舰载机箱的磁场屏蔽特性仿真

陈节贵 方重华

1中国舰船研究院，北京100192 2电磁兼容性国防科技重点实验室，湖北 武汉430064

舰载机箱的磁场屏蔽特性仿真

陈节贵1方重华2

1中国舰船研究院，北京100192 2电磁兼容性国防科技重点实验室，湖北 武汉430064

以往针对机箱电场屏蔽特性的研究较多，而对其磁场屏蔽特性的研究较少。然而，电场和磁场的屏蔽特性并不完全一样。因此，针对舰载机箱所受到的电磁辐射和干扰的威胁特征，基于有限积分技术对典型舰载机箱结构开展了磁场屏蔽特性仿真研究。获取了重要的机箱内部磁场屏蔽效能、箱内磁场分布和电流分布等仿真结果。而且屏蔽效能的仿真结果与IEEE文献中测试与计算结果吻合得很好，充分验证了仿真的有效性。最后，对磁场屏蔽效能、内场分布和表面电流分布进行了分析。特别是对机箱非正面的电流分布给出了合理解释，主要原因是与入射场的极化相关。研究成果对机箱的电磁防护设计提供了有力的技术支撑。

舰载机箱；屏蔽结构；电磁防护；屏蔽效能；仿真

1 引言

在现代战争中，抗电磁打击能力是电子装备在战场生存的重要保证。对于现代舰船而言，为了减小舰船上通信系统遭受电磁武器攻击，金属屏蔽结构常被用来作为对应的防护措施，如图1所示。一般而言，金属结构的屏蔽性能采用屏蔽效能（SE）来衡量［1－2］。在现实情况中，为了连接信号线、馈电线以及用于观测和散热等，我们需要在金属屏蔽结构的壁上开一些缝、孔甚至观测窗口等。但正是这些孔缝等成为外部电磁能量进入装备系统内部的耦合路径，造成腔体内部谐振，降低电磁屏蔽效能。近年来，许多学者致力于提出相关理论和开展相关的实验来研究不同的金属屏蔽结构，把握其屏蔽特性及机理，以提高电子设备的屏蔽效能［3－4］。

图1 典型金属外壳屏蔽结构

然而，以往的屏蔽效能研究主要集中于电场屏蔽效能方面，而少有文献涉及磁场屏蔽效能方面。因此，本文主要针对典型舰载机箱的磁场屏蔽特性开展研究，基于有限体积法（FIT）对机箱的磁场屏蔽效能、内场分布和电流分布进行了仿真和比对验证，获取了有助于提高舰载电子装备防护能力的结论。具体内容组织如下：第二部分介绍屏蔽效能的定义；第三部分介绍了有限体积法基本原理和研究对象；第四部分给出电磁波照射时的典型机箱的磁场屏蔽效能以及电流分布，并分析得出相应的机理。

2 屏蔽效能定义

在绝大多数文献中，屏蔽效能的定义如下：

式中，Eint和Hint分别是未作屏蔽时的电场强度和磁场强度，Eext和Hext分别是屏蔽后的电场强度和磁场强度；SEE和SEH分别是电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能。对同一个机箱而言，一般有下述关系：

由此可见，在磁场的屏蔽效能研究上是不能照搬电场屏蔽效能的研究结论的。因此，有必要对机箱的磁场屏蔽特性单独加以研究。

3 研究方法和对象

众所周知，有限体积法是一种用来分析电磁波与复杂结构相互作用的数值全波方法，已被广泛地用于三维金属结构屏蔽效能的研究。有限体积法由Weiland教授首先提出［5］。该数值方法提供了一种通用的空间离散化方案，可用于解决各种电磁场问题，从静态场计算到时域和频域的高频应用与其他的许多数值方法不同，有限体积法将下列积分形式的麦克斯韦方程离散化，而不是离散化微分形式的麦氏方程：

其离散化的数学过程以方程（4）为例来作简单说明（图2），首先将Faraday定律应用在单个六面体网格（晶格）之上，然后将方程（4）左边的表达式严格地展开为晶格的4条边上电压之和，而将方程右边定义为4条边所形成的曲面的磁通量随时间的导数。不断重复这一边程，即可得到问题对应的线性方程组。

图2 FIT技术细节

4 建模与仿真结果

在本节中，我们建立了典型机箱的几何模型和电磁模型，分别如图3和图4所示。机箱的材质采用的是理想导体，厚度为1 mm。这一尺寸足以满足我们所关心频段的趋肤深度，所以电磁波对机箱壁的穿透是可以忽略的。对于缝隙这样的特殊位置则采用了子网格技术来模拟其特殊的几何特征，如图4所示。子网格技术的使用既可以保证孔缝这类精细结构的电磁特性被有效表征，又不会增加大量的网格数。

