舰船电子设备机箱屏蔽效能分析

2018-04-12李亚辉

科技与创新 2018年7期

李亚辉

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州 450015）

1 概述

舰船电子设备高速发展带来的电磁干扰问题严重制约着其工作的可靠性，因此，怎样防护电磁干扰问题受到了各界人士的高度关注。电磁干扰源的类型不同，可分2种情况分析电磁干扰的特性：①当外部源为电磁干扰源时，可等效为分析舰船电子设备抵抗其他舰船电子设备电磁辐射的能力；②当内部源为电磁干扰源时，可等效为分析舰船电子设备阻止其内部电磁能量向设备外辐射的能力。舰船电子设备对外产生电磁干扰及受到其他电子设备电磁干扰的途径有传导干扰和辐射干扰，耦合路径主要有机箱、电缆、电源，有效抑制辐射干扰的方法是屏蔽机箱内电子设备。

除了低频磁场以外，完全封闭的金属壳体对电磁干扰具有很高的屏蔽效能。但是，在实际工作中，由于观测、检查及通风、散热等需要，屏蔽机箱上不可避免需要大量开孔，这些孔洞的存在会破坏机箱屏蔽的完整性、降低机箱壳体的屏蔽作用，影响舰船电子设备的正常工作。因此，分析电磁场与开有孔缝金属机箱的耦合规律、研究耦合场的分布情况及孔缝对屏蔽效能的影响，找出提高电子设备机箱屏蔽效能的方法，具有实际的工程应用前景。在低频段，影响屏蔽效能的主要因素是材料及接地，随着工作频率的增高，影响屏蔽效能的主要因素为机箱的孔缝，机箱材料及其厚度的影响变为次要因素[1]。

国内外众多学者研究了在外部干扰源近似为均匀平面波条件下带孔机箱的电磁特性，但由于近场源辐射场与远场源辐射场的不同，如果不考虑辐射源位置，采用平面波推导得到的屏蔽效能计算方法均不适用于近场屏蔽效能的计算。当入射场的源距离屏蔽层足够远时，即屏蔽体在入射场源的远场中，入射波可近似为均匀平面波；当屏蔽体在入射场源的近场中，屏蔽技术依赖于源的类型，已不能简单近似均匀平面波作为干扰源，近场的辐射场远比远场复杂。根据文献[2]提出利用偶极子阵列对印制电路板干扰源的电磁辐射特性进行等效建模的方法，本文的近场干扰源用电偶极子等效。

本文以带孔机箱为研究对象，采用基于有限元算法的HFSS软件进行电磁场仿真计算，分析近场源辐射场与远场源辐射场屏蔽效能的不同，以及不同的开孔结构参数对机箱屏蔽效能的影响，所得到的结论可用于指导实际生产设计。

2 电磁屏蔽原理

2.1 屏蔽效能

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示屏蔽体对电磁波的衰减程度，其定义为同一点没有屏蔽时的场强幅度E0与屏蔽体存在场强幅度E1之比，以分贝表示为：

机箱的屏蔽效能受到机箱厚度、形状、材料特性，机箱上孔缝的数量、形状、尺寸，机箱内部的印制板，以及辐射源的频率、入射角等的显著影响。

2.2 源辐射场

源辐射场以电偶极子天线为例，通过对天线表面上电流分布的积分运算，可得到电偶极子天线的辐射电场和磁场。电偶极子由带有电流向量I的长度为dl的无穷小电流元组成，假设电流向量在沿电流元长度的所有点上都是相同的（包括相位和幅度），则自由空间中电偶极子的辐射场为：

式（2）（3）（4）中：η0为自由空间的固有阻抗；β0＝λ0/2π为传播常数；r为场点与电偶极子中点的距离。

由这些公式可知，当场点距离天线非常近时，公式中所含1/r3和1/r2起支配作用；当远离天线时，含1/r的项开始起支配作用。当含1/r3和1/r2项与含1/r的项相比时，可以忽略不计的点就是远场和近场的边界，这个边界大致在r＝λ0/2π处。在电偶极子的近场区，感应的电场强度以1/r3规律减小，感应的磁场强度以1/r2规律减小；电偶极子的远场区，电场、磁场分量均随距离成反比的减小。

3 近场屏蔽效能与远场屏蔽效能的比较

本文所采取的带孔机箱的腔体尺寸为120 mm×300 mm×300 mm，厚度为1 mm，材料为理想导体（PEC）；开孔尺寸为150 mm×20 mm，开孔位置开在300 mm×300 mm机箱面中心位置上；仿真环境的边界条件设为吸收边界，且设置辐射边界距离辐射体大于1/4个工作波长；频率扫描范围0.1～1 GHz，观测点位于机箱中心。

在机箱外部正对开孔中心位置设置干扰源，分别用均匀平面波近似远场辐射源和电偶极子天线近似近场辐射源，仿真得到屏蔽效能与频率的关系曲线，如图1所示。

图1 近场源和远场源屏蔽效能对比

由图1可知，随着频率的增大，箱体的屏蔽效能减小，且在0.9 GHz附近箱体出现共振现象，此时箱体的屏蔽效能最差。这是因为当电磁波进入一个由导体制成的封闭腔体时，它在腔内被连续反射，电场与磁场相互转换，交替出现在相对应的场强最大位置上，从而形成了谐振。在谐振频率附近，外界耦合进入箱体的电场强度很强，此时电子设备屏蔽体的屏蔽效能最差。

