基于機(jī)柜殼體屏蔽效能的電磁仿真與測(cè)試

關(guān)羽

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222006）

概述

RE102是GJB 151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)，是軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)必不可少的項(xiàng)目之一[1,2]。RE102主要測(cè)量受試設(shè)備和分系統(tǒng)通過(guò)空間傳播、地面反射等方式產(chǎn)生的電場(chǎng)輻射場(chǎng)強(qiáng)。提高殼體的屏蔽效能可以提高RE102的通過(guò)概率。電磁屏蔽效能良好的殼體可以將電磁場(chǎng)干擾源至設(shè)備的傳播途徑切斷[3]，從而消除或減弱干擾源對(duì)設(shè)備的不良影響。

電磁仿真技術(shù)的核心是基于麥克斯韋方程、場(chǎng)域邊界條件以及介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系[4]，利用計(jì)算機(jī)求解電磁場(chǎng)分布，此技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品殼體的屏蔽效能進(jìn)行仿真分析[5]。為降低設(shè)備輻射發(fā)射量，提高設(shè)備殼體屏蔽效能時(shí)重要的手段之一。

1 仿真算法的選擇

一般的電磁仿真問題依據(jù)電尺寸和仿真帶寬可以分為四大類，即電大尺寸的寬帶問題，電大尺寸的窄帶問題，電小尺寸的寬帶問題以及電小尺寸的窄帶問題。據(jù)此可以選擇不同的仿真算法，算法的選擇影響到仿真的計(jì)算量和分析問題的準(zhǔn)確性。

對(duì)于電磁兼容仿真問題屬于典型的電大尺寸寬帶問題，通常采用時(shí)域方法解決，如時(shí)域有限積分法（FITD）。因?yàn)闀r(shí)域方法是利用脈沖發(fā)生器將電磁脈沖加入系統(tǒng)中，以卷積概念中的沖擊函數(shù)與系統(tǒng)函數(shù)卷積可以類比。在系統(tǒng)輸出端得到輸出響應(yīng)，然后通過(guò)頻譜分析得到系統(tǒng)在寬頻帶范圍內(nèi)的響應(yīng)。也就是說(shuō)，利用時(shí)域方法分析寬頻帶電磁場(chǎng)問題，只需要經(jīng)過(guò)一次計(jì)算就能得到結(jié)果，提高了計(jì)算效率。

時(shí)域有限積分法的理論基礎(chǔ)是Maxwell方程組，是Maxwell方程組在空間網(wǎng)格上的離散性形式。麥克斯韋方程組推導(dǎo)的網(wǎng)格方程是（1）。

式中：

h—磁場(chǎng)強(qiáng)度；

j—電流密度；

d—電位移矢量；

e—電場(chǎng)強(qiáng)度；

b—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

q—單位電荷量。

以此為基礎(chǔ)，用中心差分代替時(shí)間倒數(shù)，生成顯示方程，以下為無(wú)耗情況下的時(shí)間積分方程（2）：

通過(guò)以上方程組，可以在時(shí)間軸上交替求解電壓和磁通，從而得到完整的時(shí)間空間電磁場(chǎng)分布。

2 碳纖維殼體模型的建模仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真模型的一般設(shè)置

依據(jù)GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》RE102電場(chǎng)輻射發(fā)射的測(cè)試要求“圖56適用于潛艇的RE102限值”頻率范圍，仿真頻段設(shè)置為10 kHz～1 GHz。同時(shí)依據(jù)文獻(xiàn)確定碳纖維的電導(dǎo)率為62500 S/m，介電常數(shù)取值8.5，磁導(dǎo)率取1。

2.2 仿真模型建立

機(jī)柜一般主要由金屬殼體、對(duì)外轉(zhuǎn)接板、散熱設(shè)備等組成。各類單位可以進(jìn)行抽拉形式安裝。同時(shí)在某些型號(hào)機(jī)柜上還具備顯示和操控單位，可以方便進(jìn)行內(nèi)部模塊操控管理和電子機(jī)柜功能配置。在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)，在CST模型創(chuàng)建環(huán)境下應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）模型尺寸單位應(yīng)預(yù)先進(jìn)行確定，使用越低級(jí)的單位，如毫米（mm），后期的網(wǎng)格劃分越精確；

2）模型各個(gè)細(xì)節(jié)或模塊的相對(duì)位置應(yīng)盡量貼近實(shí)際設(shè)計(jì)需求；

3）模型各個(gè)細(xì)節(jié)或模塊若材料特性不統(tǒng)一，應(yīng)分開進(jìn)行設(shè)置，如模型殼體為碳纖維，但內(nèi)部模塊抽拉裝置以及模塊分層間隔為金屬，應(yīng)分別設(shè)置模塊參數(shù)。

基于以上分析選擇某型號(hào)電子機(jī)柜作為仿真模型構(gòu)建樣本，如圖1。該模型具備較為全面的功能模塊，代表了所內(nèi)類似產(chǎn)品的共性特點(diǎn)。

圖1 碳纖維仿真模型

鑒于碳纖維殼體模型的對(duì)稱性，在內(nèi)部的中心線位置每間隔200 mm設(shè)置一個(gè)垂直極化電場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)視器和一個(gè)水平極化電場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)視器。這樣就形成了殼體外發(fā)射，殼體內(nèi)部接收的收發(fā)測(cè)試模型。依據(jù)電磁場(chǎng)的互異性定理，殼體對(duì)外部電場(chǎng)衰減多少（S12），即為其對(duì)應(yīng)頻段的屏蔽效能。

2.3 屏蔽效能仿真結(jié)果

依前文所述，將屏蔽效能仿真結(jié)果依據(jù)頻率范圍和極化方向進(jìn)行區(qū)分，得到的仿真結(jié)果如圖2。

圖2 屏蔽效能仿真結(jié)

