屏蔽体孔缝对雷电流屏蔽效能的影响

孙彤

（沈阳汽车工业学院电气信息系，沈阳110015）

屏蔽体孔缝对雷电流屏蔽效能的影响

孙彤

（沈阳汽车工业学院电气信息系，沈阳110015）

针对孔缝屏蔽腔内传输线上耦合雷电波的特性研究问题，对孔缝金属腔体屏蔽效能的理论分析，利用雷电试验冲击平台（ICGS）模拟产生雷电注入金属杆后模拟辐射雷电电磁波进行孔缝金属腔体屏蔽效能的实验。在孔缝数量一定时改变孔缝直径分析雷电电磁波进入金属腔体的特性。实验表明：金属腔体内部的天线接收到的电磁波信号基本上都是小于腔体外部的天线接收到的电磁波信号，即金属腔体对于雷电波产生的电磁波有屏蔽作用；改变孔径的大小，得出腔体的孔缝直径越小，雷电电磁信号对腔体的屏蔽效果越好范围为16.5dB－18dB之间；当金属腔体表面的孔缝直径一定时，改变金属腔体表面的孔缝数量，根据实验数据得出金属腔体表面的孔缝数量越少对雷电电磁波进入腔体的屏蔽效能越好，范围也是在16.5dB－18dB之间。根据屏蔽效能曲线的一次线性拟合方程得出随着雷电电流的增大，屏蔽效能有略微的减小，此现象是由于雷电电磁信号进入金属腔体内并在腔内发生多次折反射，使得屏蔽效能减小。

孔缝腔体；耦合；雷电电磁脉冲；屏蔽效能

0 引言

人们通常会使用屏蔽装置来减小对电子设备的干扰，但在实际情况中，金属屏蔽装置为了通风或用来连接电源线不可避免的会开一些孔缝，而这样雷电电磁波就有可能进入到屏蔽腔体中，因此需要对金属腔体因雷电电磁脉冲产生的雷电电磁波的屏蔽效能进行研究。

关于孔缝屏蔽腔的屏蔽效能，国内外有很多学者进行了研究。李凯等[1]人针对矩形孔缝金属腔体在电磁辐射下的屏蔽效能进行研究，证明：孔缝的尺寸、深度、填充介质会衰减进入腔体的入射波而在一定程度上影响屏蔽效能。夏昌明等[2]就金属腔体通过使用FIOELIW软件进行FDTD仿真并通过计算来预测因源的不同位置，不同频段范围对屏蔽效能的影响。张慧文等[3]为了解决孔缝的耦合问题运用了两种不同的计算方法并分析了这两种方法的内在联系和各自的特点。周金山等[4]人对孔缝的形状对微波耦合进行了研究，结果表明孔缝的长度对耦合微波的共振频率有影响，纵横比越大孔缝的共振频率越明显。徐亮[5]通过仿真计算的方式得出孔缝的长度越短对金属腔体的屏蔽效能越好，因此提出在不能避免屏蔽腔的完整性时可以在缝隙处减小螺钉的间距来增强屏蔽效果。还有很多学者[6-15]对孔缝的屏蔽进行了研究。但以上作者并没有针对雷电这种自然因素源对金属屏蔽体的屏蔽性能进行研究。由于雷电电磁脉冲（LEMP）的幅值高且幅值不定，还有雷电的频谱很宽对屏蔽体也有很大的影响。因此研究雷电电磁脉冲下金属屏蔽体的屏蔽效能是很有必要的。

笔者利用孔缝屏蔽体的基本理论，运用等效电路模型，从理论上讨论了对雷电电磁波进入孔缝屏蔽腔内对腔体的屏蔽效能。并通过实验改变孔缝的直径及腔体表面孔缝的数量采用控制变量法分析雷电电磁波对孔缝屏蔽腔体的屏蔽效能的影响。