图3 标准机箱尺寸及入射波

图4 机箱的网格模型（包含子网格）

相关计算信息如下：

计算频率： 0.1～2 GHz

正六面体网格数： 73 600

网格尺寸： 1／10×最小波长

电磁波的入射和极化方向如图3所示。

图5和图6分别给出的是典型机箱内磁场屏蔽效能的仿真结果和IEEE文献［1］的测试与计算结果。从图中可以看出，机箱内3个不同位置的磁场屏蔽效能值均吻合得较好 （尤其是机箱中心处），验证了仿真方法的正确性和有效性。而且，都在700 MHz附近观察到了显著的谐振峰。这与机箱的第一谐振频率（707 MHz）是非常接近的，说明此频点的磁场屏蔽效能下降主要是由机箱的谐振引起的。图7则给出的是在2 GHz时，机箱缝隙处沿x、y、z轴的磁场分布云图。在沿x轴的缝隙处切面的云图显示，整个机箱被电磁波照射的表面上磁场很小，仅仅在两个窄边边缘较大。沿y和z轴的缝隙处切面的云图显示出该机箱对磁场较好的屏蔽效果。机箱内外的磁场场强相差非常明显，即使在缝隙处的场强也较小。而且，值得注意的是，机箱内的磁场也基本上是呈准谐振分布状态。而机箱的表面电流分布则如图8所示。由图可见，由于是正面照射，感应电流主要分布在机箱的正面，其次是图中的上下表面，而两侧相对较小。非正面的电流分布主要取决于入射波的极化方向。由于两侧的法矢量与入射磁场平行，根据J→= n×，故对应的电流值极小。只有在边缘处，受边缘效应的影响才略有部分电流分布。

图5 机箱内不同位置的磁场屏蔽效能仿真

图6 IEEE文献的测试与计算结果

图7（a） 机箱的x方向截面磁场场强云图（与缝隙表面平行，频率2 GHz）

图7（c） 机箱的z方向截面磁场场强云图（与缝隙长边平行，频率2 GHz）

图8 机箱的表面电流分布（频率2 GHz）

5 结束语

本文采用有限积分技术对典型舰载机箱的磁场屏蔽特性进行了仿真研究。获取并分析了屏蔽效能、内场分布以及表面电流等重要结果。而且结合入射波的极化特点，对机箱非正面的电流分布给出了合理的解释。

研究舰载机箱在外部电磁波辐射下的磁场屏蔽效能以及内部磁场等分布是极富于工程应用价值的。本文的研究方法和结果对于提高电子设备抗电磁武器打击的防御能力，保障通信、雷达和导航等设备的正常工作具有重要指导和借鉴意义。

［1］ROBINSON M P，BENSON T M，CHRISTOPOULOS C，DAWSON J F，GANLEY M D，MARVIN A C，PORTER S J，THOMAS D W P.Analytical formulation for the shield鄄ing effectiveness of enclosures with apertures［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，1998，40（3）：240-248.

［2］POUHE D，MONICH G.Assessment of shielding effective鄄ness of gaskets by means of the modified Bethe's coupling theory［J］.IEEE Trans，Electromagn，Compat，2008，50（2）：305-315.

［3］LI M，DREWNIAK J L，RADU S，NUEBEL J，HUBING T H，DUBROFF R E，VAN DOREN T P.An EMI estimate for shielding－enclosure evaluation ［J］.IEEE Trans on Electromagn Compat，2001，43（3）：295-304.

［4］FANG C G，ZHENG S Q，TAN H，XIE D G，ZHANG Q.Shielding effectiveness measurements on enclosures with various aperture by both mode－tuned reverberation cham鄄ber and stem cell methodologies［J］.Progress In Electro鄄magnetics Research B，2008，2：103-114.

［5］CST GmbH，CST MICROWAVE STUDIO.user’s Manual 2009［M］.Darmstadt，Germany CST-Computer Simulation Technology AG，2008.

Simulation of Magnetic Shielding Effectiveness of the Enclosures on Ships

Chen Jie-gui1Fang Chong-hua2
1 China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China 2 The National Key Laboratory of Science and Technology of EMC，Wuhan 430064，China

Previous studies mainly focus on electrical field shielding effectiveness，but rarely touch upon the magnetic field shielding effectiveness.Actually magnetic field shielding effectiveness is different from electrical field shielding effectiveness.According to minatory characteristics of EM radiation and EMI which the ship's enclosures were exposed to，and based on the finite integration technique （FIT），the simulation research of magnetic shielding character of classic enclosures were conducted.Many important results were obtained，such as magnetic shielding effectiveness，magnetic field distribution and current distribution.In addition，the simulated results were in good agreement with the measured and calculated data from IEEE Transaction.Finally，magnetic shielding effectiveness，magnetic field distribution and current distribution were analyzed.In particular，the paper revealed that the current distribution on the non－front face was mainly due to the polarization of incident wave.The research results will provide effective technical support for electromagnetic protection design of enclosures on ship.

shielding enclosure；electromagnetism protection；shielding effectiveness；simulation

TN955

A

1673－3185（2009）06－75－04

2009-09-28

陈节贵（1978－），男，硕士研究生。研究方向：舰船电磁兼容。E鄄mail：aiweng＠yeah.net

方重华（1980-），男，博士，工程师。研究方向：舰船电磁兼容、电磁干扰与仿真分形电动力学