基于矩形谐振腔法研究金属网格对雷电波屏蔽性能

金晨路，韩照全，何婧，刘佼，徐彬彬

（南京市气象局，南京 210019）

基于矩形谐振腔法研究金属网格对雷电波屏蔽性能

金晨路，韩照全，何婧，刘佼，徐彬彬

（南京市气象局，南京 210019）

针对金属网格屏蔽体对雷电波的屏蔽性能这一问题，通过对金属网格屏蔽体屏蔽效能和矩形谐振腔模型的理论分析，利用理论与试验相结合的方法，采用雷电冲击平台模拟雷电流，主要讨论了在2.5 GHz天线接收8 kA冲击电流作用下，5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm金属网格在模拟雷电流下时，金属笼对雷电波的屏蔽效果，得出：金属网格屏蔽体的屏蔽效能不随网格密度的增大而增大，在2.5 GHz下5 cm×5 cm金属笼对雷电波屏蔽效果较好。该结论在金属网格屏蔽体对雷电波的屏蔽应用中有一定的参考价值。

金属网格；矩形谐振腔；屏蔽效能；雷电流

0 引言

随着科学技术的高速发展，电子元器件的灵敏度不断提高，继而带来的是电子信息系统抗雷电电磁干扰的能力的日趋减弱。每年我国电力电子设备受损事故占雷电灾害事故总数就高达63%[1]。电磁屏蔽是减少损失的有效方法之一。屏蔽材料方面，主要有表层导电型、填充复合型、导电纤维、导电织物等[2]，其中以填充复合型为主流。仿真方面，解子凤等[3]考虑到雷电波在波头部分的波长远大于一般屏蔽体的尺寸，用电路方法求解，提出了金属笼的同轴圆环简化计算法。陈新平等[4]对分仓腔体和孔阵进行了仿真分析。由于采用平面波作为源有简单的特性及讨论方法，且能表征电磁波重要的性质，因此将平面波作为电磁波远场的辐射源的仿真常见于国内外[5－7]很多文章。关于雷电防护系统，Rakov 等[8－9]人研究了在人工触发闪电直击实体雷电防护系统的雷电电流分布情况。王俊凯等[10]基于EGM模型对输变电线路进行了防雷评估。还有学者[11－13]对其它方面的雷电防护进行了研究。余军等[14]利用近似稳态屏蔽效能测试的小环法和冲击电流发生器测试了屏蔽室的暂态磁场屏蔽效能，测试结果表明金属板对各种强度暂态磁场的屏蔽效能基本相同。实际应用方面，张小青等[15]对不同尺寸和设置高度的金属网格进行保护失效计算，得出在考察的网格参数范围内，屋面雷击率随网格尺寸的增大而增大，随设置高度的增大而减小。以上作者为屏蔽方面的研究做出了很大的贡献，为后来的研究奠定了一定的基础。但是，在金属网格屏蔽体对雷电波屏蔽性能方面的分析还不够。

笔者运用矩形谐振腔谐振原理，建立了金属网屏蔽效能试验模型，讨论了在2.5 GHz天线接收8 kA冲击电流作用下，5cm×5cm、5cm×2.5cm和2.5cm×2.5 cm金属网格在模拟雷电流下时，金属笼对雷电波的屏蔽效果。

1 金属网格屏蔽

因为金属板屏蔽不是很方便，而金属网屏蔽便于解决屏蔽室的通风和采光，因此常用金属网作屏蔽，尤其是双层金属网屏蔽。电磁场在金属网中的衰减非常小，故其屏蔽效能主要是取决于反射。对于网格密度为50%，且每个波长有60根以上金属丝的金属网，几乎可以得到与金属板相同的反射损耗。但是由于这种情况实现起来比较困难，所以一般都采用双层屏蔽来保证所需要的屏蔽效能。

金属编织帘是金属网的一种特例。在电场平行于导体的情况下，电磁波的振幅传输系数为

式中：A′、A为穿透波和入射波的振幅；λ为工作波长，单位cm；a为编制帘帘线间距，单位cm；d为金属导线直径，单位cm。

上述计算公式对金属网也适用。由式（1）可以看出，导线直径只是在自然对数ln之中，所以其作用并不大。

无论多密织的金属网，其屏蔽效果也比金属板差得多。尤其是在高频情况下，两者之差就更为显著。因此不能期望单层金属网会有很高的屏蔽效能。

2 矩形谐振腔的谐振频率计算

金属网格的谐振可按矩形谐振腔处理。矩形谐振腔的谐振频率：

将长度为l的一段矩形波导两端用金属片短路便构成了一个矩形谐振腔。其中a和b表示矩形波导在x方向和y方向的尺寸，应用相位法求出波导型谐振腔的谐振频率。因波导两端短路，故式2βl+θ1+θ2=2πp（p=0，±1，±2，…）中的 θ1=θ2=－π；因矩形波导中只有色散波，故β=2π/λp。于是得到谐振条件为

