线缆孔洞对车辆电子设备屏蔽效能分析

王宇飞，赵晓晖，温 泉

(1.吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000;2.吉林大学通信工程学院，长春130012)

0 引言

强电磁环境下车辆电子设备的电磁干扰防护问题是当前电磁领域研究的热门话题之一［1］。电磁防护有效且简单的方法是电磁屏蔽，即利用屏蔽体屏蔽电子设备达到有效抑制电磁能量进入设备的方法。而电子设备输入和输出的线缆孔洞会破坏屏蔽体的完整性，从而降低电磁屏蔽效能，因此，有必要研究屏蔽体上线缆孔洞对电子设备屏蔽体屏蔽效能的影响。笔者主要研究了电子设备屏蔽腔体上线缆孔洞对屏蔽效能的影响，对腔体形状、孔洞形状及电子设备在屏蔽体中的位置进行分析，并将其应用于车辆中。

研究电磁屏蔽效能问题主要有:时域有限差分法FDTD(Finite Difference Time Domain)、传输线矩阵法TLM(Transmission Line Method)和矩量法MOM(Method of Moment)等数值方法及传输线的解析计算法。传输线解析计算法(传输线法)较节省时间和内存，目前Dehkhoda等［2］已经提出了分析含孔阵矩形金属屏蔽效能的波导等效电路模型，David等［3］和Robinson等［4］提出了分析含单孔矩形金属机壳屏蔽效能及其内置物加载的等效电路方法，具有简单、高效，并能清晰表示各参数对结果的影响等优点［5］，因此，笔者采用等效传输线法，对屏蔽腔体上线缆孔洞对电子设备屏蔽效能的特性进行研究。

1 传输线法原理

根据文献［4］提出的传输线理论，平面电磁波照射的圆柱形腔体及其对应的电路模型分别如图1和图2所示。一般而言，由孔缝耦合进入腔体的能量比穿透腔体壁进入内部的能量大许多，因此，可假设腔体壁的电导率足够高而只研究耦合能量［6］。当电磁脉冲垂直入射圆柱形腔体时，腔体的半径为R，观测点距离入射腔体表面距离为dp，腔体侧面上开有一圆形孔洞半径为l，孔缝可等效为终端短路的两段长度为l/2的共面传输线，传输线的特性阻抗为Z0s，单个孔缝阻抗可表示为

图1 有孔圆柱形腔体Fig.1 Cylindrical cavity with holes

图2 传输线模型Fig.2 Transmission line model

电磁脉冲源在电路中可由电压V0和电阻Z0等效，从入射面往波源看，等效源电压Vs和等效阻抗Zs分别为

当屏蔽体同一面上具有一定隔距，相同形状对称孔阵时，窄缝阵列阻抗等于单个窄缝阻抗之和。圆孔阻抗与面积相同的正方形孔缝阻抗相等，即

其中La为正方形边长。

由于波导中各个传输模的完备性，任何模式都可以看成横电波(TE)和横磁波(TM)的线性叠加，因此考虑两种基本模式的线性组合，即可考虑腔体中的其他高次模式。

其中矩形腔体屏蔽效能的多模分析见文献［7，8］，λcmn为圆柱形谐振腔传输模式的截止波长

对应的截止频率为［9］

其中Ns为沿腔体的纵向场量变化的半驻波数，k0=2πλ。用Vs、Zs、Zl、Zgmn、kgmn表示图1有腔体的等效电路参数。

腔内一点p的源端等效阻抗和终端等效阻抗值分别为

其中 Zumn=Zs/Zgmn，Zvmn=Zl/Zgmn。

腔内p的源端等效电压为

假设腔壁为理想导体，则Zl=0。则此模式下传输到p点的电压为

对于腔体内不同的模式，p点的总电压为

当无腔体时，p点的电压为

则电场的屏蔽效能

电磁脉冲垂直入射带电路板的矩形腔体，腔体表面距离为p，腔体侧面上开有一圆形孔洞半径为l，孔缝可等效为终端短路的两段长度为l/2的共面传输线，平面电磁波照射的矩形腔体及其对应的电路模型分别如图3和图4所示。

图3 有线缆孔洞矩形腔体模型Fig.3 Rectangular cavity model with cable holes

图4 传输线模型Fig.4 Transmission line model

腔体内电压和电流经厚度为t的电路板后在观测点p的电压和电阻分别为

在观测点p的负载阻抗和电压分别为

2 物理模型

研究的模型在入射方向横截面积相同且所开的孔洞面积也相同。

图3为参考时钟电路。参考时钟电路采用0.5 PPM的温补晶体振荡器作为板载时钟源。参考时钟电路除板载时钟外，预留了从系统外部输入时钟的MMCX接口作为备用时钟源。参考时钟电路通过图3中电容C80与电容C90是否焊接作为时钟源的选择开关；当电容C80焊接、电容C90不焊接时，则时钟源选择板载时钟；当电容C80不焊接、电容C90焊接时，则时钟源选用外部时钟。时钟源时钟输入两个AD8012放大器进行放大。其中一个运算放大器的输出时钟作为系统时钟，另一个运算放大器的输出时钟通过MMCX接口被输出到系统外部。

