基于HFSS的金屬箱體屏蔽效能的研究

邱詩(shī)浩

摘 要

隨著現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)量及種類不斷增加，使得電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，電子設(shè)備的電磁兼容性能就越來(lái)越重要。在電子電器設(shè)備的金屬機(jī)箱設(shè)計(jì)中，由于需要考慮散熱、通風(fēng)和組裝等問(wèn)題，不同形狀的縫隙是不可避免的，本文通過(guò)電磁仿真軟件Ansoft HFSS，對(duì)金屬機(jī)箱上不同形狀的縫隙對(duì)機(jī)箱屏蔽效能造成的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并得出了結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容 屏蔽效能 HFSS

1 引言

電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）對(duì)電磁兼容（EMC）的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作，并且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。為了保證設(shè)備不受外界復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，并盡可能的不對(duì)其他設(shè)備造成干擾，一般采用金屬機(jī)箱對(duì)敏感設(shè)備進(jìn)行屏蔽，但是，由于設(shè)備的散熱、觀測(cè)和調(diào)試需要等因素的存在，機(jī)箱上的縫隙是不可避免的，外界的電磁干擾通過(guò)這些縫隙耦合到機(jī)箱內(nèi)部，造成電路中敏感器件的波動(dòng)，影響設(shè)備正常工作。電磁屏蔽效能（Electromagnetic Shielding Effectiveness，簡(jiǎn)稱SE） 是一種電磁指標(biāo)，被用以度量電磁屏蔽作用的強(qiáng)弱，它的定義是：在電磁場(chǎng)中同一地點(diǎn)無(wú)屏蔽存在時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度與加屏蔽體后的電場(chǎng)強(qiáng)度之比，用SE表示：

其中，E0是空間中試驗(yàn)點(diǎn)在不采取任何屏蔽措施時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Es是同一試驗(yàn)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)屏蔽體衰減后的電場(chǎng)強(qiáng)度，SE越大，屏蔽效果越好。本文通過(guò)使用Ansoft HFSS仿真軟件，建立了金屬機(jī)箱等效模型，對(duì)不同情形下的電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行了屏蔽效應(yīng)分析，總結(jié)了提高機(jī)箱屏蔽效能的改進(jìn)措施。

2 HFSS模型的建立

Ansoft HFSS作為是一款基于有限元法（FEM）的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，被業(yè)界廣為認(rèn)可，在本文中用以研究多種因素和屏蔽效能的關(guān)系。如圖1，研究選用厚度為0.5mm的鋁制箱體，箱體的幾何尺寸為300×200×100mm，激勵(lì)則使用平面波源，將入射波設(shè)為沿X軸負(fù)方向垂直入射，電場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)位于箱體中心。

3 屏蔽效能研究

為了研究金屬機(jī)箱上的縫隙形狀和大小與屏蔽效能之間的關(guān)系，我們選擇在固定尺寸的機(jī)箱上構(gòu)造不同的縫隙，通過(guò)比較來(lái)研究它們的優(yōu)劣。

3.1 矩形縫隙長(zhǎng)寬比例和屏蔽效能的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選取矩形縫隙，為了使通風(fēng)性能一致，保持矩形縫隙的面積不變，改變箱體上的矩形縫隙的長(zhǎng)寬比例，分別研究80×1.25mm、50×2mm和10×10mm時(shí)的屏蔽效能變化，結(jié)果如圖2所示，10×10mm時(shí)的屏蔽效能最好，50×2mm時(shí)其次，80×1.25mm時(shí)最差。這表明，在其他條件不變的情況下，矩形縫隙長(zhǎng)寬比例和屏蔽效能呈負(fù)相關(guān)。

3.2 縫隙個(gè)數(shù)和屏蔽效能的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選取不同個(gè)數(shù)的圓形小孔陣，保持總開孔面積不變，改變小孔的數(shù)量，分別研究4個(gè)、9個(gè)和16個(gè)圓形小孔的屏蔽效能變化，結(jié)果如圖3所示，16小孔的屏蔽效能最好，9個(gè)小孔其次，4個(gè)小孔最差。這表明，在開孔面積一定的情況下，個(gè)增加開孔個(gè)數(shù)，減小單個(gè)小孔的尺寸有利于提高屏蔽效能。

3.3 縫隙形狀和屏蔽效能的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選取不同形狀的小孔，保持小孔的面積不變，改變小孔的形狀，分別研究正方形、六邊形和圓形時(shí)的屏蔽效能變化，結(jié)果如圖4所示，圓形小孔的屏蔽效能最好，六邊形稍差，正方形最差。這表明，盡量使用圓形小孔能提高箱體屏蔽效能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)電磁仿真軟件Ansoft HFSS，對(duì)金屬機(jī)箱上不同形狀的縫隙對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并得出了結(jié)論：對(duì)于面積固定的矩形縫隙，長(zhǎng)寬比例越小，屏蔽效能越好；不同形狀的小孔中，形狀圓滑的小孔屏蔽效能較好；多個(gè)小孔比單個(gè)大孔屏蔽效能好。因此，在敏感設(shè)備機(jī)箱外殼的設(shè)計(jì)中，建議盡量采用長(zhǎng)寬比例較小的矩形縫隙，通風(fēng)孔形狀盡量圓滑，并且盡量避免大面積開孔，有利于提高機(jī)箱的屏蔽效應(yīng)，避免電磁干擾。

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