基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析

王立龙,吴明赞,李 竹

(南京理工大学自动化学院,南京 210094)



基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析

王立龙,吴明赞*,李 竹

(南京理工大学自动化学院,南京 210094)

提出一种在屏蔽箱体孔缝结构的外部增加截止波导管结构的方法,利用截止波导管对高频电磁波的衰减作用来提高屏蔽箱体屏蔽效能。基于有限元法分别对截止波导管的长度、厚度及其形状进行仿真,仿真结果表明:在0.1 GHz～1 GHz频率范围内,随着截止波导管长度及厚度的增加屏蔽箱体屏蔽效能提高15dB以上,圆形和矩形截止波导管对屏蔽效能影响不大。根据实际情况合理选择截止波导管的长度及厚度可以提高微弱信号处理电路的电磁抗干扰能力。

微弱信号;波导管;电磁屏蔽;有限元法;

电磁屏蔽是用屏蔽材料制成屏蔽箱体,将电磁能量限制在一定的空间范围内从而抑制辐射干扰。根据实际需要,通常要在屏蔽箱体上开孔,孔缝的出现导致屏蔽箱体屏蔽效果降低,已有的对孔缝结构处理方法是减少孔缝长度、孔缝面积不变的情况下多开孔、圆形孔代替矩形孔等[1-4]。这些方法虽然可以提高屏蔽箱体屏蔽效能,但是对于屏蔽要求较高的微弱信号处理电路还不足以很好的屏蔽外部空间电磁干扰[5]。在此基础上论文在屏蔽箱体孔缝处加入截止波导管,基于有限元法对其长度、厚度及其形状进行仿真分析。

1 电磁屏蔽机理与波导管理论

1.1 屏蔽效能

屏蔽效能是一种通过在源和目标点之间插入屏蔽体、用以降低或削减空间指定点电磁场的优值系数。定义为无屏蔽的情况下电场E1[或磁场H1]在给定点r处的绝对值,与存在屏蔽状态下电场Et[或磁场Ht]在给定点r处的绝对值之比。屏蔽效能单位通常用SE来表示,单位为dB。

电场屏蔽效能定义为:

(1)

磁场屏蔽效能定义为:

(2)

对于辐射近场,电场和磁场的波阻抗不同,因此电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能一般是不相等的。对于辐射远场,平面波电磁场是统一的整体,电场和磁场的波阻抗相等,电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是相等的。统称为电磁屏蔽效能,即:

SE=SEE=SEH

(3)

1.2 单层屏蔽分析模型

单层屏蔽结构如图1所示,均匀平面波电磁场以一定的角度射向单层屏蔽体,屏蔽层表面对电磁波的反射作用以及吸收作用使得电磁波强度得以衰减,传播系数TE为:

(4)

20lg|eγl|-20lg|p|+20lg|1-qe-2γl|=

A+R+B(dB)

(5)

式中,A是电磁波在屏蔽体中的传输损耗。R是电磁波在屏蔽体的表面产生的反射损耗。B是电磁波在屏蔽体内多次反射损耗。f为电磁波频率,μr为相对磁导率,σr为相对电导率,δ为集肤深度,L为屏蔽体的厚度,ZS为屏蔽体介质的波阻抗。单层屏蔽材料对高频平面电磁波干扰的屏蔽效果可以用这3者之和来表示[6]。

图1 均匀平面波入射单层屏蔽层表面

1.3 波导管理论

屏蔽效能主要取决于表面上开孔的最大径向尺寸。开孔尺寸越大电磁泄漏也就越严重,屏蔽效能就越差。为了提高屏蔽效能,可以在不改变总面积的情况下多开孔,增加孔间距[6]。由电磁理论可知,波导管对于在其内传播的电磁波起着高通的作用,高于波导管截止频率的电磁波可以通过,对低于截止频率的电磁波会产生严重衰减[7]。如图2所示。

图2 波导管的截止频率

不同形状和结构的波导管有着不同的截止频率,矩形波导管截止频率fc=15×109/d(Hz/cm),圆形波导管截止频率fc=17.6×109/d(Hz/cm),其中fc单位为Hz,d是最大开口尺寸,单位为cm。低于截止频率的电磁波从波导管的一端传输至另一端会产生一定的衰减,其衰减的大小与波导管的长度成正比,其关系式为:

(6)

箱体的总体屏蔽效能为屏蔽层与波导管两者屏蔽效果之和。

2 基于有限元方法的仿真验证

这篇文章使用基于有限元方法的电磁场仿真软件Ansoft HFSS建立截止波导管屏蔽箱体模型,并对其屏蔽效能进行仿真分析,得出屏蔽箱体屏蔽效能随频率变化的曲线。本次仿真的求解形式采用模式驱动。屏蔽箱体设置成良导体,尺寸为30 cm×12 cm×30 cm,壁厚D=1 mm。设定入射波为平面波,沿缝隙面即Z轴负方向垂直入射。平面波电场强度为1000 V/m,沿着Y轴正向极化,选取箱体中心点为屏蔽效能测试点。

2.1 截止波导管对屏蔽效能的影响

图3 截止波导管结构及屏蔽箱体仿真模型

图3所示左侧是长为L边长为d的波导管剖面图,当L≥d时该结构才可以称为截止波导管[8]。右侧为屏蔽箱体模型,箱体工作在0.1 GHz～1 GHz范围内,因此矩形波导截止频率必须大于1 GHz,由矩形波导管截止频率fc=15×109/d(Hz/cm)可得,波导边长小于15 cm。在最上端增加了有10个正方形通孔的波导管,波导管边长d=1 cm,长度L=3 cm,相邻的两个方孔中心间距为1.1 cm,10个孔的总面积为10 cm2,在箱体外设置一个辐射边界条件,尺寸为60 cm×42 cm×60 cm。矩形截止波导管对屏蔽箱体屏蔽效能的影响如图4所示。

