夹网屏蔽玻璃屏蔽效能仿真计算简化模型研究

窦 龙，刘自力，秦德淳，吕全洲

(63956部队，北京 100093)



夹网屏蔽玻璃屏蔽效能仿真计算简化模型研究

窦 龙，刘自力，秦德淳，吕全洲

(63956部队，北京 100093)

为了减少夹网屏蔽玻璃在电磁场数值计算中剖分的网格数量，基于时域有限差分周期结构谱算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)仿真了单层夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理论提取出金属网的等效电导率，应用CST电磁仿真软件建立了一种屏蔽玻璃仿真简化模型，解决了细微结构屏蔽材料难以仿真计算的难题。仿真结果表明，等效电导率方法具有很高的计算精度，为计算具有细微结构屏蔽材料的机箱、方舱等结构的屏蔽效能提供了有效途径。

夹网屏蔽玻璃；SFDTD；等效电导率；仿真简化模型

0 引言

传统的屏蔽材料主要是金属板材，屏蔽体的物理性能受到金属材料本身属性的限制。为了满足特殊应用场合的功能需求，新型屏蔽材料常常通过构建材料内部细微复杂的物理结构来实现材料的特殊性能。夹网屏蔽玻璃因其良好的透光性能和屏蔽效能，是制造防信息电磁泄密、防电磁干扰的机箱表盘及屏蔽体采光窗的关键材料[1-3]。夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能主要取决于玻璃板间所夹金属网的材料、结构、层数，金属网内部金属网孔近似于矩形腔体，使夹网屏蔽玻璃具有一定的频率选择性，其屏蔽效能随频率变化，可视为一种色散媒介。由于金属网具有十分之一毫米级的网状结构，若将夹网屏蔽玻璃和设备机箱进行一体化整体仿真，将导致计算机仿真计算量巨大、计算时间漫长，甚至无法计算。

基于时域有限差分周期结构谱算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)[4-6]可以采用周期结构边界条件，利用材料结构的周期性变化，以单个周期结构来替代无限大材料的电磁场数值仿真，从而达到简化计算的目的。典型的周期结构电磁场数值算法能够准确计算无限大周期结构材料的屏蔽效能，但当周期结构材料用于具体结构时，仿真计算上难以进行，例如，夹网屏蔽玻璃应用在屏蔽方舱上，求屏蔽方舱整体屏蔽效能十分困难。

为解决上述问题，本文提出了一种针对夹网屏蔽玻璃屏蔽效能仿真计算的简化模型。首先，该模型基于周期结构SFDTD算法仿真计算了典型夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能，然后，基于Schelkunoff屏蔽理论[7]提取出夹网屏蔽玻璃的等效电导率，最后，利用提取的等效电导率，在CST仿真软件中将材料等效为均匀板材，从而极大减小了仿真计算材料屏蔽效能时的网格剖分量。该模型同样适用于其他具有周期性细微结构的屏蔽材料屏蔽效能仿真分析。

1 屏蔽玻璃SFDTD算法计算模型建立

1.1 三维模型建立

夹网屏蔽玻璃的电磁防护能力主要与所夹金属网的结构、材料参数有关，在实际应用中编织金属网所用的金属丝多数是圆柱体，本文为简化网格剖分，将圆柱体结构简化为立方体结构，金属网的编织结构选择十字交叉结构，选择市场上主流的目数标准，基于SFDTD法建立金属网计算模型。

40目、60目、100目、120目、160目金属网的结构尺寸见表1。金属网单个周期模型如图1所示。

表1 金属网的结构尺寸 (mm)

由于金属网的网孔尺寸较小，FDTD网格剖分时将产生巨量的空间步长，本文采用周期结构SFDTD算法，对金属网取单个周期，在长宽方向上采用周期边界条件，在厚度上采用16层PML吸收边界条件，程序采用Fortran语音编写。周期边界条件使金属网单个周期结构的计算便可模拟无限大平面金属网。

图1 金属网单个周期模型

1.2 屏蔽效能表达式

计算屏蔽材料的频域屏蔽效能表达式为

(1)

式中：E0为入射波的频域电场强度，EZ为透射波的频域电场强度。

1.3 激励源选取

计算采用高斯脉冲[8]，高斯脉冲函数时域形式为

(2)

频域表达式为

(3)

2 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真结果

图2为采用最高频率为20 GHz的高斯脉冲(场强1 V/m)照射时，100目和160目纯铜网的透射电场时域波形。图3为40目、60目、100目、120目、160目纯铜网的屏蔽效能对比图。

图2 透射电场时域波形

图3 单层纯铜网的屏蔽效能对比图

对结果进行分析可以发现：(1)由于单层铜网具有等尺寸的近似矩形网孔，对入射波频率具有选择特性，高频入射波更容易穿透狭小孔洞，因此单层铜网屏蔽效能随入射波频率的增大而减小。(2)金属网目数越高网孔孔径越小，网孔密度越大，屏蔽效能越高。

3 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真简化模型建立

本节通过建立屏蔽玻璃屏蔽效能仿真简化模型，将具有细微网状结构的夹网屏蔽玻璃等效成电导率随频率变化的平板材料，既可保证屏蔽效能计算的准确性，又可大幅度减少网格剖分，有效地缩短仿真计算时间。