從仿真結(jié)果可以看出，碳纖維材料殼體的屏蔽效能在大部分頻段超過(guò)60 dB，在某些頻率點(diǎn)無(wú)法達(dá)到，如26～30 MHz頻段屏蔽效能大于58 dB，200 MHz～1 GHz頻率范圍水平極化屏蔽效能大于40 dB。

因此從仿真結(jié)果可以得到的結(jié)論是：使用碳纖維材料的殼體作為設(shè)備機(jī)柜，其屏蔽效能總體滿足所內(nèi)產(chǎn)品的使用要求，在個(gè)別位置和個(gè)別頻段應(yīng)從設(shè)計(jì)上考慮材料自身缺陷。

2.4 屏蔽效能的試驗(yàn)驗(yàn)證

縮比模型驗(yàn)證法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約模型生產(chǎn)成本，降低驗(yàn)證費(fèi)用。缺點(diǎn)是縮比模型本質(zhì)上是對(duì)實(shí)物殼體的精簡(jiǎn)，無(wú)法完全反映實(shí)物殼體的全部細(xì)節(jié)，因此僅當(dāng)殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)采用縮比模型驗(yàn)證法對(duì)仿真的精度做定量驗(yàn)證。結(jié)合測(cè)試環(huán)境并考慮到研究實(shí)際和驗(yàn)證的成本問題，選擇縮比模型驗(yàn)證。

1）驗(yàn)證模型的制備

由于麥克斯韋方程組的線性性，當(dāng)模型的物理尺寸縮小n倍時(shí)，測(cè)試頻段提高n倍，假設(shè)n=2，即選擇1∶2的縮比碳纖維材料模型進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)仿真的比例參數(shù)，制作了碳纖維材料殼體，材料為市場(chǎng)成品T300碳纖維板材，殼體高度40 cm，寬度和長(zhǎng)度約為25 cm，材料厚度2 mm，基本符合機(jī)柜殼體1∶2縮小比例要求，如圖3。

圖3 碳纖維材料殼體

2）驗(yàn)證測(cè)試

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)RE102電場(chǎng)輻射發(fā)射的測(cè)試要求進(jìn)行布置，首先測(cè)試背景電磁環(huán)境確定背景合格，再使用某寬頻輻射源和接收天線測(cè)試沒有屏蔽殼體狀態(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值，最后使用某寬頻輻射源和接收天線測(cè)試有屏蔽殼體狀態(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4。

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3）試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果

最終垂直極化和水平極化的反推測(cè)試結(jié)果，由此依據(jù)屏蔽效能的定義可以計(jì)算出垂直極化和水平極化的屏蔽效能，如圖5。

圖5 屏蔽效能結(jié)果

圖5 屏蔽效能結(jié)果（續(xù)）

2.5 結(jié)果分析與誤差討論

從屏蔽效能的結(jié)果上看，碳纖維殼體在RE102測(cè)試頻段10 kHz～1 GHz具備較好的屏蔽效果，從趨勢(shì)上看仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本符合，但也有不少的誤差，誤差的主要來(lái)源分析如下：

1）仿真誤差：仿真誤差主要涉及仿真模型構(gòu)建，仿真算法選擇，仿真網(wǎng)格和網(wǎng)格擴(kuò)展劃分，在這些因素中仿真網(wǎng)格帶來(lái)的誤差因是主要誤差，因?yàn)榫W(wǎng)格劃分直接影響到計(jì)算量的多少，間接的成為運(yùn)算收斂時(shí)間的衡量指標(biāo)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)其邊界條件的不同產(chǎn)生的誤差也不斷積累，最終導(dǎo)致仿真結(jié)果的誤差。

2）縮比模型的誤差：縮比模型本質(zhì)上是對(duì)仿真模型或設(shè)計(jì)模型的一種簡(jiǎn)化，這種簡(jiǎn)化省略了仿真中的某些因素，同時(shí)測(cè)試時(shí)頻率的轉(zhuǎn)換還會(huì)涉及到輻射源和天線的輻射能力的限制。

3）輻射源帶來(lái)的誤差：為了將輻射信號(hào)裝進(jìn)屏蔽殼體，使用某型號(hào)顯示器作為輻射源，在測(cè)試頻段內(nèi)最大程度上保證了全頻段電磁能量的發(fā)射。但該輻射源本質(zhì)上不是天線與信號(hào)源的理想模型無(wú)法保證每個(gè)頻點(diǎn)的高輻射量，當(dāng)某些頻點(diǎn)的輻射量過(guò)低時(shí)，輻射淹沒在背景噪聲里，造成最終屏蔽效能的計(jì)算值偏小。從另一個(gè)角度說(shuō)明了縮比模型的局限性，即當(dāng)模型尺寸較小是，無(wú)法將所有頻段的天線放入縮比模型中并帶來(lái)測(cè)試誤差。

4）測(cè)試系統(tǒng)誤差：所使用的測(cè)量接收機(jī)滿足CISPER16關(guān)于EMI測(cè)量接收機(jī)的定義，但不能完全保證當(dāng)實(shí)際測(cè)試時(shí)，由部分偶發(fā)性騷擾信號(hào)串如測(cè)試系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本課題采用仿真方法對(duì)碳纖維材料的電子機(jī)柜進(jìn)行了仿真研究，利用了當(dāng)代主流的三維全波電磁仿真軟件CST和現(xiàn)代電磁仿真算法作為研究工具，對(duì)該情況下的電子機(jī)柜的電場(chǎng)屏蔽效能進(jìn)行了分析，完成進(jìn)行了一定的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。