屏蔽体内部电磁场分布特性分析

程二威，张宇飞，胡小锋，谢文强

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院科研部，河北石家庄 050003；3.军械工程学院基础部，河北石家庄 050003）

屏蔽体内部电磁场分布特性分析

程二威1，张宇飞2，胡小锋1，谢文强3

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院科研部，河北石家庄 050003；3.军械工程学院基础部，河北石家庄 050003）

通过孔洞、缝隙耦合进入屏蔽体内部的电磁波经过与腔室内表面的多次反射、折射，形成了复杂的电磁环境，在电磁波叠加作用下可能会形成一些电场强度或磁场强度较强的关键点，进而对该位置处的电子元器件造成电磁损伤。通过建立开缝屏蔽壳体的电磁模型，计算在不同入射方向和极化方式条件下耦合进入屏蔽体内部的电磁场，分析关键点的分布规律，进而提出敏感电子元器件的位置摆放原则，通过避开谐振位置的方式减少元器件的电磁能量耦合，增强屏蔽体的电磁防护能力。

电磁屏蔽体；电磁防护；建模仿真；电磁兼容

屏蔽体是用良导体将干扰源或者敏感器件包围起来，以隔离被包围部分与外界电场的、磁场的或者电磁场的相互干扰。目前屏蔽体广泛应用于航空航天领域的火箭系统，轨道舱，舰船和陆军使用的屏蔽方舱、军用涉密系统屏蔽体、军用电子装备的机箱机柜、各类导弹系统的外壳，以及电路板、敏感电子器件的外壳等领域［1］。对于电磁屏蔽体来说，其内部电磁场分布是不均匀的，特别是有谐振现象时，存在一些电磁场强度比较大的关键点，处于该位置处的电子元器件的电磁能量耦合远远高于其他位置，相对容易出现电磁损伤现象，进而降低屏蔽体的电磁防护能力［2－4］。目前，对于屏蔽体内部电磁场分布规律的研究还比较少，还没有相关“屏蔽体内部电子元器件、互联电缆规避谐振位置的方法”可以遵循，这些因素影响了电磁屏蔽技术的进一步发展和应用［5－6］。

通过建立开缝屏蔽壳体的电磁模型，研究电磁波的入射方向和极化方式对电磁场分布规律的影响，找出不同频率条件下关键点的位置分布特征，从而优化屏蔽体内部敏感电子元器件的摆放位置，对于增强设备的电磁防护能力具有一定的意义。

1 仿真建模

图1 屏蔽体的几何模型

对于屏蔽体来说，一般均有孔洞或缝隙，用以与外界进行电气连接或通风散热，这些孔洞或缝隙也是外界电磁波耦合进入屏蔽体内部的重要通道，因此在仿真计算时需要重点考虑。建立几何尺寸为800×700×1 000 mm的屏蔽体模型，采用边界完美匹配。在屏蔽体表面中央开缝，其数学模型及坐标系如图1所示，坐标原点在腔体的几何中心。设置屏蔽体材料为良导体，电导率为1×107S·m－1，相对磁导率为1。计算时，如果将模型厚度设置为无限薄，则屏蔽体的内、外表面就变成了同一个表面，使得网格划分数量减少了50%，因此可以大大提高计算速度。由于在实际使用屏蔽体具有一定的厚度，为了验证将实际电磁屏蔽材料简化为理想材料时计算精度是否降低，设置了两组仿真方案。

1）材料为理想金属导体，相对磁导率为1，腔体厚度为无限薄。

2）采用不锈钢材料，电阻率为6.9×10－7Ω·m，相对磁导率为1，钢板厚度为5 mm。

两种仿真方案都采用垂直孔缝入射的平面波进行照射，网格划分方式不变，计算得到屏蔽体内的电磁场分布如图2所示。

图2 屏蔽体内的电磁场分布

从图2可以看出，在不同频段下两种方案计算结果基本相同，电磁场分布特性没有明显差别，说明简化屏蔽体厚度及理想化材料属性不会降低计算精度，因此在后面的仿真计算中可以采用理想金属导体替代实际屏蔽体材料。

2 辐照方向变化时屏蔽体内部的电磁场分布特征

开缝屏蔽体经平面电磁波照射后内部产生电磁场，此处的电磁场由两部分组成：一是平面电磁波经过孔缝直接进入屏蔽体内，其能量与开缝面积有关；另一部分由平面波照射在屏蔽体表面上的感应电流产生。感应电流在开缝的边缘（棱边）上的密度较大，此时，开缝的边缘可以看成一个等效缝隙天线，当受到外部平面波辐照时，产生的感应电流作为新的辐射源向腔体内部产生电磁辐射，辐射的效率与开缝的长度和入射波波长有关。为研究平面电磁波的辐照方向对屏蔽体内电磁场分布规律的影响，用频率分别为600 MHz和1 GHz的单一平面波在y＝0平面上与孔缝所处的平面的夹角分别为0°，30°，60°，90°的入射角，对开缝小屏蔽体（开缝尺寸为350×40 mm）进行照射（保持极化方向不变），平面波的照射方式如图3所示。仿真运算时只计算屏蔽体内部，为显示方便将z＝0平面延伸至屏蔽体的外部。仿真得到屏蔽体内的电磁场分布如图4所示。

