孔洞对于机箱屏蔽效能的影响

何新文，解国领，吴 迪

孔洞对于机箱屏蔽效能的影响

何新文，解国领，吴 迪

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

通风孔是影响机箱电磁屏蔽效能和通风能力的重要因素，在保证通风能力的前提下提高机箱屏蔽效能是结构设计中的关键环节。针对工程实际中通风孔设计不合理导致机箱屏蔽效能不达标，在研究孔洞的形状、尺寸、深度和空占比等因素对机箱屏蔽效能的影响的基础上，提出了通风孔屏蔽设计方法，以提高设备屏蔽效能。在CST软件中建立机箱模型，分析机箱屏蔽效能，并利用CST软件分别分析机箱上有不同形状、不同直径和不同深度的孔洞时机箱的屏蔽效能。在考虑机箱通风性能的基础上，分别仿真孔洞空占比为40%、60%和80%时机箱的屏蔽效能。根据软件的仿真结果确定尺寸和深度为影响机箱屏蔽效能的主要因素，并提出了通风孔屏蔽设计的建议。

通风散热孔；电磁仿真；空占比；屏蔽效能

引用格式：何新文，解国领，吴 迪.孔洞对于机箱屏蔽效能的影响［J］.无线电工程，2016，46（5）：99-102.

0 引言

随着科学技术的发展，电子设备越来越具有小型化、高集成度的趋势，这样就造成了设备热流密度高、内部电磁环境复杂的特点。为了解决散热问题，在工程上，经常采用在机箱箱体开出散热孔，通过自然对流或者强迫风冷的方式进行散热。但机箱的孔洞又会造成设备屏蔽效能下降，因此很有必要研究机箱表面的孔洞对于电磁屏蔽的影响［1］。

目前，对于孔洞电磁泄漏在理论上也有一些计算公式，但在工程中，由于实际问题比较复杂，进行计算就比较困难，而使用电磁仿真软件相对比较易于实现。本文使用CST电磁仿真软件，以常用的2U机箱为模型，分别仿真孔洞的形状、孔洞尺寸、孔洞深度和空占比等特征对于机箱电磁屏蔽效能的影响［2］。

1 孔洞的形状

孔洞的形状常用的一般有圆形、矩形和六边形等3种，如果采用直接在金属板上加工出通风孔的结构形式，根据钣金或者铣削加工结构件的不同，通风孔的深度一般在1～3 mm之间。下面将根据不同的形状和深度组别进行仿真对比［3］。

屏蔽机箱的外形尺寸为W×H×L=420 mm× 88 mm×360 mm，假设6个面完全密闭，在+Z面上的一个区域（200 mm×50 mm）设置通风孔，如图1所示。机箱中心设置高44 mm的单极子天线作为发射源，测试机箱外3 m处的电场场强，频率范围设定在0～4 GHz。

图1　孔洞仿真模型

首先仿真单个单极子天线在3 m处的电场场强，然后使用屏蔽机箱将天线封闭起来，再得到监测点的电场场强。仿真结果如图2所示。

图2　机箱屏蔽前后电场场强对比

对无屏蔽机箱时的3 m电场归一化，得到该机箱的屏蔽效能如图3所示。

图3　机箱屏蔽效能

下面将按照通风孔面积相同，形状分为方形、圆形和六边形3种情况分别进行仿真。以工程中常用的圆形通风孔直径2.5 mm为例，分别计算出相同面积的方形孔的边长为2.22 mm，六边形的边长为1.37 mm。依据上述数据在孔深度2 mm，空占比40%的相同条件下进行仿真计算，结果如图4所示。

通过图4可知，在单个通风孔面积很小时，面积相同的不同形状的通风孔对机箱屏蔽能力影响较小。可以看到在工作频点160 MHz：圆形通风孔机箱屏效78.3 dB，方形通风孔机箱屏效77.7 dB，六边形通风孔机箱屏效78.5 dB，相对来说，六边形孔屏效＞圆形孔＞方形孔，但差距不大，最大差距为0.8 dB。为了进一步验证当单个孔面积较大时，形状对屏效的影响，由于在工程中很少会出现直径大于6 mm的通风孔，所以依照直径6 mm的圆孔面积同时保持其他条件不变，进行3种形状孔的仿真计算，结果如图5所示。

