车辆电控设备不规则腔体的屏蔽效能分析

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130022)

车辆电控设备不规则腔体的屏蔽效能分析

王宇飞1，赵晓晖2，温 泉2

(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130022)

为有效抑制电磁损伤，采用TLM(Transmission Line Matrix)算法研究了高空核电磁脉冲作用下线缆孔洞对电子设备屏蔽效能的影响。根据回波强度与反射面形状有关的现象，提出采用不规则屏蔽腔体对抗电磁毁伤的方法，通过增强回波减少进入屏蔽腔体内部的电磁波，并在非屏蔽的车辆中进行验证。仿真结果表明，不规则腔体的电场屏蔽效能高于圆柱形和矩形屏蔽腔体，且谐振较小，验证了该屏蔽腔设计的合理性和有效性，从而为车辆内部电控系统的防护提供了理论参考。

传输线矩阵法;屏蔽效能;不规则腔体;高空核电磁脉冲;电路板

0 引言

随着科技发展和微电子产品的日益集成化，电子系统的电磁敏感度也日趋提高，强电磁环境下车辆电子设备的电磁干扰防护问题也成为当前电磁领域研究的热门话题之一［1］。电磁防护的有效且简单的方法是电磁屏蔽，即防止或减小不需要的辐射电磁能量耦合进入设备的技术，但由于通信、供电和通风等需求不可能采用完全的整体屏蔽，电磁脉冲通过这些孔洞会耦合进入腔体内并对其中的器件产生干扰和破坏作用。因此，对有孔缝腔体电磁屏蔽的研究具有十分重要意义。

影响电磁屏蔽效能的主要因素包括反射损耗和吸收损耗，当屏蔽腔体材质为金属时，在高频条件下，趋肤深度很小，反射损耗成为影响屏蔽效能的主要因素。根据电磁波的传播规律，电磁波入射到物体的直角表面处，容易形成多次反射，产生角反射器效应，沿原方向返回的波很强。因此，增加反射效应则能减小进入腔体内部的电磁能量，从而提高屏蔽效能。回波强度与反射面的形状有很大关系，要增加回波电磁场强度必须在设计时考虑屏蔽腔体的外形。现在对腔体屏蔽效能的研究均为规则腔体，且以矩形腔体居多，笔者在考虑强电磁脉冲辐射范围广、强度大、频谱宽等特点的同时，研究了电控设备屏蔽腔体上线缆孔洞对屏蔽效能的影响，从腔体形状、电控设备在屏蔽体中的位置等方面进行分析，为车辆非规则电控设备腔体电磁防护设计提供了一定的参考。

1 算法

根据TLM(Transmission Line Matrix)算法并综合文献［2-9］，对孔洞耦合的研究方法采用等效传输线矩阵法，它是由传输线理论发展而成的，通过求解电压和电流，得到腔体的屏蔽效能。因为主要考虑反射的影响，高频时的趋肤深度很小，因此，可假设腔体壁的电导率足够高而只研究耦合能量。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。

图1 有孔圆柱形腔体模型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

其中Zap为单个孔缝阻抗，具体解法见文献［6］。

由于波导中各个传输模的完备性，任何模式都可看成横电波和横磁波的线性叠加，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。

当波导中的传输模为TmnE时，假设腔壁为理想导体，则此模式下传输到p点的电压为

其中Zlmn和Zrmn分别为从腔内一点p向源端和终端看入的阻抗值，Vlmn为从腔内p点向源端看入的电压。

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

则电磁场的屏蔽效能

当屏蔽腔体中加载电控设备后，以矩形屏蔽腔体为例，Ls、ds、Ws分别为矩形腔的长、宽、高，R为圆形孔的半径，电控设备的厚度为t，位于腔体的一侧(见图3)，对应的电路模型如图4所示。

图3 圆孔矩形腔体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

其中Zg为腔体的特性阻抗，kg为传播常数，Vk和Zk为腔体内介质板左端的电压和阻抗，Vk+t和Zk+t为到达介质板右端的电压和阻抗。

在观测点p的负载阻抗和电压分别为

电磁场的屏蔽效能

2 物理模型

研究的模型在入射方向的横截面积相同且所开的孔洞面积也相同，模型1采用圆柱形屏蔽腔体，其半径为0.050 8 m，长度为0.16 m，孔洞为圆孔，半径为0.009 m，观察位置选取X轴线上3点:位置1(0.05，0，0)，位置2(0.15，0，0)，位置 3(0.25，0，0)，与 X 轴对称的同一平面上的两点:位置 4(0.15，0，0.08)，位置5(0.15，0，-0.08)。模型2 为矩形屏蔽腔体，尺寸为0.16 m×0.18 m×0.045 m，观察位置选取 X 轴线上3 点:位置1(0.05，0，0)，位置2(0，0，0)，位置3(-0.05，0，0)。模型3 为非规则矩形屏蔽腔体1(见图5)，来波方向面为平面，观察位置选取X轴线上3点同模型2。模型4为非规则矩形屏蔽腔体2(见图6)，无电路板，来波方向不规则，观察位置同模型2。

