非线性磁性材料屏蔽效能研究

2016-10-14熊鹏俊魏世乐张建国

船电技术 2016年10期

熊鹏俊，周畅，张星，魏世乐，张建国

非线性磁性材料屏蔽效能研究

熊鹏俊1，周畅2，张星2，魏世乐2，张建国2

（1. 海军驻719所军代表室，武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

针对几种常用的磁屏蔽材料，重点分析了磁导率的频谱非线性对于磁性材料屏蔽能力的影响，基于CST EM工作室，结合工程实际，建立电缆三维仿真模型，对不同非线性磁性材料的屏蔽效能进行定量计算和对比分析，研究结果表明，仿真计算的结果比传统经验公式计算的结果更加贴近实际，理想磁性材料屏蔽效能受频率变化影响很小，而铁和1008钢等非线性材料的屏蔽效能受频率变化影响较大，其中1008钢的整体屏蔽效能较高，铁的屏蔽效能在低频段随频率上升下降较慢，但是整体屏蔽效能较低。

电磁兼容磁屏蔽非线性

0 引言

舰艇作为集成了大量高新技术的武器平台，艇上的电磁环境，尤其是低频电磁环境越来越复杂[1-3]。相比一般频段，低频磁场屏蔽更为困难，对舰船的很多重要设备如声纳等有着重大的影响。为确保舰艇复杂电磁环境下战斗力的正常发挥，低频磁场的屏蔽一直很受重视[4-5]。

低频磁场的屏蔽，最常采取的方法是用磁性材料制成屏蔽层包裹于强电电缆外围，对强电电缆发射的低频磁场进行直接屏蔽，磁性材料本身的性质、屏蔽层的厚度、屏蔽电缆所处的环境、屏蔽信号对应的频率直接关系到屏蔽层的屏蔽效果及其保护的敏感设备的正常工作，因此对于磁性材料屏蔽效能的定量预估十分关键，很多论文对磁性材料的低频磁屏蔽效能进行了分析和研究，并取得了一些结果。然而，以往的研究基本局限于孤立的试验或者仿真计算[6-8]，单纯的试验虽然能够得到较为准确的结果，但是需要耗费大量的人力、物力和时间，而仿真计算则主要基于理想模型，对于与实际情况密切相关的非线性磁性材料屏蔽效能的仿真和计算研究较少。

本文针对几种常用的磁屏蔽材料，重点分析了磁导率的频谱非线性对于磁性材料屏蔽能力的影响。基于CST EM工作室，结合工程实际，建立电缆三维仿真模型，对理想磁性材料和不同种类的非线性磁性材料的屏蔽效能进行定量计算和对比分析。

1 仿真模型及初始理论分析

本文的仿真计算利用CST EM Studio模块，结合工程实际建立实体模型，如图1所示的电缆模型。

（a）（b）

其中铜导线直径为D1，绝缘层直径为D2，磁屏蔽材料厚度为T1，整个电缆长度为L，磁屏蔽层的工作原理在于，磁屏蔽效能的定义公式如下：

式中，0为未加装磁屏蔽材料时的磁场强度，1为加装磁屏蔽材料之后的磁场强度，SE为磁场屏蔽能效，通过改变磁屏蔽层的材料并加以仿真计算，可以对不同材料在低频频段的屏蔽效能进行定量分析，此外通过对经验公式的对比，可以确保仿真结果的准确性。

2 电缆磁场三维仿真及分析

按图1和图2设置CST EM模块仿真模型，1=1.6 mm，2=10 mm，1=1 mm，=5 m，发射电缆传输信号幅度为0.001~1 A，频率为500 Hz~100×103Hz，发射电缆边界条件设置如图2所示。

电缆正下方为金属大地，前后方设置为电边界，其它方向为空气界面。理想磁性材料铁和1008钢的属性设置按照CST EM Studio中的非线性材料库中的设置进行。

图2 CST EM Studio电缆边界条件设置

模型建立完成后，利用CST EM Studio中的低频算法计算结果，如图4为发射电缆传输信号幅度为0.0069 A，频率为10 kHz时，非屏蔽电缆及加装了铁屏蔽材料的电缆三维仿真结果。

