基于CST泡沫鋁通風(fēng)窗屏蔽性能的有限元模擬*

王錄才，張淑凱，王艷麗，張樹(shù)玲，王 芳

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

基于CST泡沫鋁通風(fēng)窗屏蔽性能的有限元模擬*

王錄才，張淑凱，王艷麗，張樹(shù)玲，王 芳

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

針對(duì)通風(fēng)窗屏蔽材料進(jìn)行了分析研究，運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件 CST (computer simulation technology)仿真了幾種常用通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)的屏蔽效果，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多孔泡沫材料在屏蔽效果上具有一定優(yōu)勢(shì)。研究了頻率、孔徑和孔棱對(duì)多孔泡沫材料屏蔽效果的影響，為高孔隙率泡沫金屬在電子設(shè)備和屏蔽室等方面的研究及應(yīng)用提供了參考。從模擬角度出發(fā)，運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST，研究了泡沫鋁多孔材料的屏蔽性能，并將開(kāi)孔泡沫鋁與蜂窩截止波導(dǎo)通風(fēng)窗進(jìn)行了仿真對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，在兩者尺寸參數(shù)相差不大的情況下，開(kāi)孔泡沫鋁與蜂窩截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的屏蔽性能相差不大；然而，開(kāi)孔泡沫鋁具有更好的防塵效果以及成本上的優(yōu)勢(shì)。研究了頻率、孔徑和孔棱對(duì)泡沫鋁屏蔽性能的影響，結(jié)果顯示，其在0～1 GHz頻段的屏蔽性能逐漸減小，同時(shí)孔徑和孔棱尺寸都會(huì)影響泡沫鋁的屏蔽性能。

多孔泡沫金屬；CST仿真；孔徑；孔棱

隨著人們對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算頻率和存儲(chǔ)能力的要求越來(lái)越高，芯片和元器件的工作頻率也不斷增加，不斷提升的時(shí)鐘頻率使得電磁輻射污染成為了繼大氣污染、水污染和噪聲污染之后的第四大公害。電磁波輻射可擾亂人體的自然生理節(jié)律，導(dǎo)致免疫力下降，造成神經(jīng)衰弱等；甚至可以誘導(dǎo)細(xì)胞變異，造成細(xì)胞癌變以及胎兒畸形等。電磁輻射的輻射源還會(huì)對(duì)電子設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾，尤其是對(duì)于計(jì)算機(jī)、精密儀器、儀表以及智能化儀器設(shè)備等造成影響和危害。夾帶著信息的電磁輻射還可能會(huì)造成電磁信息的泄露，從而威脅到國(guó)家的信息安全。

采用屏蔽技術(shù)是解決電磁輻射問(wèn)題的一個(gè)重要手段，但屏蔽體在阻隔電磁能量的同時(shí)，也不可避免地成為了阻礙氣流暢通的屏障，其可使熱量積聚，芯片和元器件溫度升高，從而影響工作性能[1-2]；因此，電磁屏蔽在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱熱設(shè)計(jì)上存在沖突點(diǎn)。

開(kāi)孔泡沫金屬材料的出現(xiàn)為解決電磁屏蔽應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題提供了另外一條思路。微孔三維泡沫金屬的結(jié)構(gòu)是三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有良好的通風(fēng)效果，電磁信息通過(guò)泡沫金屬時(shí)產(chǎn)生反射、極化、吸收和衰減等電磁現(xiàn)象。從泡沫金屬的截面來(lái)看，其為金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)；從厚度方向看，其可形成風(fēng)的通道。

1 常用通風(fēng)窗的屏蔽原理及分類(lèi)

目前，大多采用金屬網(wǎng)、穿孔金屬平板和截止波導(dǎo)通風(fēng)窗對(duì)通風(fēng)窗進(jìn)行電磁屏蔽[3]。金屬網(wǎng)和穿孔金屬平板的屏蔽效果較低，對(duì)一些精密儀器來(lái)說(shuō)，不能滿足其要求。截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的電磁屏蔽效果雖然很好，但其體積較大，不便安裝于精密儀器及一些便于攜帶的電子儀器設(shè)備中；同時(shí)，其直孔的特點(diǎn)也導(dǎo)致了無(wú)法阻隔灰塵等一些對(duì)電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生巨大危害的顆粒物。為滿足精密儀器的高電磁屏蔽性能和高透氣散熱要求，筆者對(duì)發(fā)泡金屬電磁屏蔽材料進(jìn)行了研究，取得了良好的研究結(jié)果。

