孔隙结构金属板电磁屏蔽效能的实验研究

张春阳，田小建，王灵敏，蒲 鑫

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012）

近年来各种通信及移动终端设备飞速发展，引领着我们走进电子信息时代。然而，电子系统和通信设备工作时所辐射的电磁波，让人类在尽享信息技术便利于快捷的同时也不得不面对日益恶化的电磁环境。无处不在的电磁辐射、如影随行的电磁干扰不仅影响电子系统的正常工作，制约高新技术的更新和发展，也威胁着我们的身体健康。如何将电磁波控制在一个固定的空间内，降低电磁干扰，实现电磁兼容，已经成为科研人员急需解决的难题。

电磁屏蔽是抑制电磁干扰的最有效方法，工程中常用良导体金属板作为电子系统的机箱。良导体金属板可以有效地防止电子系统内部的电磁泄漏，同时也可以降低外界对系统内部的电磁干扰，是一种有效的电磁屏蔽材料。最理想的电磁屏蔽材料应该是表面无孔的完整结构金属板，但实际应用过程中，没有通风散热性能的电磁屏蔽材料是不具备使用价值的，金属板表面预留出相应形状和数量的孔隙是必要且必须的。文中利用Ansoft HFSS仿真软件对含有不同类型孔隙的金属板进行多层次分析与实验，提出提升金属板电磁屏蔽效能的解决方案[1]。

1 非完整屏蔽体的电磁泄漏

非完整屏蔽体的电磁泄漏主要表现在孔隙对电磁波的磁泄露上。设为通过孔隙泄露到屏蔽体内部的磁场强度，为总的磁场强度，为屏蔽材料缝隙的宽度，t为缝隙的深度，衰减后的电磁屏蔽效能为。

则磁泄漏量如式（1）和式（2）所示：

由此可见，屏蔽体表面出现孔隙后，表面完整性遭到破坏，造成大量的磁泄露。缝隙深度越深，开口尺寸越大，磁泄露量越大。

现实情况中，孔隙的形状和尺寸往往更加复杂，不同形状孔隙的磁泄露计算方法也不同[2]。对于圆形孔隙和和方形孔隙来说，磁泄露公式如式（3）和式（4）所示：

A是屏蔽板截面积，S为每个孔洞的面积。

若孔隙的个数为N，那么磁泄露公式为：

对于矩形孔隙来说，设矩形孔隙的面积为S1，泄露磁场相同情况下圆形孔隙或正方形孔隙的面积为S，那么S=KS1。

2 矩形波导测试法

矩形波导测试法[5]是建立在Ansoft HFSS软件基础上的计算机仿真实验方法，可以准确的模拟实物测量，提供有参考价值的实验数据，有效的降低实验成本，缩短实验周期。矩形波导作为电磁波传播的通道，在没有遮挡物的情况下，电磁波可以从波导的一个端口传播的到另一个端口[6]。文中如无特殊说明，实验所采用的波导均为BJ14型号矩形波导，求解频率均为 1．13～1．73 GHz。

在HFSS软件中建立一个国际标准型号BJ14型空波导，端口wave 1和端口wave 2设为波端口激励。

图1和图2分别是空波导的模型，以及传输系数S21的曲线图。

图3是内含铝板的波导模型，图4是仿真后传输系数S21曲线图。

图1 空波导仿真Fig．1 Simulation of rectangular waveguide

图2 S21曲线图Fig．2 Curve of S21

图3 内含铝板模型Fig．3 Model containing aluminum plate

图4 含铝板波导S21曲线图Fig．4 S21curve of waveguide with a aluminum plate

上述实验显示，内部没有遮挡物S21的空波导，传输系数的值几乎维持在0 dB左右，说明从端口wave1发射的电磁波几乎全部传播到了端口wave2。在波导内部插入一块良导体铝板后，S21值大幅度下降。这是由于金属铝板良好的电磁屏蔽性能，将大部分电磁波反射回波端口1，从而使波导的传输系数降低。通过上述实验方法，可以将含有不同特征孔隙的金属板插入矩形波导内部，分析传输系数S21和电磁屏蔽效能SE的变化趋势，探究孔隙特征对于金属板电磁屏蔽效能的影响。

3 孔隙特性对比实验

文中的实验部分主要是在矩形波导测试方法的基础上，研究不同特征孔隙对于金属板电磁屏蔽效能的影响。实验采用长度 a=165．1 mm，宽度 b=82．55 mm 的铝质金属板，每组对比试验中保持孔隙其它特征不变，改变其中一个特征，从而探究这一特征对于金属板电磁屏蔽效能的影响。

3.1 孔隙形状对金属板屏蔽效能的影响

分别在BJ14型矩形波导中，构建四块长宽尺寸相同，厚度c=1 mm的铝质金属板，且铝板上分别含有相等数量、面积为3 mm2的圆形、正六边形、正方形和长方形孔隙。通过计算机仿真，分别得到含有4种不同形状孔隙金属铝板的传输系数曲线和屏蔽效能曲线如图5、图6所示。

实验结果显示，在孔隙面密度相同、单个孔隙面积相等情况下，孔隙形状对于传输系数和金属板屏蔽效能有很大影响。从传输系数方面分析，圆形孔隙铝板电磁波的传输系数最小值达到－106 dB，长方形孔隙铝板传输系数最小值仅为－94 dB，说明从圆形孔隙金属板透射而过的电磁波远远少于从长方形孔隙透射果的电磁波。从屏蔽效能角度分析，含有圆形孔隙的铝板屏蔽效果最好，屏蔽效能最高可达106 dB，正六边形和正方形孔隙铝板屏蔽效能最高分别可达105 dB和104 dB，含有长方形孔隙的铝板的屏蔽能力最差，屏蔽效能最大值仅为95 dB。由此可以推断，在屏蔽体或屏蔽材料的设计过程中，应该尽量避免长条形孔隙，多选用圆形孔隙可以在保持通风散热效果的同时，相对提高屏蔽材料的屏蔽效能。