1 孔缝屏蔽腔内传输线上耦合雷电波的理论分析

当屏蔽体上留有孔缝时，分析其屏蔽效能将变得十分复杂。屏蔽体上的孔缝可以泄漏电磁波，这种孔缝可以视为孔缝天线。另外，屏蔽体上的孔缝中有无导线或电缆传过，对其屏蔽效能影响极大。被导线或电缆穿过的屏蔽体，它的电磁波泄漏程度会变得更糟糕，孔缝大大降低了屏蔽效能，严重时会使屏蔽体完全失去屏蔽的作用。

任何电磁现象都可以用麦克斯韦理论来解释。支持麦克斯韦理论的是麦克斯韦方程组。在麦克斯韦方程组中，电流密度、电场强度和磁场强度三者的关系如下：

式中，σ为屏蔽体的电导率。J、E和H三者均为场矢量，它们是空间位置（x，y，z）和时间 t的函数。可以利用式（1）来计算屏蔽体中的电流密度。

假设屏蔽体有足够的厚度，电磁场透过屏蔽体后可以忽略不计。因此在屏蔽体的内部就不会有反射现象存在。当电磁场照射到屏蔽体表面时，所产生的电流密度的幅度为

式中：α为屏蔽体对电磁波单位距离的衰减系数；r为电磁波进入屏蔽体内的深度。由式（2）中可以看出，电流密度J与电场强度E、磁场强度H一样，其幅度随着透入深度的增加按照指数规律衰减。电流密度J对屏蔽体透入深度的积分就是面电流密度 JS，故有：

式中，t为屏蔽体透入深度。这里没有考虑电磁波的相位因素。根据安培环路定律：磁场强度的环路积分等于环路包围的电流，即：

故有，

由式（4）中可以看出，屏蔽体表面的磁场强度等于屏蔽体表面。电流密度，其方向与入射电场的方向相同。电流密度的方向与屏蔽体的几何形状有着密切的关系，在实际中，电流密度或磁场强度的方向是难以预测的。屏蔽体上的任何一个孔缝都会使得屏蔽体中的电流改变方向。

如果没有孔缝，电流是直线流动的，有了孔缝则电流改变了流动的方向。这种效应可以看成是还存在着另外的一种附加电流Ja，总电流为Ja+J，附加电流Ja与原电流J相加，使得原来的磁场发生了变化。不管怎样，在屏蔽体中的总电流必须满足麦克斯韦方程的电流连续性准则，即有下面的表达式：

在孔内，式（5）当然能够得到满足，电流Ja随着孔缝形状的复杂程度而变得复杂，最简单的形式就是圆形孔。目前还没有确定电流Ja表达式的规律算法，仍然依靠试验的方法来确定电流Ja的表现形式或规律。在最简单的圆形孔缝情况下，可以采用圆柱坐标系，假设圆形孔的半径为r，比信号波长小，所形成的场是稳态场，有Ja+J=σE，电流可以利用拉普拉斯方程得到如下形式的解：

式中：J0=|Ja|，r为圆形孔的半径，l为孔缝边缘到电流处的距离。

2 实验方案

金属腔体屏蔽装置见图1。利用ICGS雷电冲击平台产生6 kA到40 kA的强电流，步长为2 kA，再连接一根长为1 m直径为1 cm的金属杆，作为雷电电磁波发射装置。在距离发射装置6 m处放置一个长为25 cm，宽为15 cm，高为10 cm的铝制金属腔体。然后在腔体内外的同一水平线上分别放置两个中心频率与带宽等参数相同的天线并分别与示波器的两个通道CH1与CH2相连，其中CH1连接腔内天线，CH2连接腔外的天线。腔体表面接一根地线。首先，在腔体没有孔洞时分别更换两种不同频段的天线进行冲击试验，记录数据。其次，在金属腔体表面分别开直径d=7mm，d=14mm，d=30mm的圆形孔洞进行冲击试验。最后，在金属腔体表面开3个d=30mm的圆形孔洞进行冲击试验，实验数据与单孔d=30mm时的数据进行对比。故本实验就是分别针对不同天线，腔体不同孔洞直径和孔洞数量研究腔体对电磁波的屏蔽效果。