1.1 通風(fēng)波導(dǎo)屏蔽原理

根據(jù)波導(dǎo)理論，波導(dǎo)管存在一個(gè)截止頻率，當(dāng)信號(hào)頻率高于截止頻率時(shí)，波導(dǎo)管是導(dǎo)通的；當(dāng)頻率低于截止頻率時(shí)，電磁波被截止或衰減而不能傳輸，波導(dǎo)管實(shí)質(zhì)上是高通濾波器。作為截止波導(dǎo)管，其長(zhǎng)度比橫截面直徑或最大線性尺寸至少要大3倍。利用這個(gè)原理，可以設(shè)計(jì)出相對(duì)于某一頻率的截止波導(dǎo)管，使得干擾信號(hào)的頻率落在波導(dǎo)的截止區(qū)內(nèi)，這樣干擾信號(hào)就不能穿過(guò)波導(dǎo)，即波導(dǎo)起到了電磁屏蔽的作用。工作在截止區(qū)的波導(dǎo)稱(chēng)為截止波導(dǎo)。單根截止波導(dǎo)管的橫截面有矩形、圓形和六角形。截止波導(dǎo)板是由許多截止波導(dǎo)管依次排列組成的波導(dǎo)管陣。屏蔽性能 (shielding effectiveness,簡(jiǎn)稱(chēng)SE)由吸收損耗SZmin(l)、反射損耗Zmax(l)與多次反射損耗B等3個(gè)部分組成,通常吸收損耗SZmin(l)和反射損耗Zmax(l)占主要部分，B項(xiàng)可以忽略不計(jì)[4]。

在屏蔽設(shè)計(jì)中，使用最多的是截面為六角形的截止波導(dǎo)構(gòu)成的蜂窩狀通風(fēng)孔，又稱(chēng)蜂窩波導(dǎo)板(見(jiàn)圖1)。從加工技術(shù)上來(lái)看，方形和圓形截止波導(dǎo)較難成型，而六角形截止波導(dǎo)相對(duì)容易加工成型。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)看，六角形蜂窩結(jié)構(gòu)具有較高的壓縮強(qiáng)度。從表面處理技術(shù)上來(lái)看，六角形蜂窩結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有成型死角，因而在表面處理時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象。

圖1 六角形的截止波導(dǎo)通風(fēng)窗

六角形波導(dǎo)管是利用截止波導(dǎo)高通濾波原理對(duì)電磁波進(jìn)行屏蔽，即截止波導(dǎo)對(duì)高于截止頻率的電磁波予以通過(guò)，而對(duì)于低于截止頻率的電磁波進(jìn)行衰減。截止頻率為：

fc=15/W×109(Hz)

式中，W為六角形蜂窩的外接圓直徑。

1.2 常用的幾種通風(fēng)窗

通風(fēng)窗應(yīng)兼有良好的通風(fēng)特性和電磁屏蔽特性，通常選擇由許多六角形截止波導(dǎo)管構(gòu)成的通風(fēng)板。因截止波導(dǎo)管的屏蔽性能較高，而且每個(gè)波導(dǎo)管的管壁很薄，因此通風(fēng)效果較好[5]。目前，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的有鋁制、鋼制和銅制蜂窩式通風(fēng)板，防塵屏蔽通風(fēng)板和超薄型防塵屏蔽通風(fēng)板等。

通風(fēng)窗的選用及設(shè)計(jì)步驟如下：首先，確定波導(dǎo)管的截面形狀，要屏蔽的最高頻率fmax，以及波導(dǎo)管的截止頻率fc；然后，計(jì)算截止波導(dǎo)管的截面特性尺寸l；最后，根據(jù)要求的屏蔽性能SE確定截止波導(dǎo)管的長(zhǎng)度t。