图3 平面波的入射方向

图4 入射方向改变时屏蔽体内的电磁场分布（z＝0平面，缝在图像下方）

在图4中，颜色深浅代表电场强度高低，颜色越深代表场强越大。从图4给出的场分布结果可以看出，无论辐照方式还是对应频率如何变化，屏蔽体内部的电磁场分布是不均匀的，存在一些电场强度较强的关键点，并且这些关键点一般分布在屏蔽体中轴线上。在不同频段改变平面波的入射方向都会对屏蔽体内的场分布产生明显的影响。当平面波入射方向由夹角很小的方向掠射一直到垂直入射到缝隙的过程中，腔体内各点的电场分布发生了变化，并且总体上逐渐变强，这说明掠射到缝隙处的平面波对腔体内场的分布贡献较小，垂直入射的平面波对腔体内场的贡献较大。这个结论是可以理解的，相对于以较小夹角掠射的平面波来说，开缝的面积较小；而对于垂直入射到开缝的平面波来说，开缝的面积较大，入射到腔体内的电磁波能量较大，导致腔体内的场强增大。

3 极化方向变化时屏蔽体内部的电磁场分布特征

平面电磁波另外一个重要的参数就是极化方向。极化方向通过影响屏蔽体表面的感应电流，进而影响屏蔽体内的感应电场。用频率分别为600 MHz和1 GHz的平面波垂直开缝小屏蔽体（开缝尺寸为350×40 mm）进行辐照，保持入射方向不变，极化方向由平行于孔缝长边（y轴方向，此时极化角度为0°）以30°角逐渐偏转到垂直于孔缝长边（此时极化角度为90°），如图5所示。仿真运算时只计算屏蔽体内部，为显示方便将z＝0平面延伸至屏蔽体的外部。仿真得到的屏蔽体内的电磁场分布如图6所示。

从图6可以看出，极化方向改变时屏蔽体内的电磁场分布随之改变，说明极化方向电磁场分布也有显著影响，主要有以下结论：极化方向的改变使腔体内电磁场的强弱发生变化，当极化方向由平行于孔缝长边向垂直于孔缝长边方向偏转时，场强总体上变弱，这说明入射波与孔缝的长边的耦合对腔体内的场强分布起主要作用。极化方向改变时，腔体内场分布的强弱分布花样没有明显变化，这说明腔内场强的分布花样主要依赖于入射波的频率，而与极化方向无明显依赖关系。屏蔽体内部存在一些电场强度较高的谐振点，这些谐振点一般位于屏蔽体内部中轴线上，处于该位置的电子设备的能量耦合也较强，所以在设备布置时一般应避开这些位置。

图5 平面波的极化方向

图6 极化角度改变时屏蔽体内的电磁场分布（z＝0平面，缝在图像下方）

4 结 语

通过仿真计算开缝屏蔽体内部的电磁场分布状态，得出以下研究结论。

1）平面波入射方向夹角影响屏蔽体内电磁场分布，垂直孔缝入射时腔体内电磁场强度最大。为了增强屏蔽体的电磁防护能力，尽量使孔缝不与平面波入射方向垂直。

2）平面波极化方向发生偏转时，屏蔽体内的电磁场分布状态略微改变，电场强度改变幅度不大。

3）无论平面波入射方向和极化方式如何变化，屏蔽体内部的电磁场分布都是不均匀的，存在一些电磁场强度较强的关键点。一般来说屏蔽内部电磁场幅值较高的点位于屏蔽体内部中轴线上，这些位置处的电磁能量耦合较大。所以在布置电子元器件时，对电磁场较为敏感的元器件应该避免出现在屏蔽体的中轴线上。

［1］程二威.混响室内小尺寸屏蔽体屏蔽效能测试方法与实验研究［D］.石家庄：军械工程学院，2009.

［2］BUNTING C F，YU S P，KHAN Z A.Statistical shielding effectiveness-a modal moment method approach to characterize the average shielding effectiveness over a wide frequency range including resonances［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2003，45（2）：532-536.

［3］程二威，王庆国，曲兆明.混响室条件下小屏蔽体屏蔽效能的试验研究［J］.河北师范大学学报（自然科学版），2009，33（5）：620-623.

［4］BUNTING C F，YU S P.Field penetration in a rectangular box using numerical techniques：An effort to obtain statistical shielding effectiveness［J］.IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility，2004，46（2）：160-168.

［5］BUNTING C F，YU S P.Statistical shielding effectiveness an examination of the field penetration in a rectangular box using modal Mo M［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2002，44（1）：210-215.

［6］MARVIN A，CUI Y.Suggested definitions of shielding for enclosures at microwave frequencies［A］.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility［C］.Chicago：Electromagnetic Compatibility，2005.625-631.

TN97

A

1008-1542（2011）12-0056-04

2011-06-20；责任编辑：陈书欣

国家自然科学基金资助项目（51107147，61001050）

程二威（1983-），男，河南周口人，讲师，硕士，主要从事复杂电磁环境模拟与混响室技术方面的研究。