带开孔金属腔体内部耦合场强分布的实验研究

夏志勇,王辉,胡新,肖集雄,徐晓英

(1武汉理工大学理学院,湖北武汉 430070;2武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430070)

带开孔金属腔体内部耦合场强分布的实验研究

夏志勇1,王辉1,胡新1,肖集雄2,徐晓英1

(1武汉理工大学理学院,湖北武汉 430070;2武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430070)

对入射频率100～1 000 M Hz内通过矩形开孔耦合入金属腔体内部的场强分布进行了实验研究,分析了矩形开孔尺寸与发生谐振现象时腔体内部场强分布间的关系,为从理论角度定量研究腔体内部耦合场强分布提供了实验依据,对电子设备金属腔体内的PCB板或敏感元器件的放置方式起到一定的指导作用.

电磁屏蔽;金属腔体;场强分布;孔缝耦合

目前,关于带开孔金属腔体屏蔽效能的研究日益成熟,各种有效的提高带开孔金属腔体屏蔽效能的方法被提出并应用于电子设备的设计中[1-3],增强了电子设备的抗电磁干扰能力,使其能够在复杂的电磁环境中稳定运行.然而,由于电子设备中不同的构成模块所能承受的电磁干扰强度不同,仅从宏观角度研究金属腔体的屏蔽效能还不能对电子设备内部结构的优化设计进行指导,故需要对带开孔金属腔体内部耦合场强分布特点及规律进行深入的研究[4-5].

由于电磁波在通过开孔耦合入腔体过程的复杂性,从理论角度准确推导出腔体内部场强的分布具有很大的难度;而仿真方式虽然能够对带开孔金属腔体内部耦合场强分布进行模拟,但计算的时间复杂度及误差都比较大.本文采用实验的方法,对不同矩形开孔下金属腔体内部耦合场强的分布进行了研究,为从理论角度进行研究提供实验依据.

1 实验方法

本实验由3部分组成:模式搅拌电波混响室,带孔缝金属腔体和场强自动测试系统.

实验所采用的混响室为某国防重点实验室的大型模式搅拌电波混响室,其尺寸为10.5 m×8 m×4.3 m,可用测试空间为6.5 m×5.0 m×2.2 m.该混响室由英国Rainfo rd公司建造,由高反射屏蔽室,机械式搅拌装置(2个)与控制器,场发射天线,场参考天线,三坐标场强测试系统,安装有专用控制、数据处理软件的计算机以及射频信号发生器SM L 01,双通道功率计NRVR,宽带功率放大器50WD1000组成.其主要技术指标为,输入功率4 kW时,平均场强为2 000 V/m,峰值为7 000 V/m;场均匀度400 M Hz;频率80 M Hz～18 GHz.系统的发射天线采用发射频率范围为100～1 500 M Hz的对数周期天线.射频信号发生器SML 01的频率范围为9 k Hz～1.1 GHz.

带孔缝金属腔体由钢制材料制成,尺寸为80 cm×70

cm×100 cm;腔体壁一侧是可拆卸的带有不同尺寸矩形孔的金属板.本次实验采用的矩形开孔尺寸有50 mm×40 mm,200 mm×10 mm,200 mm×40 mm等几种.

场强自动测试系统由水平导轨、步进电机、光纤传输系统、数据自动处理和存储程序构成.测试位置如图1所示,以腔体几何中心为轴心建立三维直角坐标系,以坐标原点为中心,在腔体中线AB,CD上分别对称地取80个测试点,各点之间的距离为5mm.本次实验主要研究垂直于开孔以及平行于开孔处的强场分布,故主要的测量点选在垂直线AB,平行线CD上.

图1 腔体简图与测试取样直线Fig.1 Cavity diagram and the testing sam ple line

2 实验结果分析

2.1AB,CD上平均场强的比较

以50 mm×40 mm和200 mm×40 mm矩形开孔为例,入射频率为100～1 000 M Hz(发射天线的发射频率为100～1 500 M Hz),步长取100 M Hz,将所测数据制成表格,如表1,2所示.

从表1可以看出,在频率低于700 M Hz时,中线AB上的平均场强均高于同频率下CD中线上的场强,而当频率大于700 M Hz时,腔体内AB中线上的平均场强却低于同频率下CD中线上的场强.当矩形开孔长边增加至200 mm,在频率大于700 M Hz时,腔体内AB中线上的平均场强低于同频率下CD中线上的场强,而在低频部分却不存在类似于50 mm×40 mm时的特点.

根据电磁波传播理论,腔体内场强是由经开孔衍射进入腔体的电磁波以及腔体壁的多次反射形成的.根据惠更斯-菲涅尔波的衍射理论,电磁波经衍射在矩形孔截面法线方向AB上振动加强,使得AB上的平均场强高于CD上的平均场强.随着开孔的增大或者入射频率的增强,入射波波长与矩形孔尺寸的比值降低,孔的衍射效应被打破,电磁波经开孔耦合进入腔体的能量增加,波的反射作用加强,AB由于反射波的叠加使得原振动幅度降低,而CD上则由于反射波的叠加出现振动加强点.