模型1 采用圆柱形屏蔽腔，其半径为0.050 8 m，长度为0.16 m，孔洞半径为0.009 m，观测位置选取 X 轴线上3 点:位置1(0.05，0，0)、2(0.15，0，0)和3(0.25，0，0)。

模型2 为矩形屏蔽腔2，尺寸为0.16×0.09×0.09 m3，观测位置选取X轴线上3点:位置1(0.05，0，0)、2(0，0，0)和 3(-0.05，0，0)。

模型3 为矩形腔3，尺寸为0.16×0.18×0.045 m3，观测位置选取X轴线上3点同模型2。

模型4 采用如图1所示的圆柱形屏蔽腔，其半径为0.107 m，长度为0.3 m，孔缝宽度为0.000 6 m，长度为0.16 m，腔体厚度大于肌肤深度，即不考虑电磁脉冲透射的情况，观测位置选取X轴线上同一面3点:位置1(0.05，0，0)、2(0.15，0，0)和3(0.25，0，0)，与X 轴对称的同一面上的两点:位置 4(0.15，0，0.08)和 5(0.15，0，-0.08)。

研究的强电磁脉冲模型即激励源的电磁脉冲模型为双指数平面波，双指数脉冲函数的表达式如下

其中k1为峰值修正系数，E01为脉冲峰值，α，β为表征脉冲前、后沿的参数。调整α和β，可得到不同的半宽度电磁脉冲，采用美国军标MIL-STL-461F［10］，选取:E01=5×104V/m，α=4×107/s，β=6×108/s，k1=1.3，双指数脉冲的上升时间为2.5 ns，脉冲宽度为23 ns。

3 电场屏蔽效能分析

3.1 腔体输出位置对屏蔽效能的影响

选取模型4进行分析，当脉冲源入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向与XOY面成90°角与孔缝的长边平行，频率范围选取0～1 GHz，电场屏蔽效能如图5和图6所示，其中图5为输出位置1、2和3的比较，图6为输出位置2、4和5的比较。

图5 位置1～3处的电场屏蔽效能Fig.5 Shielding effectiveness of position 1 ～3

图6 位置2、4、5处的电场屏蔽效能Fig.6 The shielding effectiveness of position 2，4 and 5

从图5可看出，腔体本身对电磁脉冲具有一定的屏蔽作用，屏蔽效能随着频率的增加而逐渐降低，在0.96 GHz左右出现一谐振点，与圆柱腔体主模T111E的截止频率相同，在1 GHz范围内，只出现了这样一个主模;位置1为腔体中最靠近缝隙的位置，位置2为腔体的中心位置，位置3和1距离腔体前后面的距离相等，可看到，各个位置的谐振频率很相似，屏蔽效能在谐振频率前时位置3最高，位置2其次，位置1最低，在谐振频率后位置1的屏蔽效能略高于其他位置。从图6可看出，对于关于X轴对称的位置4和5，其屏蔽效能基本相同，中心位置的屏蔽效能在未出现谐振时略高。

3.2 多模屏蔽效能

选取模型4进行分析，取脉冲源入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向与XOY面成90°角且与孔缝的长边平行，频率范围选取0～5 GHz，电场屏蔽效能如图7所示，谐振频率及自由空间波长如表1所示。

图7 多模电场屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of higher-order mode

表1 谐振频率及自由空间波长Tab.1 Resonant frequency and free-space wavelength

3.3 腔体和孔洞形状对屏蔽效能的影响

选取模型1，模型2和模型3进行分析，当脉冲源入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向与XOY面成90°角与孔缝的长边平行，频率范围选取0～1 GHz，电场屏蔽效能如图8和图9所示。其中图8为腔体的形状对同一输出位置1的屏蔽效能比较，图9为圆形腔模型中不同孔洞形状对同一输出位置1的屏蔽效能比较。

图8 不同形状腔体的电场屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of different cavities

图9 圆柱形腔不同孔洞形状的电场屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of cylindrical cavities with different shapes of cable holes

从图8可看出，在封闭状态良好的情况下，屏蔽腔体本身对电磁脉冲具有一定的屏蔽作用，在1 GHz频率范围内、相同激励源相同输出位置的情况下，矩形腔模型3和圆柱形腔体屏蔽效能相近，谐振频率数量和峰值有所增加;矩形模型2和模型3比较可看出，屏蔽腔体在入射方向横截面积相同的情况下，极化方向平行于横截面长边时屏蔽效果较好。

从图9可看出，在同一模型的相同激励源、相同输出位置的情况下，圆柱形腔体方形孔洞与圆形孔洞相比屏蔽效果接近。当入射方向平行于孔洞的长边时，屏蔽效果比圆形孔洞的略好，矩形孔洞的屏蔽效果较其他孔洞均好，但谐振频率有所增加。在入射方向未知，并且频率范围为1 GHz的情况下，圆柱形腔体的孔洞可根据具体要求选取圆形或方形孔洞。