1.3 發(fā)泡金屬類(lèi)通風(fēng)窗

新型發(fā)泡金屬屏蔽通風(fēng)板的特點(diǎn)是厚度薄、質(zhì)量輕和屏蔽性能高[6-10]，它是由發(fā)泡金屬制成的新型屏蔽通風(fēng)窗。由于發(fā)泡金屬的金屬微孔尺寸很小，可在有限厚度的前提下達(dá)到較高的寬帶屏蔽性能和濾塵性能。屏蔽通風(fēng)產(chǎn)品性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 屏蔽通風(fēng)產(chǎn)品性能對(duì)比

2 CST屏蔽模擬

2.1 CST軟件介紹

本文采用電磁仿真的時(shí)域求解器對(duì)泡沫鋁的近似三維模型進(jìn)行仿真研究。CST[11-13]是全球最大純電磁場(chǎng)仿真軟件公司出品的三維全波電磁場(chǎng)仿真軟件，時(shí)域求解器是CST的主流模塊，它采用時(shí)域有限積分法(finite integration technique,簡(jiǎn)稱(chēng)FIT)對(duì)空間網(wǎng)格進(jìn)行離散。本文選取UG和CST公用格式為公用接口。CST MWS的用戶(hù)界面如圖2所示。

因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)具有可周期拓?fù)湫?，選用CST unit-cell單元胞作為仿真對(duì)象，unit-cell可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的幾何參數(shù)進(jìn)行拓?fù)?。本文中的仿真?duì)象如圖3所示，運(yùn)用unit-cell，只需要計(jì)算出圖3中粗線所環(huán)繞的胞與其他的胞體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可，即如圖4所示的所需參數(shù)。

圖3 需要仿真的單元 圖4 需要計(jì)算的參數(shù)

通過(guò)幾何運(yùn)算，得到：

S1(x)=2sqr(2)l

(1)

S1(y)=sqr(6)l

(2)

Gridangle=asind(sqr(2/3))

(3)

式中，l是孔棱長(zhǎng)度，單位為mm。

將式1～式4輸入到unit-cell求解對(duì)話框中，即可得到拓?fù)鋱D形，如圖5所示。

圖5 unit-cell 模型

2.2 常用通風(fēng)窗模擬

常用的截止波導(dǎo)通風(fēng)窗包括方形、圓形和六角形蜂窩結(jié)構(gòu)。當(dāng)三者空占比相同時(shí)，其屏蔽性能也大致相同。

蜂窩材料的仿真模型及其在0～1 GHz頻段的屏蔽性能如圖6和圖7表示。為增強(qiáng)對(duì)比，這里使屏蔽性能值為負(fù)值。蜂窩材料尺寸為鏤空六邊形，蜂窩孔邊長(zhǎng)為3 mm，孔深為12 mm，厚度為0.5 mm，孔隙率為70.3%。

圖6 蜂窩材料仿真模型

開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能如圖8所示，其模型尺寸為：孔徑3 mm，孔棱1 mm，孔隙率84.1%。

從圖7和圖8可以看出，開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能比蜂窩形截止波導(dǎo)通風(fēng)窗稍差，主要是因?yàn)榉涓C材料的孔棱較厚，其固相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于多孔泡沫材料，所以其電導(dǎo)率較高，屏蔽性能較好。兩者屏蔽性能相差大約10 dB，由于差別較小，因此可滿足大多數(shù)屏蔽環(huán)境的需要。

圖7 蜂窩材料的屏蔽性能

圖8 開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能

奧地利Aluligh公司測(cè)量的開(kāi)孔泡沫鋁板材在0.1～1 GHz頻段的屏蔽性能[14]如圖9所示。該板材材質(zhì)為AlSi10，厚度為12.5 mm。

圖9 開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能測(cè)定值

從圖9可以看出，開(kāi)孔泡沫鋁屏蔽性能實(shí)測(cè)值與仿真模型的模擬結(jié)果基本吻合，說(shuō)明采用CST軟件進(jìn)行建模和仿真計(jì)算是可行的。

考慮到通風(fēng)性能，并且在屏蔽性能可以允許的范圍內(nèi)，兼顧散熱和屏蔽2個(gè)因素，則開(kāi)孔泡沫鋁性能優(yōu)于蜂窩材料。另外，蜂窩材料孔洞為直孔，灰塵無(wú)法過(guò)濾，而多孔材料為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，灰塵可以很好地吸附在通風(fēng)窗表面，清洗方便。