表1 50 mm×40 mm不同频率下AB,CD方向上测得的平均场强Tab.1 50 mm×40 mm,the average f ield strength in the direction of AB,CD tested in differen t frequency

表2 200 mm×40 mm不同频率下AB,CD方向上测得的平均场强Tab.2 200 mm×40 mm,the average field strength in the direction of AB,CD tested in differen t frequency

2.2 共振现象发生时AB,CD中线上场强分布的特点

以50 mm×40 mm,200 mm×10 mm为例,研究腔体发生谐振现象(谐振频率为400 M Hz)时中线AB, CD上场强分布的特点.通过对实验数据的分析,可得结果如下:

1)入射频率为400 M Hz时AB,CD中线上场强分布的特点

从图2中可以看出,AB中线上场强的分布对于原点不具有对称性.这是由于AB垂直于矩形孔截面, AB上的点在物理结构模型上不具有对称性,经矩形孔衍射进入腔体内的电磁波随着距离的增加而减弱,而对应开孔的腔体壁的反射作用却在增强,衍射与反射的叠加在AB上形成的振动强度不同.图3显示,CD中线上场强的分布对于原点具有对称性.这是由于CD平行于矩形孔截面,CD上的点在物理结构模型上具有对称性,不但衍射电磁波而且反射电磁波在CD上都对于腔体中心对称,波的叠加作用在CD上所形成的振动幅度基本一致,从而形成了较为对称的振动分布图像.

2)谐振现象发生时AB,CD中线上场强的最大值及平均值

对于矩形开孔尺寸为200 mm×10 mm,200 mm×40 mm,200 mm×70 mm的腔体,在入射频率为400 M Hz时腔体内均发生谐振现象,其内部场强的最大值和平均值如表3所示.

图2 不同矩形开孔腔内AB中线上场强分布Fig.2 Field distribution in AB line tested with differen t rectangle apertures

图3 不同矩形开孔腔内CD中线上场强分布Fig.3 The field distribution in CD line tested with different rectangle apertures

表3 不同矩形开孔下入射频率为400M Hz时腔体中线AB,CD场强的最大值和平均值Tab.3 Themax and average field strength both in AB and CD tested in the frequency of 400 M Hz with differen t apertures

从表3中可以看出,对于长边相同的矩形开孔,随着短边宽度的增加,腔体内中线上AB,CD场强的最大值和平均值均有很大程度的提升.这是由于随着矩形孔宽度的增加,通过开孔耦合进入腔体内部的电磁波强度变大,从而使反射波能量也得到了极大的提高.由于谐振现象的发生,使得腔体内场强在200 mm× 70 mm处超出了外部场强.

3 总结

本文研究了不同矩形开孔下金属腔体内部场强分布的情形,从而对电子设备金属腔体内的PCB板或敏感元器件的放置方式起到一定的指导作用.如在中线AB的-80 mm(OA线上)处,中线CD的-40 mm (OC线上)与130 mm处耦合进腔体的场强较其他位置要大,像这些典型位置则应尽量避免放置敏感元器件,以减小电磁干扰.

实验表明:在入射频率为100～1 000 M Hz的范围内,当开孔线度远小于入射波长时,腔体内垂直于开孔截面的中线AB上的场强大于平行于截面的中线CD方向上的场强;随着开孔线度接近于入射波长,腔体内的场强分布有了明显的变化,场强在CD上的分布高于AB上的分布.从整体情况来看,AB中线上的场强分布不具有对称性,而CD中线上的场强分布具有明显的对称性.

[1]HODJA T F,MO IN IR,SHAFIEEM.Shielding effectiveness of rectangular enclosures with aperture using multiresolution method of moments[Z].IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility,Honululu,2007.

[2]M IYA TA S,KA YANO Y,INOUE H.EM radiation through aperture of metallic enclosure w ith a PCB inside[Z].A sia-Pacific Symposium on EMC,Singapo re,2008.

[3]GU Chunhong.Shielding effectiveness of an enclosure w ith apertures[Z].IEEE 2005 International Symposium on M icrowave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications,Beijing,2005.

[4]周金山,刘国治,王建国.矩形孔缝耦合特性试验研究[J].强激光与粒子束.2003,15(12):1228-1234.

[5]马飞.微波脉冲与带缝非金属腔体、金属腔体耦合的研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,2008.

Experimental Research on Coupling Field Distribution in Metal Cavity with Aperture

XIA Zhi-yong1,WANGHui1,HU Xin1,XIAO Ji-xiong2,XU Xiao-ying1
(1 School of Science,W uhan University of Technology,W uhan 430070,China; 2.School of Electrical Engineering,W uhan University,W uhan 430070,China)

The field distribution w hich coup led through the rectangle aperture into metal cavity was researched according to the experiment w hich incident f requency range was 100 to 1000M Hz.The relationship betw een the size of rec tangle apertu res and field distribu tion at the time w hen the resonance phenomenon was happened was analyzed in this paper,all of w hich p rovided experimental evidence to quantitative study on coup ling field distribution in cavity w ith aperture in theo ry.The experimental study aims at giving some guidance for electronic devices w ith metal cavity to p lace co rrectly the PCB or sensitive components.

electromagnetic shielding;metal cavity;field distribution;aperture coup ling

O 441.5

A

1000-1565(2010)05-0481-04

2010-03-05

国防科技重点实验室基金资助项目(9140C8702050903)

夏志勇(1984—),男,湖北武汉人,武汉理工大学硕士研究生,主要从事电磁兼容方向研究.

(责任编辑:王兰英)