3.4 屏蔽腔中电子设备的电场屏蔽效能分析

电子设备的重要组成部分是电路板［11-13］，它包含金属平板、金属线和损耗介质等，通常采用简化的宏观介质板代替，其中σ=0.22 s/m，εr=2.65［14］。采用模型3矩形腔3，脉冲源入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向与XOY面成90°，角与孔缝的长边平行，频率范围选取0～1 GHz，电场屏蔽效能如图10所示，对模型1和模型3比较的结果如图11所示。

图10 不同输出位置的电场屏蔽效能Fig.10 Shielding effectiveness of different output positions

图11 电路板位置改变后的电场屏蔽效能Fig.11 Shielding effectiveness after changing the circuit board position

图10为电路板位于腔体与X轴传播方向中央时各输出位置的屏蔽效能，位置1实线为距离孔洞距离为30 mm的输出点屏蔽效能，位置2十字线为电路板上中心点的屏蔽效能，位置3方形线为电路板前10 mm输出点的屏蔽效能，位置4圆点线为电路板后10 mm输出点处的屏蔽效能。

从图10可看出，当电路板位于腔体中央时，位置2的屏蔽效能相对较好，即电路板上的屏蔽效能较板前后的好;位置3和位置1的屏蔽效能相近，二者位于入射波同一平面电路板前的位置;位置3的屏蔽效能低于位置4，因为位置4靠近输入脉冲源。

图11为电路板位于腔体无孔洞一侧时的各输出位置的屏蔽效能，圆柱形腔体的屏蔽效能如实线和三角线所示，矩形腔3的屏蔽效能如图中方形线和圆形线所示，其中实线和方形线为电路板位于腔体一侧时电路板上的屏蔽效能，三角线和圆形线为电路板位于腔体中央时电路板上的屏蔽效能。

从图11可看出，当电路板位于腔体一侧时，屏蔽效果优于电路板位于腔体中心，圆柱形腔体的屏蔽效能在0.5 GHz相差约7 dB，矩形腔体的屏蔽效能在此位置相差约15 dB，位于中心位置时两侧均有孔洞。因此，可将电路板元件位于腔体侧面无孔洞的一侧，以提高屏蔽效能。

3.5 车辆电子设备电场屏蔽效能分析

研究的车辆模型几何尺寸为4.2 m×1.45 m×1.45 m，电子设备位于前车盖下方某一位置，且在屏蔽腔无孔洞的一侧［15］。电磁脉冲设置如前节所述，图12为车辆电子设备增加矩形屏蔽腔3后输出位置为电路板上中心处的电场屏蔽效果。其中虚线为未加屏蔽腔时输出位置的屏蔽效能，圆点线为屏蔽腔体的线缆孔洞为矩形时的屏蔽效能，实线为腔体的线缆孔洞为圆形时的屏蔽效能。

图12 电子设备屏蔽效能Fig.12 Shielding effectiveness of electric equipment

从图12可看出，在电子设备未加屏蔽腔时，车辆自身具有一定的屏蔽效果，约为10 dB;当增加屏蔽腔后，电路板上的屏蔽效果有明显改善，在0.5 GHz处提高了约80 dB。线缆孔洞为圆形时的屏蔽效果在低频处略好于矩形时的屏蔽效果，屏蔽效能随频率的增加而呈递减趋势，在接近1 GHz的高频处，两种形状孔洞的屏蔽效果接近。因此，在车辆这样不规则的模型中，在1 GHz的频率范围内可以采用矩形屏蔽腔体圆形线缆孔洞，从而提高其电子设备的屏蔽效能。

4 结 论

笔者利用传输线法分别从屏蔽腔体的形状，孔洞的形状及电子设备中电路板所在位置，研究了强电磁脉冲作用下电子设备输入和输出的线缆孔洞对屏蔽体屏蔽效能的影响，并首次将其应用于某类型车辆模型中。仿真结果表明:

1)在1 GHz频率范围内，相同激励源相同输出位置且极化方向平行于孔洞横截面长边时的情况下，矩形腔模型3与圆柱形腔体屏蔽效能相近，但谐振频率的数量和峰值有所增加，可以根据具体情况进行选取;

2)圆柱腔体的主模是T111E，谐振频率大约在0.96 GHz，输出位置距离缝隙近的屏蔽效能差，在0.4 GHz时，相差约30 dB;

3)沿轴线传播时输出位置对称对应的屏蔽效能基本相同，腔体内高次模在谐振点上的屏蔽效能均较差;

4)在圆柱形腔体中方形孔洞与圆形孔洞相比屏蔽效果接近，矩形孔洞的屏蔽效果较其他孔洞均好，但谐振频率明显增多，在极化方向平行于孔洞长边时圆柱形腔体的孔洞可以选取矩形孔洞，而在未知的情况下，可根据具体要求选取圆形或方形孔洞;

5)电路板位于腔体一侧时屏蔽效果优于电路板位于腔体中心，可将电路板元件位于腔体侧面无孔洞的一侧，以提高屏蔽效能;

6)车辆不规则的模型在电磁脉冲情况未知的情况下，电子设备可采用矩形屏蔽腔体圆形线缆孔洞，从而提高其电子设备的屏蔽效能。

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