图1 金属腔体屏蔽装置Fig.1 Metal cavity shielding device

3 研究分析

3.1 屏蔽前后的雷电电磁波

在研究孔缝对金属腔体的影响实验，我们采集了不同冲击电流下雷电电磁波信号通过孔缝进入腔体的波形图，见图2和图3。根据上面几个图可以看出，中心频率为1.75 GHz的天线在冲击电流无论是18 kA还是30 kA，通过电磁波信号的孔缝金属腔体的直径d=7mm或d=30mm，金属腔体内部的天线接收到的电磁波信号基本上都是小于腔体外部的天线接收到的电磁波信号，即金属腔体对于雷电波产生的电磁波有屏蔽作用。

图2 单孔直径d=7 mm时的波形图Fig.2 Single hole diameter d=7 mm

图3 单孔直径d=30 mm时波形图Fig.3 Single hole diameter d=30 mm

3.2 孔洞直径不同对腔体的屏蔽效能的分析

本实验是在金属腔体表面分别开直径d=7mm，d=14 mm，d=30 mm的圆形单孔洞，用中心频段为1.75 GHz的天线作为接受电磁波信号的装置，在其他条件不变的情况下，使用示波器采集并记录腔体内能量与屏蔽效能随冲击电流的变化的实验数据，得到三种不同圆孔直径下的金属腔体的能量值和屏蔽效能值。通过绘图软件画出三种不同直径下的腔体内部接收到的能量对比图及屏蔽效能对比图，如图4所示。根据图4可以看出，孔径d=7 mm时雷电电磁波信号进入金属腔内的能量最小，而孔径d=14mm和d=30mm时雷电电磁波信号进入腔内的能量差不多，差别很小。而孔径对屏蔽效能来看，孔径d=7mm时的屏蔽效能是最大的，屏蔽效能在16.5～18 dB范围之间。孔洞直径d=14 mm与d=30 mm时的屏蔽效能明显比孔径d=7 mm时的屏蔽效能要差，范围在13.5～15 dB之间。由此可以得出，金属腔体表面的孔洞直径越大，雷电电磁波进入金属腔内天线耦合得到的信号能量越大，而屏蔽效能越小。将屏蔽效能曲线通过一次线性拟合可以得到d=30mm，d=14 mm，d=7 mm 的拟合直线分别为l：y=－0.005x+17.18，m：y=－0.002x+14.55 和 n：y=－0.02x+14.55。l、m、n 三条趋势线的斜率分别为－0.005 、－0.002 和－0.02。可见，屏蔽腔体对所研究的孔径下的屏蔽效能具有随着冲击电流的增大而减小的趋势，这是由于雷电电磁波信号进入金属腔内在腔内发生多次反折射，使得屏蔽效能减小。但由于三条拟合直线的斜率较小，故对上述变化不是很大，但是可以预测，当冲击电流达到一定值时，开缝金属腔体的屏蔽效能可能会为零，甚至出现腔体内部信号强于外部的现象。

图4 不同孔径能量、屏蔽效能结果Fig.4 Energy and shielding effectiveness of different pore diameters

3.3 孔洞数量对腔体的屏蔽效能的分析

此次实验是为了分析金属腔体表面的孔洞的数量对孔缝金属腔体的屏蔽效能的影响。用中心频段为1.75 GHz的天线作为接受电磁波信号的装置，用孔洞直径d=30 mm，用示波器记录金属腔体表面没有孔，只有一个孔和有三个孔时对腔体内能量与屏蔽效能随冲击电流的变化的实验数据，通过绘图软件画出孔洞数量不同时的腔体内部接收到的能量对比图及屏蔽效能对比图，如图5所示。

