基于机电热耦合的电子设备电磁屏蔽特性分析

王从思，平丽浩，保 宏，王 伟，陈世锋

（1．南京电子技术研究所，江苏南京 210039；2．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071）

基于机电热耦合的电子设备电磁屏蔽特性分析

王从思1，2，平丽浩1，保 宏2，王 伟2，陈世锋2

（1．南京电子技术研究所，江苏南京 210039；2．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071）

针对电子设备机箱结构设计难以同时满足结构强度、通风散热和电磁屏效3方面要求的问题，从场耦合的角度入手，建立了电子设备结构、电磁与温度的机电热耦合模型，并在此基础上构建了耦合优化模型。通过某电子设备机箱的结构设计应用，优化吸波材料的位置和尺寸，在提高电磁屏效的同时满足通风散热的要求，说明了耦合模型与优化方法的有效性。

机电热；电磁屏效；耦合优化

现代电子设备向着小型化、高密度、高频率等方向发展，因而对机箱也提出了更高的要求。一方面：结构强度要求高，要求能在各种工况的冲击与振动下正常工作；另一方面：多功能和高频率使得电子设备电磁屏蔽的问题更加突出，不但要求自身能够抗外界电磁环境干扰，而且不能干扰临近电子设备［1－3］；第三方面：大功率和高密度使得机箱内散热困难，而过高的温度又会影响电子器件的效能［4－5］。所以现代电子设备机箱要同时满足结构强度、电磁兼容和通风散热3方面的要求。目前，电子设备实现电磁屏蔽有2个主要途径：反射和吸收。反射的方法是利用良导体反射电磁波并限制其能量在某一特定区域内。但由于电磁能量并没有被消耗或转换，某一点的电场减小了，另一点的电场可能增加，严重时可能导致谐振。吸收的方法可以通过加入吸波材料实现。目前吸波材料在电磁兼容领域主要用于测量暗室的自由空间模拟［6］，其应用较为成熟。自1988年DAWSON等开始研究使用吸波材料抑制谐振后［7］，还有其他学者陆续开展了类似的研究［8］。

常规的机箱结构设计方法是结构强度、电磁兼容和通风散热3方面的要求分别考虑，各自给出一套设计方案，这些设计方案由于出发点和目的各不相同，相互之间会有冲突，如质量和刚度，电磁屏效和散热（较大的孔缝有利于散热却不利于电磁屏蔽）。所以必须由设计总师根据经验进行平衡与取舍，得出可行的设计方案。在早期各方面要求不高时，这是一种有效的设计方法，但是随着各方面要求的提高，这种机电热分离的设计方法越来越难以同时满足各方面的要求［9－10］。为此，笔者针对电子设备设计中存在的机电热分离问题，从场耦合的角度开展研究，建立了电子设备结构、电磁与温度的机电热耦合模型，并在此基础上，以一个工程实际机箱为对象，构建了耦合优化模型，优化吸波材料的位置和尺寸，在提高电磁屏效的同时满足通风散热的要求。

1 机电热耦合模型

电子设备内部以及泄漏的电磁场，实际上会受到机箱结构位移场和温度场的影响。电子设备在实际工作中，由于振动冲击的作用，机箱会发生一定程度的变形，内部电磁器件的位置也会发生变化，环境温度变化和器件自身发热也会导致一定的结构变形，同时温度还会影响电磁器件的性能，而不同结构的机箱又会有不同的内部温度分布。从电磁场的角度看，结构变形改变了电磁场的边界，会影响机箱的电磁屏效，器件位置和性能的变化会改变电磁场源，从而影响机箱内部的电磁场分布，进而影响机箱外的泄漏场强。从温度场的角度看，结构变形同样改变温度场的边界和热源的位置进而影响温度分布。从结构位移场的角度看，不同的机箱结构和内部器件布局会导致不同的结构位移场。所以实际工作的机箱的电磁场、结构位移场和温度场是耦合在一起的。上述分析说明，电子设备机箱存在着结构位移场、电磁场、温度场之间相互影响、相互耦合的关系，这种耦合关系必将影响机箱的电磁屏蔽效果。因此，首先需建立机电热三场的场耦合模型，以揭示他们之间的相互影响规律，指导电子设备的结构设计与电磁屏蔽特性分析。

一个简单的机箱结构如图1所示，机箱的右侧板有3个圆形散热孔，机箱上盖板和前面板各有一个矩形散热缝，Vi和Vj表示内部器件，它们产生电磁辐射和热量，P1和P2是机箱受到的外部载荷。假设高密度组装系统机箱内有Ne个电磁器件，ei为第i个器件发射的电场强度。又设距机箱中心距离d处，有无机箱时的场强幅度分别为则综合考虑电子设备机箱结构参数、接触缝隙、结构变形、温度分布与电磁场（屏效）的机电热耦合模型为

图1 电子设备机箱的机电热耦合示意图

式中：器件发射电场ei（T）是温度的函数；缝隙转移阻抗Z是频率freq的函数；结构变形δ是结构参数与温度的函数；机箱的结构参数β包括机箱的壁厚、加强筋、内部隔板以及散热孔的尺寸与位置，内部电磁器件的位置等。

