带孔缝箱体电磁屏蔽效能的研究*



带孔缝箱体电磁屏蔽效能的研究*

周泽伦

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)

摘要：随着无线通信技术的普及与应用、电子产品高频化、数字化、小型化的发展趋势，使得电子设备间的电磁屏蔽问题更加突出。屏蔽箱技术是行之有效的屏蔽方法，然而，实际中常用于散热、过电缆等的功能性孔或孔阵必然造成电磁泄漏。因此，现今对影响电磁屏蔽效能的相关因素的研究和分析提出了更高的科学性。在简要介绍了电磁屏蔽效能的计算方法的基础上，针对带孔缝箱体内电磁场，详细分析了使用电磁仿真软件HFSS计算其电磁屏蔽效能的方法及结果。得出了一般性结论：箱内与孔缝距离不同的点，距离孔缝越远，屏蔽效能越好；屏蔽效能圆形孔缝和正方形孔缝大小相仿，三角形孔缝位列次席，而长方形则居于末位；孔缝越小，屏蔽效能越好；长方形孔缝的长短边的比值越小，箱体屏蔽效能越好；孔阵间距越小，屏蔽效能越好；开孔数量越多，屏蔽效能越好。

关键词：屏蔽效能；箱体；孔缝；HFSS

0引言

21世纪以来，无论在军品市场，抑或是在民品市场，电子、电气设备的销量与日俱增，产品日新月异。在科研领域，设备与设备之间变得更加息息相关，所产生的电磁干扰更为不可忽视。因为这个原因，人们为使其正常工作，通过使用金属箱体进行屏蔽来降低设备间的电磁干扰。然而，由于屏蔽箱上通风、散热、观察以及过电缆等孔缝或孔阵的不可或缺，外界信号通过这些孔缝对机箱内部进行电磁干扰，会对电路中的敏感器件造成一定波动，使工作系统无法正常运转。

作为电磁兼容性领域的主要内容——电磁屏蔽技术，虽然发展已有数十年，国内外在孔缝这一版块的研究十分多，但是，大部分的研究主要是集中在对于屏蔽材料的开发与研究[1]、孔缝对耦合效应的影响[2]、对屏蔽效能的测试方法[3]以及对不同材料屏蔽体屏蔽效能的对比[4]等，对改变孔缝各方面要素对电磁屏蔽效能的影响的考虑很少，只有少量对有孔箱体屏蔽效能分析的研究[5-6]。对某些问题研究得还不够深入和全面，没有总结出一般性的结论。因此，现今对影响电磁屏蔽效能的相关因素的研究和分析提出了更高的科学性。

1屏蔽效能计算方法

由介质材料产生的消耗与反射同时对电场和磁场造成的抑制和衰减称为电磁屏蔽。电磁屏蔽效能(Electromagnetic Shielding Effectiveness，以下简称SE)是一种电磁指标，被用以度量电磁屏蔽作用的强弱，SE的定义是在某试验点无屏蔽存在时的电磁场E0与H0和在同一试验点加屏蔽抑制后的电磁场E1与H1的比值[7-8]，一般用单位dB表示。公式如下

式中E0，H0分别为空间中，所取试验点在无任何处理时的电磁场，E1，H1分别为同一试验点在经过屏蔽体衰减后的电磁场。

一般来说，近场(nearfield)定义为距离电磁辐射源小于3个波长的范围内(或者波长量级)的电磁场；近场的电磁场强度比远场(farfield)大得多。从这个角度上说，电磁屏蔽的重点应该在近场。所以本文主要研究近场电磁屏蔽效能[9]。

箱体的材料特性、箱壁厚度、形状，箱体上孔缝的形状、尺寸、数量，箱体内部的印刷电路板，以及辐射源的频率、入射角和极化形式等因素都对箱体的SE有很大的影响。在此类计算对带孔缝箱体的SE研究中，除了一般的试验测试外，常用的方法还有另外2种，即数值解析法和基于平面波理论的传输线解析法。由于传输线解析法并不适合对电磁屏蔽的近场效应进行解析，在这里不做讨论。通常使用的数值解析法主要有时域传输线矩阵法、时域有限差分法、矩量法和有限元法这4种[10]。

目前，研究最多的计算方法是电磁场的有限元法(FEM)，这种计算方法有广泛的实用性，而且具有分析各种复杂情况和结构的能力，而现今的计算机越发先进，在高速性和大存储量的使用条件下，能够得到较为精确的结果。HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)作为一款基于FEM的三维结构电磁场仿真软件被业界广为认可，在本研究中用以解析多种因素和电磁屏蔽效能的关系。