图5 S21曲线Fig.5 The curve of S21

图6 屏蔽效能曲线Fig.6 The curve of shielding effectiveness

3.2 孔隙开口尺寸对于金属板屏蔽效能的影响

分别在BJ14型矩形波导中构建三块长宽尺寸相同，厚度c=1 mm的，含有相等数量圆形孔隙的铝质金属板。三块铝板上所包含的圆形孔隙的半径分别为0.5 mm、0.7 mm和1 mm。通过计算机仿真得到三块铝板传输系数曲线和屏蔽效能曲线如图7、图8所示。

图7 屏蔽效能曲线Fig.7 The curve of shielding effectiveness

图8 S21曲线Fig.8 The curve of S21

实验结果显示，同一频率点，孔隙形状相同、含孔隙面密度相同的情况下，孔隙开口尺寸R=0.5 mm的铝质金属板传输系数最低，电磁屏蔽效能最高；而孔隙开口尺寸R=1.0 mm的铝质金属板，传输系数最高，电磁屏蔽效能最低。这说明，随着开口尺寸的变大，传输系数S21成增长趋势，而电磁屏蔽效能反而成下降趋。势。从理论上分析，屏蔽效能SE=20lg（H0/Hp）=-20lg（Hp/H0）=27.274 t/g，其中 g 为开口尺寸，从而可以看出孔隙开口尺寸越大，对电磁波透射的抑制作用越差，从而造成更多的电磁波泄露，影响金属板的电磁屏蔽性能，导致屏蔽效能降低。

3.3 孔隙深度对于金属板屏蔽效能的影响

分别在BJ14型矩形波导中构建六块长宽尺寸相同，不同厚度的铝质金属板。铝板上含有相等数量、相同尺寸的圆形孔隙。六块金属板的厚度分别为0.25 mm，0.5 mm，0.75 mm，1.0 mm，1.25 mm，1.5 mm。通过计算机仿真得到六块铝板传输系数曲线和电磁屏蔽效能曲线如图9、图10所示。

图 9 S21曲线Fig.9 The curve of S21

实验结果显示，同一频率点，孔隙形状相同，孔隙开口尺寸相等的情况下，缝深为1.5 mm的铝质金属板值最低，电磁屏蔽效能最高；而缝深为0.25 mm铝质金属板的值最高，电磁屏蔽效能反而最低。这说明，铝质金属板厚度越大，孔隙缝深越大，对电磁波的传输效果越差，屏蔽效果越好，电磁屏蔽效能越高。从理论上分析，屏蔽效能SE=20lg（H0/Hp）=-20lg（Hp/H0）=27.274 t/g，其中t为孔隙深度，孔隙深度的增加可以增强金属板对于电磁波的反射吸收能力，从而提升其电磁屏蔽效能。

图10 屏蔽效能曲线Fig.10 The curve of shielding effectivenes

4 结 论

结合上述大量的对比实验和理论分析，可以确定，一块材料确定的、含有孔隙的金属板，孔隙的形状、单个孔隙的开口尺寸以及孔隙的深度都是影响金属板电磁屏蔽效能的重要因素。

在单个孔隙开口尺寸和孔隙深度一定的情况下，圆形孔隙相比于其它类别的孔隙对金属板电磁屏蔽性能的影响更小。实际应用过程中，应该尽量避免出现长条形缝隙，而多采用相对圆滑的圆形孔隙。

在孔隙形状和孔隙深度一定的情况下，单个孔隙开口尺寸越小的金属板电磁屏蔽效果越好，电磁屏蔽效能越高。这主要是由于小的开口尺寸可以保障金属板更好的导电连续性，抑制电磁波的透射，从而实现更好的电磁屏蔽性能。

在孔隙形状和单个孔隙开口尺寸一定的情况下，孔隙深度稍大的金属板电磁屏蔽效能相对更高。实际工程实践过程中，合理的增加板材厚度，可以在保持通风散热性能的同时，提高材料的电磁屏蔽效能。

[1]白旭东.Ansoft HFSS在电磁屏蔽设计中的应用[J].无线电工程，2010，41（8）:42-50.BAI Xu-dong.Application of ansoft HFSS in electromagnetic shielding design[J].Radio Engineering，2010，41（8）:42-50.

[2]段玉平，刘顺华.缝隙对金属网屏蔽性能的影响[J].安全与电磁兼容，2004，4（2）:46-48.DUAN Yu-ping，LIU Shun-hua.Electromagnetic shielding effectiveness analysis of mental wire mach with slit[J].Shielding Technology&Shielding Material，2004，4（2）:46-48.

[3]解子凤，石岗，戴传友.金属网屏蔽笼屏蔽效能的计算模型及方法[J].清华大学学报：自然科学版，1998，38（9）:21-34.XIE Zi-feng，SHI Gang，DAI Chuan-you.Computing model and method for shielding effectiveness of shielding cage in impulse magnetic field[J].Journal of TSinghua University：Sci&Tech，1998，38（9）:21-34.

[4]Domenico Barletta，Onofrio Losito.A 3D Model of wide Frequency mental foam shielding[J]. Electromagnetic Compatibility-EMC Europe，2009，7（11）：11-12.

[5]Domenico Barletta.A wide frequency model of mental foam for shielding applications[J].IEEE Journals and Magazines，2010，57（2）:735-743.

[6]H.Tong，G.DevelopmentofEMIShieldingMaterials Characterized by Low Secondary Electromagnetic Radiation Pollution[J].IEEE Journals and Magazines，2002:575-576.