图5 不同孔数能量、屏蔽效能结果Fig.5 Energy and shielding effectiveness of different holes

根据图5可以看出，金属腔体表面为多孔时，腔体内部接收到的能量最大，其次是金属腔体为单孔时接收到的能量较大，最后金属腔体表面没有孔时，金属腔体内部接收到的能量最小。由图5可以看出金腔体表面没有孔时的屏蔽效能最好，范围在16.5～18 dB之间；再来金属腔体为一个孔时的屏蔽效能较好，范围在14～15dB之间；而金属腔体有多个孔洞时金属腔体的屏蔽效能最小，说明多孔时的屏蔽效果最差。由此可以看出当金属腔体的孔缝越大时接收到的雷电电磁波信号的能量越大，而屏蔽效能越低，屏蔽效果越差。下面将屏蔽效能曲线通过一次线性拟合可以得到屏蔽腔体表面没有孔缝和腔体表面为单孔、多孔时的拟合直线公式分别为l：y＝－0.01x+17.45，m：y=－0.02x+14.84 和 n：y=－0.02x+13.29。l、m、n 三条趋势线的斜率分别为－0.01、－0.02和－0.02，由此得出，屏蔽腔体对所研究的孔缝数量下的屏蔽效能具有随着冲击电流的增大而减小的趋势，这是因为雷电电磁波信号进入金属腔内后在腔内发生多次反折射，使得屏蔽效能减小。不过，这三条拟合直线的斜率较小，因此屏蔽效能的变化不是很大，由于拟合直线的斜率都为负值，可以预测，当冲击电流达到一定值时，孔缝金属腔体的屏蔽效能可能会为零，甚至出现腔体内部信号强于外部。

从所研究的模拟雷电流幅值来看，当金属腔体没有孔缝时，腔体对雷电电磁信号的屏蔽效能在16.5～18 dB之间，当金属腔体表面为单孔时，腔体对雷电电磁信号的屏蔽效能在14～15 dB之间，当金属腔体表面为多孔时，腔体对雷电电磁信号的屏蔽效能在12～14 dB之间。

4 结论

笔者通过对孔缝屏蔽体对屏蔽效能，孔缝屏蔽腔体的耦合理论的分析，通过现场实验，实际问题实际操作，根据不同孔洞直径对金属腔体的屏蔽效能随冲击电流的变化进行了研究，主要得出：在用来接收雷电电磁波信号的放于金属腔体内外的天线不变的情况下，随着金属腔体表面单孔直径d的变大，腔内接收雷电电磁波的天线通过耦合得到的信号能量越大，而屏蔽效能越小。说明金属腔体的孔缝越小，屏蔽效能越好；随着金属腔体表面孔洞数量的增加，雷电电磁波进入金属腔体的能量增大，而屏蔽效能减小。说明金属腔体的孔缝越少，对雷电电磁波的屏蔽效果越好。

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Influence of Shield Slot on Shielding Effectiveness of Lightning Current

SUN Tong
（Department of Electrical Information，Shenyang College of Automotive Industry，Shenyang 110015，China）

Aiming at the problem of coupling lightning wave characteristic study on the transmission line in the aperture shielding cavity，the shielding effectiveness of the slotted metal cavity is analyzed theoretically，and the lightning impulse platform（ICGS）is adopted to simulate the lightning electromagnetic wave experimental study on shielding effectiveness of porous metal cavity.When the number of holes is fixed，the diameter of aperture is changed to analyze the characteristics of lightning electromagnetic wave entering metal cavity.The experimental results show that the electromagnetic wave signal

by the antenna inside the metal cavity is basically smaller than the electromagnetic wave signal received by the antenna outside the cavity，that is，the metal cavity has the shielding effect on the electromagnetic wave generated by the lightning wave；The smaller the aperture diameter of the cavity，the better the shielding effect of the lightning electromagnetic signal to the cavity is between 16.5dB－18dB；when the hole diameter of the metal cavity surface is constant，change the aperture of the metal cavity surface The number of holes on the surface of the metal cavity surface the less the number of lightning electromagnetic wave into the cavity of the shielding effectiveness of the better range is between 16.5dB－18dB.According to a linear fitting equation of shielding effectiveness curve，it is concluded that the shielding effectiveness decreases slightly with the increase of lightning current.This phenomenon is due to the fact that the lightning electromagnetic signal enters into the metal cavity and many fold reflections occur in the cavity，shielding effectiveness is reduced.

aperture cavity；coupling；lightning electromagnetic pulse；shielding effectiveness

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.021

2016－10－19

孙 彤（1976—），女，硕士，副教授，研究方向：电气工程及自动化。