2仿真模型的建立

HFSS软件有3种求解类型：模式驱动求解、终端驱动求解和本征模求解。模式驱动求解与终端驱动求解的不同点是散射参数的矩阵表达式不同，前者以能量的形式进行表示，而后者以电压和电流的形式来表示。对电磁屏蔽效能进行研究，主要分析电场或磁场，应选用模式驱动求解[11-12]。

研究选取带有多种不同孔缝的金属铝制箱体，图1以矩形孔缝为例。箱体的几何尺寸为a×b×c=322mm×285mm×194mm，以箱体其中一角作为坐标原点O(如图1)，按照不同的需求设立不同的孔缝的形状以及尺寸，孔缝位于箱体开孔面的中心，箱体壁厚度为3mm，为了方便观测，初始试验点设定在箱体几何中心位置与孔缝所在平面相距97mm.现取一具有微带线的印刷电路板放于箱体底部中心位置，该电路板与XOY平面平行。使用HFSS最基本且最重要的就是正确地认识和使用边界条件，边界条件确定场，这是本款软件能够较为准确进行仿真计算的依据和前提。并且，使用有限元法求解电磁场问题时，如若不在外边界确定一种辐射边界条件，问题将难以得到唯一的解[13]。因此，为了实现建模时电磁问题的完整性，任意添加一长方体作为辐射的边界条件(空气)，将箱体包裹即可。研究将入射波设定为平面电磁波并沿Z轴负方向向箱体垂直入射、沿着Y轴正向极化，电场强度为1伏每米。

图1　矩形孔缝HFSS仿真模型实例Fig.1　HFSS simulation model of retangular aperture

通过使用HFSS软件验证屏蔽效能研究的合理性时，必须先进行求解设置，然后才能再启动软件内求解器进行解算。设置100 ΩHz为起始频率，1 000 ΩHz为终止频率，50 ΩHz为步长，扫频类型为离散。收敛的迭代次数为15次，计算精度为0.02[12]。以下图1以孔缝为矩形的箱体为例，根据每一小节变换孔缝形状。

3带孔缝的箱体的SE分析

3.1　箱体内部不同点与孔缝的距离和SE的关系

研究箱体内部不同点的屏蔽效能，这一部分研究选用孔缝水平面为圆形的模型进行探讨，改变试验点与孔缝的距离作为变量，此处取3个试验点，该点和孔缝下沿所在水平面的垂直距离分别为120，80和40 mm，根据HFSS软件仿真结果如图2所示。

图2　3个不同试验点的箱体SE曲线Fig.2　Box SE graph of 3 different test point

根据图2的计算结果分析可得，位于中轴线的屏蔽箱内的某试验点和孔缝所在平面的距离与SE呈负相关。因此，若箱体内存在敏感元件，应使箱体内该元件尽量远离孔缝。

3.2　孔缝形状和SE的关系

分析孔缝水平面形状和箱体SE的关系，研究选取箱体上孔缝面积几乎相同的长方形、正方形、圆形和等边三角形进行对比来探讨。根据HFSS软件仿真结果如图3所示。

图3为3种面积相同、孔缝形状不同时，HFSS仿真计算所得的箱体SE.根据仿真结果分析，孔缝水平面积相同，箱体SE排序为：圆形和正方形大小相仿，三角形位列次席，而长方形则居于末位。因此，开孔时应优先考虑圆或正方形孔缝而非长方形或三角形的孔缝。

图3　孔缝形状不同情况下的箱体SE曲线Fig.3　Box SE graph of different aperture shapes

3.3　孔缝尺寸和SE的关系

研究选取圆形孔缝为例来探讨孔缝水平面尺寸和SE的关系。改变圆的半径作为变量，分别使用5，10和20 mm作为圆形孔缝的半径，根据HFSS软件仿真结果如图4所示。

图4　圆形孔缝半径不同情况下的箱体的SE曲线Fig.4　Box SE graph of circular apertureswith different radius

图4说明了形状相同时，不同尺寸的孔缝和箱体SE的关系。由图可见，在同等其他条件下，孔缝尺寸和SE呈负相关。

研究矩形(长方形)孔缝长宽比(L/W)不同情况，文中选取孔缝为矩形为例进行探讨。根据HFSS软件仿真结果如图5所示。

图5　带不同长宽比的长方形孔缝的箱体SE曲线Fig.5　Box SE graph of rectangular apertureswith different length-width ratio

同时比较13 mm×12 mm，25 mm×6 mm和50 mm×3 mm的3种情况可以看到，三者的SE依次降低，研究说明，在长方形孔缝的长边与入射平面电磁波的极化方向垂直的情况下，长方形孔缝的长短边的比值和箱体的SE呈负相关。从侧面可以看出，在选取孔缝形状时，应优先考虑正方形而非长方形。