图5 有孔非规则腔体1Fig.5 Irregular cavity 1 with cable holes

图6 有孔非规则腔体2Fig.6 Irregular cavity 2 with cable holes

研究的强电磁脉冲模型即激励源的电磁脉冲模型采用双指数平面波，双指数脉冲函数［10］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。参数采用美国军标MIL-STL-461F［10］选取:E01=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，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 电磁场强度分析

3.1 输出位置对屏蔽效能的影响

以模型1圆柱形腔体为例，选取HEMP的入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向为水平极化，入射波与xoy面成180°角，即与孔缝的长边平行，频率范围为0～1 GHz，各观察位置电场屏蔽效能如图7所示。

从图7中可看出，腔体本身对电磁脉冲具有一定的屏蔽作用，在 483 MHz，502 MHz，938 MHz，974 MHz左右出现明显谐振;位置1为腔体中最靠近激励源的位置，位置2为腔体的中心位置，位置3和位置1距离腔体前后面的距离相等。可看到，观察位置3的电磁场屏蔽效能略好于位置1，位置2的屏蔽效能高于位置1和位置3，最多达到20 dB，最小也有十几分贝;位置4和位置5关于位置2对称，二者的屏蔽效能均高于孔洞中心位置2的屏蔽效能，位置4的电磁屏蔽效能最高，但其谐振频率是一致的。可见观察位置对屏蔽效能是有影响的，距离激励源和孔洞远的观察位置屏蔽效能较好。

图7 各位置电场屏蔽效能Fig.7 The shielding effectiveness of positions

3.2 孔洞形状对屏蔽效能的影响

研究的模型仍采用圆柱形腔体模型1，孔洞1选取圆形孔，半径为0.009 m;孔洞2选取矩形孔，长为0.01 m，宽为0.025 434 m;孔洞3为方形孔，边长为0.016 m;孔洞4为椭圆形孔，长轴半径为0.01 m，短轴半径为0.008 1 m。观察位置选取X轴线上位置1(0.05，0，0)，选取 HEMP(High-altitude Electromagnetic Pulse)的入射波的传播方向沿X轴方向，极化方向为水平极化，入射方向与xoy面成180°，平行于孔洞的长边，频率范围为0～1 GHz，对应的电场屏蔽效能如图8所示。

图8 圆柱形腔体不同孔洞形状的电场屏蔽效能Fig.8 The shielding effectiveness of cylindrical cavities with different shapes of cable holes

从图8可看出，在同一模型的相同激励源、相同输出位置情况下，方形孔洞与圆形孔洞相比屏蔽效果接近，谐振也最小;当入射方向平行于孔洞长边时，矩形孔洞的屏蔽效果均较其他孔洞好，但谐振频率增加;在入射方向未知频率范围为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者方形孔洞，以减少谐振的产生。

3.3 腔体形状对屏蔽效能的影响

选取模型1～4进行分析，当电磁脉冲入射波的传播方向沿X轴方向，垂直极化，入射方向与xoy面成180°角与孔缝的长边平行，频率范围选取0～1 GHz，图9为观测位置1在HEMP作用下不同形状腔体的屏蔽效能比较。

图9 不同形状腔体的电场屏蔽效能Fig.9 The shielding effectiveness of different cavities with cable holes

从图9可看出，在1 GHz范围内圆柱形腔体的屏蔽效能与矩形腔的接近，但基本无谐振现象;模型3不规则屏蔽腔1的屏蔽效能略低于其他几种腔体，但谐振现象较矩形腔小;模型4不规则腔体2的电场屏蔽效能高于其他两种形状的模型，且谐振也很小;屏蔽效能随着频率的增加而逐渐降低，在0.96 GHz左右出现的谐振点与矩形腔体主模T100E的谐振频率相同。因此，在HEMP电磁脉冲为垂直极化时，频率范围为1 GHz，线缆孔洞为圆形的情况下，矩形腔体的电磁屏蔽效能与圆柱形腔体接近，但谐振较圆柱形腔体严重，不规则屏蔽腔体2的屏蔽效能高于矩形腔体和圆柱形腔体，且谐振也比较平缓。由此可见，此屏蔽腔的设计是合理的。

3.4 屏蔽腔中电控设备的电场屏蔽效能分析

电控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］。在屏蔽腔中加载PCB板后改变谐振频率，对腔体也会产生一定的阻尼作用，一般来讲，PCB板必须安装在靠近外壳的内壁才有效。因此，采用3种模型进行屏蔽效能的研究:模型1圆柱形腔体;模型2矩形腔体;模型4非规则屏蔽腔体2，具体尺寸如第2节所述。