本文針對(duì)影響開(kāi)孔泡沫鋁屏蔽性能的因素，對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁進(jìn)行了模擬，分析了頻率、孔徑和孔棱對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能的影響。

3 開(kāi)孔泡沫鋁結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽性能的影響

3.1 頻率對(duì)泡沫鋁屏蔽性能的影響

結(jié)合電磁屏蔽的傳輸線理論解釋電磁屏蔽原理。電磁波向通孔泡沫鋁中傳播，當(dāng)電磁波到達(dá)泡沫鋁表面時(shí)，部分電磁波被基體鋁導(dǎo)體反射，剩余的電磁波透過(guò)泡沫鋁的表層進(jìn)入泡孔內(nèi)部，經(jīng)過(guò)一個(gè)泡孔直徑的距離到達(dá)泡孔的另一層泡壁，又有部分電磁波反射回入射泡壁，部分電磁波透過(guò)此泡孔進(jìn)入相鄰泡孔，繼續(xù)發(fā)生反射和透射，直至泡沫鋁板的另一側(cè)。上述過(guò)程反復(fù)繼續(xù)。當(dāng)泡沫鋁材料固定后, 其屏蔽性能主要由干擾電磁波頻率決定。

從圖8可以看出，隨著干擾頻率的升高，SZmin(1)和Zmax(1)越來(lái)越小，說(shuō)明反射的電磁波越來(lái)越少，透過(guò)的電磁波越來(lái)越多。泡沫鋁的屏蔽性能隨著頻率的升高而減小，是因?yàn)殡S著頻率的增加，電磁波的穿透能力增強(qiáng)，使開(kāi)孔泡沫鋁的電磁屏蔽性能逐漸降低。

合肥工業(yè)大學(xué)的項(xiàng)蘋(píng)等[15]研究了厚度h=5 mm，孔徑d=1.75 mm，孔隙率p=63.0%的開(kāi)孔泡沫鋁試樣的電磁屏蔽曲線，如圖10所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在50～850 MHz頻段，隨著頻率的增加，試樣屏蔽性能下降；頻率>850 MHz時(shí)，試樣屏蔽性能小幅上升。檢測(cè)結(jié)果整體與CST軟件模擬結(jié)果較好地吻合。

圖10 頻率對(duì)泡沫鋁電磁屏蔽性能的影響

3.2 孔徑對(duì)泡沫鋁屏蔽性能的影響

本文選取3組不同孔徑、相同孔棱尺寸的泡沫鋁進(jìn)行仿真，尺寸參數(shù)見(jiàn)表2，仿真結(jié)果如圖11所示。

表2 3組尺寸參數(shù)

圖11 3組不同孔徑的泡沫鋁模型的屏蔽性能

比較圖11中的曲線可知，電磁波頻率在0～1 GHz 時(shí)，1號(hào)試樣(即孔徑較小的泡沫鋁模型)表現(xiàn)出更好的屏蔽性能，其屏蔽性能比孔徑較大的泡沫鋁高約10 dB。

根據(jù)二維金屬網(wǎng)的屏蔽性能計(jì)算公式可知，對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的泡沫金屬來(lái)說(shuō)，材料的孔徑越小，屏蔽性能越高。這是因?yàn)榭讖皆叫?，材料的表面積就越大，電導(dǎo)率就越高，材料的吸收損耗以及反射損耗就會(huì)較大，屏蔽性能也就越好。

3.3 孔棱對(duì)泡沫鋁屏蔽性能的影響

本文選取3組不同孔棱的泡沫鋁進(jìn)行仿真，尺寸參數(shù)見(jiàn)表3，仿真結(jié)果如圖12所示。

表3 3組尺寸參數(shù)

