal processing circuit can be improved.

weak signal;wave guide;electromagnetic shielding;finite element method

2013-12-06修改日期:2014-01-07

O441

:A

:1005-9490(2014)06-1068-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.012