3.1 屏蔽玻璃等效电导率提取方法

根据电磁脉冲屏蔽技术原理，当平面波垂直入射到无限大导体板时，如果板的厚度远小于入射波波长，由Schelkunoff屏蔽理论，结合传输线理论[9]，可得出以下近似公式。

导体板的吸收损耗：

(4)

导体板表面反射损耗：

R=168+10lg(σr/μrf)(dB)

(5)

导体板材料多次反射修正项：

B=20lg (1-10-0.1A) (dB)

(6)

导体板的电磁屏蔽效能：

SE=(A+R+B) (dB)

(7)

式中t为导体板厚度，单位mm；f为入射波频率，单位Hz；σr，μr为导体板相对于铜的相对电导率和相对磁导率。为简化计算，建立屏蔽效能与电导率的直接联系，μr值取1。于是

(8)

由式(8)可知无限大导体板材料电导率与屏蔽效能的对应关系，只要已知夹网屏蔽玻璃随频率变化的屏蔽效能，即可求出对应频率变化的等效电导率，而夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能可采用前面所述的SFDTD算法计算结果。这里需要注意的是，求得的等效电导率包含了磁导率的变化，因此在计算材料屏蔽效能时，需将材料磁导率设为1，保证计算结果的有效性。

由于120目铜网屏蔽效能与100目结果相近，此处省略120目铜网电导率提取结果。图5～8分别为提取40目、60目、100目、160目铜网随入射波频率变化的等效电导率。

图5 40目铜网等效电导率

图6 60目铜网等效电导率

图7 100目铜网等效电导率

图8 160目铜网等效电导率

3.2 仿真简化模型建立

利用CST仿真软件MWS工作室建立色散材料的功能，分别将40目、60目、100目、160目铜网的等效电导率及对应频点输入到色散材料的设置窗口，建立新材料M1、M2、M3、M4。对于建立的立方体，在X、Y方向设置周期边界条件，厚度Z方向设置吸收边界条件，激励源与2.2节相同，该模型等效为无限大均匀平板材料。仿真求解器采用频域求解器，简化计算模型如图9所示。

图9 夹网屏蔽玻璃简化计算模型

3.3 简化模型仿真结果

应用新的等效材料M1、M2、M3、M4的简化模型屏蔽效能仿真结果与周期结构SFDTD法仿真的铜网结果对比见图10～13。

图10 等效材料M1-40目铜网屏蔽效能仿真对比图

图11 等效材料M2-60目铜网屏蔽效能仿真对比图

图12 等效材料M3-100目铜网屏蔽效能仿真对比图

图13 等效材料M4-160目铜网屏蔽效能仿真对比图

由屏蔽效能计算对比图可以看出，简化模型的计算结果与SFDTD法仿真的计算结果基本吻合，高频部分存在1～2 dB误差，计算结果可信度较高。

4 结论

通过本文的研究工作可得出以下结论：

(1)采用周期结构SFDTD方法可计算夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能。计算结果表明夹网屏蔽玻璃的屏蔽效能随入射波频率的增大而减小，金属网目数越高屏蔽效能越好。

(2)根据SFDTD方法计算出的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理论提取出夹网屏蔽玻璃的等效电导率，因此，可将夹网屏蔽玻璃等效为均匀色散介质平板。

(3)应用CST软件MWS工作室建立简化模型进行仿真。结果表明夹网屏蔽玻璃简化模型的计算结果与周期结构SFDTD的计算结果基本吻合，高频部分存在1～2 dB误差，计算结果可信度较高。

(4)本文提出的简化模型可将夹网屏蔽玻璃等金属网材料等效为均匀板材，实现大尺寸网格剖分，大幅减小仿真计算量，使得在常规计算机计算速度条件下，可快速高效地实现夹网屏蔽玻璃和设备机箱一体化整体仿真。

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Study on the simplified simulation model of shielding window with metal mesh

Dou Long, Liu Zili, Qin Dechun, Lv Quanzhou

(63956 Unit of PLA, Beijing 100093, China)

In order to reduce the divided grids of shielding window with metal mesh electromagnetic calculation, the shielding effectiveness of the electromagnetic shielding window with metal mesh was simulated based on the periodic structures SFDTD (Spectral Finite-Difference Time-Domain ) method. According to the Schelkunoff shielding theory, the equivalent conductivity of the shielding glass was extracted and the simplified simulation model of shielding glass was established by the CST simulation software. This solved the problem that the shielding material with fine structures was difficult to simulation. The simulation results show that the equivalent conductivity method has high calculation precision and provides an effective way for calculating the shielding effectiveness of the object with the fine structure shielding materials, such as the case or the square cabinet etc.

shielding window with metal mesh; SFDTD; effective parameter; simplified simulation model

O441.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.003

窦龙，刘自力，秦德淳，等. 夹网屏蔽玻璃屏蔽效能仿真计算简化模型研究[J].微型机与应用，2016,35(20)：13-16.

2016-05-19)

窦龙(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向：电磁兼容性试验。

刘自力(1963-)，男，博士，研究员，主要研究方向：目标特性、电磁兼容试验评估。

秦德淳(1978-)，男，博士，工程师，主要研究方向：电磁兼容与电磁环境。