式中：p=p′+1，代表谐振波沿传输线纵向分布的半驻波数；λp0为矩形波导腔谐振相波长。

λp0与谐振波长λ0的关系为

将上式代入式（4）中得λp/2型谐振腔谐振波长

λ0的一般表达式为

将矩形波导截止波长λc的计算公式

矩形谐振腔谐振波长的计算公式

3 试验分析

以直径为0.5 mm的铜丝编制的金属笼作为试验的模型，金属笼的大小为0.5 m×0.5 m，采用的网格大小分别为 5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm、2.5 cm×2.5 cm。利用雷电冲击平台产生8/20 μs波形模拟雷电流，在相对该波形的远场处采集数据，本试验中采用从6～40kA，步长为2 kA的冲击电流。虽然雷电流的频带很宽，但随着雷电流脉冲的上升，其包含的高频分量越多，本试验中主要采用中心频率为1.75 GHz和2.5 GHz的线天线接收雷电流信号。将中心频率和频带宽度基本相同的两根天线分别放置在金属网格内外，保证两根天线处在相对激励源的距离相同的位置上，同时笼内的天线应位于金属笼的中心处。两根天线所采集到的信号通过示波器进行采集，其中CH1与笼内的天线相连接，CH2与笼外天线连接。模型如图1。

4 网格大小对屏蔽效能的影响

通常情况下，一般认为网格密度越大即网格尺寸越小屏蔽效果越好，实际上通过试验的验证，这种认知是不正确的。2.5 GHz天线接收8 kA冲击电流产生的信号时，不同尺寸金属网格内外的信号幅值如图2。由图可见，5 cm×5 cm的金属网格在2.5 GHz对8 kA冲击电流产生的信号有很好的屏蔽效果，而5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm的金属网格的屏蔽效果很差，尤其是5 cm×2.5 cm的网格，其笼内信号幅值几乎为笼外的2倍。

图1 金属网格屏蔽效能试验模型Fig.1 Metal mesh shielding effectiveness test model

图2 不同尺寸接地金属网格2.5GHz天线接收8kA冲击电流产生的信号Fig.2 Different sizes grounded metal mesh 2.5GHz antenna receives signals generated by the impact of current 8kA

不同的电磁波信号所含的频率成分不同，当屏蔽体上存在孔缝时，屏蔽体可看作缝隙天线，金属网格尤为如此。金属网格等效的裂缝天线的中心频率和频带宽度与电磁场激励源所包含的频率成分相符合时，网格不仅不存在屏蔽效果，甚至会成为另一个激励源，使屏蔽体内的电场强度增大。不同尺寸的金属网格的谐振可看作含孔缝阵列的矩形谐振腔处理。矩形谐振腔的谐振频率计算公式为

因金属笼的尺寸为0.5 m×0.5 m，故可将l代为0.5 m。

5 cm×2.5 cm 的网格即 A=5 cm、B=2.5 cm，代入式（7）得：

取m为1，n、p为0，得 f0=3 GHz。2.5 GHz较1.75 GHz更接近于谐振频率，故2.5 GHz时的屏蔽效能更小，即笼内天线接收到的信号更多。

2.5cm×2.5cm的网格即a=b=2.5cm，代入式中得：

取m为1，n、p为0或n为1，m、p为0，可求出f0=6 GHz。2.5 GHz较1.75 GHz更接近于谐振频率，故2.5 GHz时的屏蔽效能更小。但由于这两个频率都偏离谐振频率过大，损耗较多，所以二者的屏蔽效能的绝对值并不是很大，即屏蔽效果较差。

5 结论

笔者主要利用矩形谐振腔模型，以及实验室雷电冲击平台产生波形模拟雷电流，主要研究了2.5 GHz天线接收8 kA冲击电流产生的信号时，不同尺寸金属网格内外的信号幅值的差异性，得出：金属网格屏蔽体的屏蔽效能不随网格密度的增大而增大，在2.5 GHz下5 cm×5 cm金属笼对雷电波有屏蔽效果，5 cm×2.5 cm和2.5 cm×2.5 cm金属笼对雷电波屏蔽效果相对较差。

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Study on Shielding Properties of Metal Mesh for Lightning Wave Based on a Rectangular Cavity Method

JIN Chenlu，HAN Zhaoquan，HE Jing，LIU Jiao，XU Binbin
（Nanjing Bureau of Meteorology，Nanjing 210019，China）

According to the issue of shielding performance of metal mesh shield on lightning wave，through theoretical analysis on the shielding effectiveness of metal mesh shield and rectangular cavity model，by using the method of combination of theoretical and experimental，the lightning current is simulated by lightning impulse platform，mainly discussed under the effect of 2.5 GHz antenna reception 8 kA inrush current，when 5 cm ×5 cm，5 cm ×2.5 cm and 2.5 cm ×2.5 cm metal grid under simulated lightning，the shielding effect of metal cage on lightning wave is discussed，it is obtained that：shielding effectiveness of metal mesh shield does not increased with the increase of mesh density，the shielding effect of 5 cm×5 cm metal cage on lightning wave is good under the 2.5 GHz.This conclusion has a certain reference value in shielding applications of metal mesh shield for lightning.

metal mesh；rectangular cavity；shielding effectiveness；lightning current

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.016

2016－02－22

金晨路（1986—），女，硕士，助理工程师，主要研究方向：雷电灾害和监测预警。