从图1中还可以看出，均匀平面波的屏蔽效能高于电偶极子的屏蔽效能，究其原因在于干扰源的近场区辐射场与远场区辐射场的差异性。用均匀平面波近似远场辐射源和电偶极子天线近似近场辐射源，由源辐射场公式可知，远场区辐射场不存在纵向分量，而近场区辐射场存在，且随着频率增大纵向分量不断增强。如果电偶极子辐射场垂直入射到电子设备机箱表面时，机箱对纵向分量不起屏蔽作用，因此两者表现出不同的屏蔽效能规律。

4 开孔参数对屏蔽效能的影响

常见的开孔参数有开孔形状、开孔数量、开孔间距。本小节基于外加均匀平面波为干扰源的方法，分析不同的开孔参数对屏蔽效能的影响。

4.1 开孔形状

机箱模型采用上一节的尺寸，开孔为单孔，开孔位置位于机箱中心位置，在开孔面积都为3 000 mm2的情况下，分别分析圆孔（半径R＝30.91 mm）、方孔（边长a＝54.77 mm）、矩形孔150 mm×20 mm、矩形孔75 mm×40 mm对屏蔽效能的影响。不同的开孔形状屏蔽效能如图2所示。

图2 不同开孔形状屏蔽效能比较

由图2可知，在开孔面积相同的情形下，圆孔的屏蔽效能最好，方孔的屏蔽效能比圆孔略差，矩形孔的屏蔽效能最差。矩形孔150 mm×20 mm的屏蔽效能在0.7～1 GHz间出现负值，说明矩形孔的长宽比越大，屏蔽效能越差。所以当屏蔽机箱开孔时，尽量使用圆形孔缝，以取得最佳屏蔽效能。

4.2 开孔数量

机箱模型采用上一节的尺寸，开孔为圆形孔阵，孔阵位于机箱中心位置，在开孔面积为3 000 mm2的情况下，分别分析单圆孔、3×3圆形孔阵、5×5圆形孔阵对屏蔽效能的影响，具体如图3所示。

图3 不同开孔数量屏蔽效能比较

由图3可知，在开孔面积相同的情况下，5×5圆形孔阵的屏蔽效能最好，3×3圆形孔阵的屏蔽效能稍差，单圆孔的屏蔽效能最差。在开孔相同面积的情形下，开多孔的箱体比开少孔的箱体的屏蔽效能要好，开孔数量越多，屏蔽效能越好。源辐射场会在金属机箱上产生感应电流，而感应电流产生的反射场可以抵消源辐射场达到屏蔽的效果。因此，感应电流无阻碍地流动可以提高箱体的屏蔽效能，如图4所示，带箭头线条即感应电流及其流动方向。但是，箱体上的孔缝会打断感应电流的无阻碍流动，降低箱体的屏蔽效能。例如，垂直于感应电流方向的缝隙宽度对屏蔽效能影响很大，如图5所示。对于圆孔，缝隙宽度就是孔直径。如果用许多个小孔代替一个大孔，散热作用与大孔相差不大，但对感应电流有很小的阻碍，如图6所示。所以，在相同面积的开孔情况下，开多孔机箱屏蔽效能比开少孔的好。

图4 缝隙对感应电流的影响

图5 缝隙对感应电流的影响

图6 小孔孔阵对感应电流的影响

4.3 开孔间距

本节研究开孔间距对屏蔽效能的影响，仿真计算采用3×3圆形孔阵，如图7所示。设圆孔半径R＝10.30 mm不变，从1 mm到10 mm改变孔间距h，得到不同频率下随孔间距变化的屏蔽效能曲线。不同开孔间距在不同频率下的屏蔽效能比较如图8所示。图8显示在一定频率，孔间距h从1 mm到10 mm的均匀变化时，箱体屏蔽效能呈缓慢增加趋势，但变化幅度不大；在不同的频率下，机箱屏蔽效能与机箱孔距之间的变化趋势相同。

图7 孔阵示意图

5 结论

本文采用Ansoft HFSS电磁场仿真软件建模仿真，分别从干扰源为远场源和近场源2个方面分析电磁屏蔽。由于近场源场分量复杂，基于平面波的远场屏蔽效能计算不适用于近场屏蔽效能的计算，因此，工程设计利用HFSS电磁屏蔽仿真时，应选择合理的辐射源，否则会得出错误的结果。

基于均匀平面波在机箱外部作为远场辐射源，分析开孔形状、开孔数量、开孔间距3种参数对屏蔽效能的影响，可知：①对于不同开孔形状的单孔，只要面积相等，圆孔的屏蔽效能最好，方孔屏蔽效能略差，矩形孔屏蔽效能最差。矩形孔的长宽比越大，耦合进箱体的能量越多，屏蔽效能越差，因此，屏蔽箱体应尽量避免矩形孔缝。②在相同的开孔面积下，开多孔箱体的屏蔽效能比开少孔的好，开孔越细密，屏蔽效能越高。所以，在屏蔽箱体表面开孔时，应尽量选取较细密的孔阵，以达到更好的屏蔽效果。③开孔间距也是影响屏蔽效能的一个因素。随着开孔间距的增大，箱体屏蔽效能呈缓慢增加趋势，耦合进箱体的电磁波呈减小趋势，孔缝之间的耦合有所减弱。当入射电磁波频率越高、波长越小时，箱体屏蔽效能越差。因此，在设计屏蔽箱体的孔阵时，应合理安排孔缝之间的距离。