图4　3种形状孔屏蔽效能对比

图5　3种形状孔屏蔽效能对比

由图5可以看出，在主要工作频率小于4 GHz且单个孔面积较小（D＜6 mm）的情况下，通风孔的形状对于屏效影响较小，开孔形状可根据加工工艺需要选择［4］。

2 孔的面积

通过对孔洞形状的电磁仿真，可知在单孔面积较小时，其形状对于机箱屏效影响较小，所以在仿真单孔尺寸对屏效的影响时，选择了最常见的圆孔为例，进行分析。在孔深2 mm，空占比40%的条件下，分别取圆孔直径D=2.5 mm、D=4 mm和D=6 mm进行仿真计算，具体结果如图6所示。

图6　3种不同直径圆孔屏蔽效能对比

由图6可以看出，单孔面积大小对于机箱屏蔽效能影响较大，开孔越小，屏蔽能力越高。在本例中，对于工作频率160 MHz，在D=2.5 mm时，屏效最高为78.3 dB，D=6 mm时，屏效最低为53.4 dB，即当通风孔直径由2.5 mm提高到6 mm时，机箱的屏蔽能力降低了24.9 dB。

3 孔的深度

孔的深度越大，通风效果越差，但同时提高了电磁屏蔽效能，因此有必要分析孔深度大小对屏蔽效能的影响能力。以直径2.5 mm，空占比40%的圆形通风孔阵列为基础进行分析，分别取深度1 mm、2 mm和3mm进行仿真对比，结果如图7所示。

图7　3种不同深度圆孔屏蔽效能对比

由图7可知，孔的深度对于机箱屏蔽效能影响较大，深度越小，屏蔽能力越低。在本例中，对于工作频率160 MHz，在d=3 mm时，屏效最高为91 dB，d=1 mm时，屏效最低为72 dB，即当通风孔深度由1 mm提高到3 mm时，机箱的屏蔽能力增加了19 dB。但是也可以发现当孔深度由1 mm提高到2 mm时，屏效由72 dB增加到了78.3 dB，提升不是特别明显。因此在工程中，如果设备对于机箱屏蔽要求不是很高，但是对通风要求较大时，可以尽量减小通风孔位置的厚度来综合设计［5］。

4 阵列孔位置的空占比

电子设备为了提高通风散热能力，一般都会要求增加通风孔区域的空占比，来降低风阻，提高对流换热能力。但是空占比的不同又会对机箱的屏蔽效果形成影响。因此有必要根据空占比值的不同，对机箱的屏蔽效果进行仿真分析。继续采用同样的机箱模型，通风孔为圆形，直径D=2.5 mm，深度为2 mm，分别对空占比为40%、60%和80%这3个不同的比例进行仿真分析，如图8所示。

由图8可以看出，孔阵列区域空占比的不同对于机箱的屏蔽效能有一定的影响，空占比越小，屏蔽能力越高。对于本例，在160 MHz的频点上，通风孔区域为40%空占比的机箱屏蔽为78.3 dB；60%空占比的机箱屏蔽为75.2 dB；80%空占比的机箱屏蔽为73.3 dB。对比屏效值的变化，可以看出空占比发生较大变化时，其对机箱屏蔽能力的影响较小。因此在工程中，如果机箱的屏蔽余量较高，同时对通风要求高时，可以通过提高通风孔区域的空占比来实现［6］。