图4 加入截止波导管后屏蔽效能的改变

从图4可以看出:加入波导管与不加波导管相比,箱体的屏蔽效能在整个0.1 GHz～1 GHz频段中都大大提高,尤其是在0.6 GHz～0.8 GHz之外的频段平均提高15 dB,0.7 GHz处为箱体的谐振频率,在此处两者的屏蔽效果都有所下降,谐振频率是由箱体的结构的尺寸决定的。如果内部电路的工作频率在0.7 GHz附近,可以调整箱体尺寸来改变箱体的谐振频率。

2.2 截止波导管的长度及厚度对屏蔽效能的影响

把模型中的截止波导管长度L分别设置为0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm,其他条件不变,截止波导管长度对屏蔽效能的影响如图5所示。

图5 波导管长度对屏蔽效能的影响

对于波导管厚度对屏蔽效能的影响,仿真模型采用圆形波导进行仿真分析,管壁厚度D分别设置为0.05 cm、0.1 cm、0.3 cm。仿真结果如图6所示。

图6 波导管管壁厚度对屏蔽效能的影响

从图5屏蔽效能曲线上可以看出:波导管长度增加时,箱体的屏蔽效能也增加,长度越长,屏蔽效果越好。当长度每增加1 cm,屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz频段提高4 dB～10 dB,由图6可以得出:随着管壁厚度的增加箱体整体的屏蔽效能也不断提高,管壁由0.05 cm增至0.1 cm时,屏蔽效能提高大约4 dB,再由0.1 cm增至0.3 cm时,屏蔽效能又提高了近10 dB,由此可以得出以上结论。从两幅仿真结果图上总结出一个共同点:0.7 GHz附近为箱体的谐振频率,此处箱体屏蔽效能大大下降,因此通过滤波消除0.7 GHz噪声的干扰。屏蔽效能在0.1 GHz～1 GHz频段屏蔽效能随着平面电磁波的频率增加而不断下降,因此在高频部分对电磁干扰的抑制将变得更加困难。

2.3 截止波导管通孔形状对屏蔽效能的影响

在保持通孔总面积、通孔之间间距以及长度不变的条件下,只改变波导管的形状再进行仿真,观察箱体屏蔽效能的变化。表1总面积、通孔间距以及长度相同时的屏蔽效能。

表1 总面积相同、通孔间距以及长度相同时箱体的屏蔽效能

由表1可以看出,在总面积相同、通孔间距以及长度相同时波导管的形状对箱体的屏蔽效能的影响并不是非常明显。在0.1 GHz到0.4 GHz频段圆形和矩形孔对应的屏蔽效能相差平均不到2 dB,在接近箱体谐振频率时,即在0.5 GHz到0.8 GHz段屏蔽效能相差达到最大,平均为4 dB,在0.8 GHz到1 GHz频段基本无差距,随着频率的进一步提高屏蔽效能已无差别。由仿真数据可知圆形和矩形波导管对箱体屏蔽效能的影响不大。由于两种结构在材料制作上来看圆形波导管比矩形波导管消耗更多的材料,波导管不宜制作成圆形。

3 结束语

孔缝的存在使得屏蔽箱体的屏蔽效能大大下降,对外部电磁干扰的抑制能力减弱,这篇文章的解决办法是在孔缝处加入波导管结构,并对其进行了理论分析。基于有限元方法对屏蔽箱体屏蔽效能进行仿真分析得出,截止波导管结构能够提高屏蔽箱体的屏蔽效能,且波导管的长度、管壁厚度及通孔形状都能够对其造成影响:增加波导管长度和管壁厚度可以提高屏蔽效能,但是波导管通孔的形状对其低于其截止频率的屏蔽效能影响并不是很明显。在考虑到成本方面波导管不宜采用圆形通孔。这篇文章不足之处在于只考虑了外部电磁干扰对屏蔽效能的影响,没有对内部微弱信号处理电路对屏蔽效能的影响。

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[8]Jiao Chongqing,Zhu Hongzhao. Resonance Suppression and Electromagnetic Shielding Effectiveness Improvement of an Apertured Rectangular Cavity by Using Wall Losses[J]. China Phys B,2013,22(8):1-6.

王立龙(1989-),男,江苏徐州人,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统硬件,ahnjwu@sina.com。

AnalysisofElectromagneticShieldingEffectivenessforWaveguideBasedonFEM

WANGLilong,WUMingzan*,LIZhu

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

A method joining waveguide out of the shield structure is presented,by using the effect of the attenuation of high-frequency electromagnetic waves in waveguide to improve shielding effectiveness. Finite element method is used to modeling and simulation of the waveguide length,thickness and the shape. The simulation results show that:in the range of the 0.1 GHz～1 GHz frequency,the shielding enclosure shielding effectiveness with the increase of length and thickness of the waveguide has improved 15 dB and also improved a little on the rectangular and circular waveguide. According to the actual situation to choice a reasonable length and the thickness of the waveguide,the electromagnetic immunity of the weak signal processing circuit can be improved.

weak signal;wave guide;electromagnetic shielding;finite element method

2013-12-06修改日期:2014-01-07

O441

:A

:1005-9490(2014)06-1068-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.012