3.4　孔阵的屏蔽效能分析

3.4.1孔阵间距和SE的关系

研究孔阵间距和屏蔽效能的关系，选取孔阵为圆形孔阵，对不同的孔阵间距进行探讨。圆形孔阵的HFSS电磁仿真模型如图6所示，对孔阵内圆形的圆心距进行改变，间距分别为3，6和9 mm.根据HFSS软件仿真结果如图7所示。

图6　圆形孔阵的HFSS仿真模型Fig.6　HFSS simulation model of circular aperture arrays

图7显示了圆形孔阵排列一定和圆形孔缝面积相同时，不同的孔阵间距和箱体的屏蔽效能的关系。由图7可见，当圆形孔阵排列形式一定，圆形孔缝面积相同时，孔阵间距和屏蔽效能呈负相关。所以在排列孔阵时孔缝应尽量缩短间距。

图7　孔阵间距不同情况下的箱体的SE曲线Fig.7　Box SE graph of aperture arrays with different spacing

3.4.2孔阵中孔缝数量和SE的关系

研究孔阵中孔缝数量和屏蔽效能的关系，选取孔阵总面积不变，对单孔、双孔和四孔的模型进行探讨。根据HFSS软件仿真结果如图8所示。

根据曲线可得，选取孔阵的总面积作为不变量，孔缝数量作为变量时，在屏蔽箱体上开单个孔缝的SE明显差于屏蔽箱体上开多个孔缝时的SE.因此，对于拥有较高灵敏度的设备，为了达到较高的屏蔽效果，在屏蔽体表面应适当增加孔缝的数量。

图8　改变孔阵孔缝数量的箱体的SE曲线Fig.8　Box SE graph of aperture arrays withdifferent quantity of apertures

4带孔缝电磁屏蔽箱的设计建议

1)确保通风面积不变，应尽可能使用圆形或正方形的孔缝而不是矩形孔缝[14]；

2)最大限度的使过电缆孔缝或通风孔的尺寸减小；

3)若使用矩形孔缝时，可以缩短长宽比来提高屏蔽效能；

4)同等面积下尽量使用孔阵，增加开孔数量，并且尽可能减小通风孔间的距离；

5)将需进行屏蔽保护的设备妥善放置距离孔缝越远越好。

5结论

在阐述电磁屏蔽效能计算方法的同时，运用HFSS三维电磁仿真软件计算孔缝电磁屏蔽效能的结果。并根据该实验结果，科学并且全面的分析了多种因素对电磁屏蔽效能的影响，得出了一般性结论：箱内与孔缝距离不同的点，距离孔缝越远，屏蔽效能越好；圆形孔缝和正方形孔缝的屏蔽效能大小相仿，三角形孔缝位居次席，而长方形则居于末位；孔缝越小，屏蔽效能越好；长方形孔缝的长短边的比值越小，箱体屏蔽效能越好；孔阵间距越小，屏蔽效能越好；开孔数量越多，屏蔽效能越好。根据分析结果，总结出了针对带孔缝电磁屏蔽箱的设计建议。

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Research on the sheilding effectiveness of the box with apertures

ZHOU Ze-lun

(Xi’anElectronicEngineeringResearchInstitute，Xi’an710100，China)

Abstract：With the popularity and applications of Radio Communications Technology，and the trends of high frequency，digitization and miniaturization of electronic products，electromagnetic shielding problems of electronic equipment become more prominent.Electromagnetic shielding box techniques are effective shielding methods.However in practical cases，functional apertures or aperture arrays which are usually used in radiating and passing cables will inevitably result in electromagnetic leakage.Therefore，higher scientification of studies and analysis on the related affecting factors to the electromagnetic shielding effectiveness is required.Based on the brief introduction of the principle of the calculation methods of shielding effectiveness，the calculation and method of shielding effectiveness(SE) of the inside field of boxes with apertures by the electromagnetic simulating software HFSS is studied.This paper draws a general conclusion: the farther away the points in the box from apertures，the better the shielding effectiveness(SE) is;SEof circular apertures and square apertures is the best，triangle the third and the rectangle follows; the smaller apertures is，the better theSEis; the smaller the ratio of the length and width of the rectangular apertures is，the betterSEis; the smaller the aperture spacing of array is，the better theSEis; the more the apertures are，the betterSEis.

Key words：shielding effectiveness；box；aperture；HFSS

中图分类号：TM154

文献标志码：A

作者简介：周泽伦(1991-)，男，陕西扶风人，硕士研究生，E-mail:jasonpatrick@126.com

收稿日期：*2015-07-25责任编辑：高佳

文章编号：1672-9315(2016)01-0122-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0121