圖12 3組不同孔棱的泡沫鋁模型的屏蔽性能

比較圖12中的曲線可知,電磁波頻率在0～1 GHz 時(shí)，3號(hào)泡沫(孔棱較大鋁模型)表現(xiàn)出更好的屏蔽性能,其屏蔽性能比孔棱較小的泡沫鋁高約10 dB。這是因?yàn)?從泡沫鋁結(jié)構(gòu)上來(lái)看,當(dāng)2種孔徑泡沫鋁的孔徑相等時(shí),孔棱較粗的泡沫鋁相對(duì)于孔棱較細(xì)的泡沫鋁來(lái)說(shuō),其電導(dǎo)率相對(duì)較大, 材料的吸收損耗和反射損耗都會(huì)較大，屏蔽性能也隨之越好。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST，對(duì)開(kāi)孔泡沫鋁模型與蜂窩截止波導(dǎo)通風(fēng)窗進(jìn)行屏蔽性能仿真。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在兩者尺寸參數(shù)相差不大的情況下，開(kāi)孔泡沫鋁的屏蔽性能略小于蜂窩截止波導(dǎo)通風(fēng)窗的屏蔽性能，但是開(kāi)孔泡沫鋁的防塵效果以及成本優(yōu)勢(shì)明顯。仿真研究了頻率、孔徑和孔棱對(duì)泡沫鋁屏蔽性能的影響,結(jié)果顯示,在0～1 GHz頻段，屏蔽性能逐漸減小，同時(shí)孔徑和孔棱尺寸也都會(huì)影響泡沫鋁的屏蔽性能。

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*山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2011-081)太原科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20102029)

責(zé)任編輯馬彤

工業(yè)機(jī)器人與機(jī)床制造形影不離

工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵應(yīng)用在于運(yùn)動(dòng)控制，而運(yùn)動(dòng)控制則是保證機(jī)床精度的一個(gè)重要因素。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，機(jī)床制造與機(jī)器人制造技術(shù)關(guān)聯(lián)度非常大；因此，近年來(lái)機(jī)床企業(yè)介入工業(yè)機(jī)器人制造的熱情愈發(fā)高漲?！熬堋弊鳛闄C(jī)床區(qū)別于其他機(jī)械的主要特征之一，一直是全球機(jī)床業(yè)不懈追求的目標(biāo)。就像微納時(shí)代的出現(xiàn)離不開(kāi)新興技術(shù)的扶持一樣，機(jī)床工具行業(yè)的智能化技術(shù)應(yīng)用也碩果累累，機(jī)器人的出現(xiàn)更是進(jìn)一步提升了機(jī)床微納的水平，內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已成為智能制造和工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)和重要產(chǎn)品，也是數(shù)控機(jī)床走向自動(dòng)化更高階段不可缺失的重要一環(huán)。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機(jī)器人研究仍然任重而道遠(yuǎn)，在某些關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，尤其在自動(dòng)控制、精加工和材料方面，具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人很少，不少關(guān)鍵元器件至今尚不能自己生產(chǎn)或者性能不高，這些因素已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重影響國(guó)產(chǎn)機(jī)器人做大做強(qiáng)的步伐。

——摘自中國(guó)機(jī)床網(wǎng)

SimulationofVentilationWindowShieldingPerformanceofAluminumFoambaseonCST

WANG Lucai, ZHANG Shukai，WANG Yanli，ZHANG Shuling，WANG Fang

(School of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technoloyy,Taiyuan 030024,China)

Shielding material of ventilation window was analyzed and studied in the paper, the shielding effect of several common ventilation window structure was simulated by the 3D electromagnetic field simulation software CST (computer simulation technology), and porous foam material has certain advantages in the shielding effect,which is found by comparison. The frequency, pore size and pore edges on shielding properties of porous material are studied then,which can provide help for the research and application of high porosity metal foam in electronic equipment, shielded room and so on. By simulant considerations, aluminum foam electromagnetic shielding performance is simulated by using electromagnetic simulation software CST. open-cell aluminum foams and Honeycomb cut-off waveguide of ventilation window are simulated and compared.With two dimensions of similar circumstances,the study found that difference between the shielding properties of open-cell aluminum foams and Honeycomb cut-off waveguide of ventilation window is not significant, but the open-cell aluminum foams has obvious advantages in terms of collection performance and cost. The frequency, pore size and pore edges on shielding properties of aluminum foam are studied, results show that the performance in 0～1 GHz band shielding decreases, while the pore size or pore edges will affect the shielding performance the foamed aluminum.

metal-foam, CST simulation, pore size, pore edges

TB 34

：A

王錄才(1965-)，男，教授，博士，主要從事新型金屬材料及特種鑄造工藝設(shè)備等方面的研究。

2014-08-04