从图10可看出，当电路板位于腔体一侧时，HEMP作用下非规则屏蔽腔体2的屏蔽效能高于圆柱形和矩形腔体，但谐振较明显;圆柱形腔体的屏蔽效能相对最低，谐振也最少。因此，模型3不规则腔体1的设计在装载PCB电路板后是合理的。其最低屏蔽效能峰值出现的位置相同，与T010E模在矩形腔中的谐振屏蔽相似。

图10 HEMP作用下的电场屏蔽效能Fig.10 The shielding effectiveness in HEMP

3.5 车辆电控设备电场屏蔽效能分析

研究的车辆模型采用如图11所示的三维车辆模型，其几何尺寸为4.2 m×1.45 m×1.45 m，电控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］。图11为车辆模型中电子设备增加矩形，图12是非规则屏蔽腔体2时的屏蔽效能。

图11 车辆模型Fig.11 The model of vehicle

图12 电子设备电场屏蔽效能Fig.12 The shielding effectiveness with 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，约为几个分贝;当增加屏蔽腔后，电路板上的屏蔽效果有明显改善，至少提高60 dB以上。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，在车辆不规则的模型中，在1 GHz的频率范围内可采用不规则的屏蔽腔体圆形线缆孔洞，从而提高不同电磁脉冲武器作用下车辆电子设备的屏蔽效能。

4 结论

笔者采用等效传输线算法对高空核电磁脉冲作用下车辆电子设备屏蔽腔体的屏蔽效能进行研究。针对回波强度与反射面形状有关的问题，设计了一种非规则的屏蔽腔体，通过增强回波减少进入屏蔽腔体内部的电磁波。在考虑观测位置，孔洞形状，腔体的形状，加载电控设备及应用到车辆模型的屏蔽效能分析后，可以得出以下的结论。

1)屏蔽腔体对低频段的屏蔽效果明显高于高频段，当脉冲武器源为频率较高电磁波时，产生的屏蔽效能近似稳定在50 dB。

2)当频率低于主谐振频率时，离孔缝越近，耦合进的电磁能量越大;当处于谐振频率时，屏蔽腔与孔形成共振，屏蔽效能很低，且腔体内任何空间都如此。

3)对于相同面积的孔洞，圆形孔缝的屏蔽效能比矩形孔孔缝的屏蔽效能要好。因此，对无法避免的腔壁开口，应尽可能采用圆形孔。

4)笔者设计的不规则腔体2的电场屏蔽效能高于圆柱形和矩形屏蔽腔体，且谐振较小，由此可验证此屏蔽腔设计的合理性。

5)在考虑电控设备后对几种模型的屏蔽效能进行分析，进一步验证了所设计的非规则屏蔽腔体2屏蔽效果的有效性。

6)把非规则屏蔽腔体应用于捷达车模型的电子设备，未加屏蔽腔时，车辆自身具有一定的屏蔽效果，约为几个分贝。增加屏蔽腔后，电路板上的屏蔽效果有明显改善，提高60 dB以上。因此在车辆这样不规则的模型中，在1 GHz的频率范围内可采用此非规则的屏蔽腔体圆形线缆孔洞，从而提高其电子设备的屏蔽效能，验证模型的可行性。

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(责任编辑:张洁)

Analysis of Irregular Cavity Shielding Effectiveness in Vehicles

WANG Yufei1，ZHAO Xiaohui2，WEN Quan2
(1.College of Information and Technology，Jilin Normal University，Siping 136000，China;2.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

In order to effectively suppress electromagnetic injury，the electronic products shielding effectiveness of the cable holes was studied by TLM(Transmission Line Matrix)method in HEMP(High-altitude Electromagnetic Pulse).In view of the echo strength and the reflecting surface shape，an irregular shielding cavity was designed for the first time to resist electromagnetic destruction which can reduce the electromagnetic wave entering cavity by enhancing echo and it was tested in non-shielded vehicles.The simulation results show that the electric shielding effectiveness of irregular cavity is higher than that of the cylindrical and rectangular cavity and the resonator is also small hence rationality and effectiveness of the design were verified which can provide a theoretical reference to the protection of the electronic control system for vehicles.

transmissionlinematrix(TLM);shieldingeffectiveness;irregularcavity;high-altitude electromagnetic pulse;circuit board

TN97

A

1671-5896(2014)02-0181-07

2013-06-06

“十二五”装备预先研究基金资助项目(40407030202)

王宇飞(1978— )，女，吉林四平人，吉林师范大学讲师，博士，主要从事电磁兼容研究，(Tel)86-13504466387(E-mail)yufei-522@163.com;赵晓晖(1957— )，男，北京人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事自适应信号处理、无线移动通信理论及电磁防护研究，(Tel)86-431-85095079(E-mail)xhzhao@jlu.edu.cn;通讯作者:温泉(1977— )，男，四川高县人，吉林大学讲师，博士，主要从事电磁兼容防护研究，(Tel)86-13504464996(E-mail)wenquan@jlu.edu.cn。