2 案例应用与分析

利用所建立的机电热耦合模型，针对一个简单的电子设备机箱，进行优化设计。机箱的基本结构如图2所示：外形尺寸为500 mm×375 mm×125 mm，壁厚为2 mm，材料是铝；1是机箱底部的2个发热源，单个发热功率为5 W；2是电磁辐射器件，辐射功率为1 W；3是电磁敏感器件；4是3个风扇，单个流速为0．001 m3／s；5是12个矩形通风道，在风扇相对的面上。风扇的开口处装有金属网状屏蔽材料，由于其孔径很小，电磁泄漏可以忽略。因而电磁泄漏只是由12个通风道引起的。机箱的谐振频率大约是730 MHz，模式为TE102。当达到谐振频率时，电磁辐射器件和敏感器件之间的耦合度明显增加，同时泄漏的电场强度也明显增大。如图3所示，机箱内的最大电场强度出现在机箱顶部的两点。所以考虑在这两点加上2块吸波材料以提高电磁屏效，吸波材料是碳化泡沫，由于加入吸波材料不但改变电磁场分布，同时影响空气流通而改变温度场分布，故需要对吸波材料的尺寸和位置进行优化。构建的电子设备机电热耦合优化模型如下。

图2 仿真案例的结构示意图

图3 无吸波材料时的机箱内电场分布

在封闭机箱内加入2块吸波材料，每块吸波材料用6个参数描述。以第i块为例，βi1，βi2，βi3表示其中心点坐标分别表示其长度、宽度和厚度。设计变量可以表示为

优化的目标是在某一频率和模式下，使得2个电磁器件间的耦合度CD最小，同时使得电磁屏效最大，其值可由式（1）计算得到。则目标函数可以描述为

式中：α1和α2是权重因子

优化中，吸波材料的尺寸是有要求的。例如：尺寸不能超过机箱，并且不能与机箱结构和内部组件发生干扰。综合考虑，约束条件可以表示为

此外，2块吸波材料之间不能重叠，数学描述为

式中：Ø表示空集。

同时，机箱内的最高温度必须满足许可温度T0：

式中：nut是机箱内离散温度场的离散点数目；Ti（β）是第i个点的温度。

最后，考虑成本，吸波材料的总量应该限制，这里使用体积约束：

假设允许的吸波材料的厚度固定为50 mm，且安装在盖板上，则设计变量中的中心点y的坐标和材料高度就是定植，每块吸波材料只剩4个设计变量。允许的总面积是0．045 m2，最大温度是95℃，取α1＝α2＝0．5。利用所建立的机电热耦合优化模型，进行优化设计，该机箱的优化结果见表1，耦合系数与电场强度优化前后情况分别如图4和图5所示。

通过研究发现这是一个高度非线性规划问题，目标和约束都是设计变量的高度非线性函数。考虑到电子设备和优化模型的特点，优化采用Hooke－Jeeves方法［11］。

表1 机电热耦合优化结果

图4 未添加吸波材料以及优化后两探针之间的耦合系数

图5 未添加吸波材料以及优化后1 m远处电场强度曲线

分析图4和图5可知，优化后贴装的吸波材料很好地抑制了腔体谐振，在关注的频段内，腔体的耦合系数都比未贴装吸波材料要低，但在一些频点1 m处的辐射场强（电场）在贴装吸波材料后有所增大，这可能是由于吸波材料改变了腔内的场强分布，导致在开孔处场强较强，开孔切断的感应电流更大引起。图6和图7为优化后机箱内的场强图和温度场分布图。

图6 机电热耦合优化后场强分布图

图7 机电热耦合优化后温度场分布图

3 结 语

通过对机电热耦合模型的分析以及机箱案例在没有和有吸波材料且优化后的仿真分析可知，为提高现代复杂电子设备的电磁屏蔽效果，在设备内壁贴装吸波材料是一个简单实用而有效的方法，优化结果验证了文中所建立的机电热耦合模型与耦合优化方法的有效性。屏蔽效率和吸波材料的面积之间有直接的联系，吸波材料面积越大屏蔽效果越好。但是过大的吸波材料会阻碍机箱散热，这是有矛盾的，必须通过优化合理的取舍。同时，也说明复杂电子设备的电磁屏蔽实际上是一个多个物理场的耦合问题，涉及到结构位移场、电磁场与温度场，需进行机电热耦合设计，才能同时满足结构强度、电磁兼容和通风散热3方面的要求。

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O441

A

1008－1542（2011）12－0174－04

2011－06－20；责任编辑：张士莹

国家自然科学基金资助项目（50805111，51035006）；新世纪优秀人才支持计划（NCET－09－0633）；中国博士后科学基金资助项目（20100470100）；陕西省自然科学基础研究计划项目（SJ08E203）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（K50510040001）

王从思（1980－），男，安徽凤阳人，教授，博士，主要从事机电热耦合技术、多学科综合优化等方面的研究。