图8　3种不同空占比孔阵列屏蔽效能对比

5 仿真结果分析

通过对通风孔相关结构参数对机箱电磁屏蔽能力影响的仿真分析，可以看出在工程中常用的单个小面积通风孔的形状对机箱的屏蔽能力影响很小，一般选用圆形，易于加工；而单个通风孔的面积对机箱屏蔽能力影响最大；通风孔深度的变化对于机箱的屏蔽能力有一定的影响，但在1～2 mm之间变化时，对屏蔽效能影响不大，而对通风能力影响最大的空占比对机箱的屏蔽能力影响也不是很大［7］。所以如果需要大通风量而电磁屏蔽要求也较高时，可以将通风区域设计成小通风孔高空占比的通风孔阵列，同时在通风区域位置的选择上既要满足散热的要求，又要尽量将开孔区域离开机箱边缘［8］。

6 结束语

综上所述，孔洞对电子设备散热性和屏蔽性能影响很大，仅依靠传统理论计算无法适应复杂的实际情况，因此屏蔽设计中仅凭以往的经验和实验验证。通过文章可以看出，使用CST等仿真软件分析孔洞对设备屏蔽性能的影响，能验证屏蔽设计的有效性，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率，值得在结构设计中推广应用［9］。同时，应积极掌握并运用仿真软件辅助结构设计，它能帮助查找结构薄弱环节，缩短产品的设计周期，降低试验成本，提高产品质量［10］。

［1］ 聂 磊，王迎节，汪 洋.屏蔽对电子设备EMC性能影响分析［J］.无线电工程，2011，41（10）：61-64.

［2］ 瞿 丹，陈 瑜，樊友文.基于CST的金属腔体电磁环境仿真分析［J］.船电技术应用研究，2014，34（10）：66-69.

［3］ 安 静，武俊峰，吴一辉.孔缝对内置电路板壳体屏蔽效能的影响［J］.微波学报，2011，27（2）：34-37.

［4］ 石 丹.平面波斜入射到有孔腔体的屏蔽效能分析［J］.电波科学学报，2011，26（4）：678-682.

［5］ 姚建明，吴建汪，谢拥军，等.内置PCB板电路的电子设备的屏效研究［J］.微波学报，2005，27（增刊1）：31-34.

［6］ 李新峰，魏光辉，潘晓东，等.开孔不规则金属腔体电磁耦合实验研究［J］.高电压技术，2013，39（10）：2 415-2 421.

［7］ 王连坡，茅文深.电磁屏蔽技术在结构设计中的应用［J］.舰船电子工程，2009，29（1）：173-177.

［8］ 田建学，魏俊淦，赵 波.机载设备机箱的电磁屏蔽设计［J］.电子设计工程，2012，20（7）：187-189.

［9］ 张 敏.CST微波工作室用户全书［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

［10］PRASAD Kodali V.工程电磁兼容［M］.陈淑凤，高攸纲，苏东林，等，译.北京：人民邮电出版社，2006.

Influence of Ventilation Holes on Cabinet Shielding Effectiveness

HE Xin-wen，XIE Guo-ling，WU Di
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Ventilation holes greatly influence cabinet shielding effectiveness and ventilation capability，and improving cabinet shielding effectiveness is the key of structure design.Considering that improper design of ventilation holes will make the cabinet shielding effectiveness fail to meet the requirement，a shielding design method of ventilation holes is proposed by studying the influence of holes’shape，size，depth and duty ratio on cabinet shielding effectiveness.A model is set up and the cabinet shielding effectiveness is analyzed by CST.The shielding effectiveness of cabinet with holes of different shapes，diameters and depths are analyzed by CST too. Considering the ventilation capability of cabinet，the shielding effectiveness of cabinet with 40%duty ratio，60%duty ratio and 80% duty ratio are analyzed.The main factors influencing the shielding effectiveness of cabinet are size and depth of holes according to the analysis results.The recommendation for ventilation holes characteristics in shielding design is provided.

ventilation hole；electromagnetic simulation；duty ratio；shielding effectiveness

TH122

A

1003-3106（2016）05-0099-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.25

2016-01-05

何新文 女，（1973—），工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

解国领 男，（1979—），高级工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。