图3电缆磁场分布仿真结果

从图3（a）可以看出，在未加装磁屏蔽层电缆的周围空间中存在着较强的磁场，距离电缆20 mm以内磁场强度大于10-8Vs/m2，随着距离电缆越近，其磁场分布越强，由于电缆并非出于绝对的理想空间，电缆下方5 mm为金属地面，因此磁场的分布较为复杂，在距离电缆较远的位置，靠近地面的区域磁场更强。从图3（b）可以看出，加装了磁屏蔽层以后，整个电缆磁屏蔽层外部的磁场大大减弱，磁场基本被限制在磁屏蔽层内部及靠近此屏蔽层的有限区域内部。

经对比，结合式（1）算得10 kHz时理想磁屏蔽层的屏蔽效能为43.1 dB，而经验公式算得磁屏蔽层的屏蔽效能为37.8 dB，计算结果较为接近，但是略有区别，主要是因为经验公式考虑的理想状态下的磁性材料屏蔽效能，而实际环境中，电缆周围环境受大地、设备、舱壁的影响，其屏蔽效果不可一概而论，电缆自身的性质也不完全相同，全部套用经验公式必然会有一定的偏差，而使用三维电磁场分析软件，在边界条件设置准确、模型剖分充分、算法选择合理的前提下，计算结果的准确性是有保障的。

按照以上方法，在500 Hz~100×103Hz频段，对理想磁性材料、铁和1008钢的构成的磁屏蔽层进行仿真计算，其屏蔽效能如图4所示：

图4电缆收/发模型仿真结果

由图4可知，理想磁性材料的屏蔽效能在整个频段内基本保持不变。这是因为理想磁性材料的磁导率保持恒定，根据式（1）可知，在磁导率不变的情况下，磁性材料的屏蔽效能主要由电缆的内径和磁性材料的厚度决定，因此理想磁性材料屏蔽效能受频率影响很小。1008钢的初始屏蔽效能较高，基本与理想磁性材料持平，500 Hz时为32.2 dB。但是随着频率的增加，1008钢的屏蔽效能迅速降低，5 kHz时1008钢的屏蔽效能仅为10.6 dB，之后随着频率的增加，其屏蔽效能慢慢恢复。100 kHz时，1008钢的屏蔽效能为18.7 dB。铁的屏蔽效能较低，500 Hz时为19.2 dB，随着频率的提高继续降低，5 kHz时仅为10 dB，之后随着频率的增大慢慢增加，100 kHz时，其屏蔽效能为20.2 dB。1008钢和铁的屏蔽效能变化很大，这是因为1008钢和铁作为非线性材料，其磁导率受频率影响很大，在500 Hz左右的低频，其磁导率处于巅峰值，之后迅速降低，在20 ~100 kHz左右，其磁导率有所恢复，因此1008钢和铁的屏蔽效能也随着磁导率的变化迅速变化。

综上所述，CST EM studio仿真计算结果与经验公式计算结果相比，较为接近，在电缆结构及周围环境完全相同的情况下，磁导率较为稳定的理想磁性材料磁屏蔽效能随频率变化较小，而铁、1008钢等非线性材料的磁屏蔽效能受频率影响较大。

3 结论

本文基于CST EM Studio仿真模块，结合工程实际，针对几种常用的磁屏蔽材料，重点分析了磁导率的频谱非线性对于磁性材料屏蔽能力的影响，对不同非线性磁性材料的屏蔽效能进行定量计算和对比分析，研究结果表明，对于理想材料构成的模型，屏蔽效能的仿真结果与传统经验公式计算结果较为接近，并且理想磁性材料屏蔽效能受频率变化影响很小，而铁和1008钢等非线性材料的屏蔽效能受频率变化影响较大，其中1008钢的整体屏蔽效能较高，但是在某些频段，屏蔽效能下降达20dB，铁的屏蔽效能下降较慢，但是整体屏蔽效能较低。由于CST EM Studio仿真模块可以对电缆辐射发射进行精确的剖分和计算，在仿真模型足够精确的基础上，其计算结果相比传统经验公式更加准确，可以对非线性磁性材料在各个关键频段的屏蔽效能进行定量预估和对比分析，可以有效的指导舰船电缆磁屏蔽层的设计，对于确保舰船敏感设备正常兼容工作，降低设计和制造成本具有相当的指导和借鉴意义。