双屏蔽箱体船用电子设备电磁屏蔽效能优化研究*

罗名祺 金华标 王 卓 喻方平

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

随着船舶自动化程度的提高，越来越多的电子设备用于船舶通信、导航、监测诊断及控制[1-3]，电磁环境更加恶劣.为了保证设备处于良好的电磁环境中，设备功能不至于降级，国内外制定了相应的公约条款对发射限值进行了约束.其中CISPR 16-2-3无线电干扰和抗干扰测量仪器和方法，对电子设备的辐射发射限值进行了详细的规定，对156～165 MHz频段提出了更高的要求，见图1.

图1 船用外壳端口辐射发射限值

船用通信设备具有高灵敏度的特点，易受到外部设备的电磁干扰[4-6].为保证船用电子设备良好的电磁兼容性，本文从单屏蔽箱体几何结构设计、双屏蔽箱体谐振特性分析和双屏蔽箱体孔洞设计三方面，提出了使船用电子设备满足船用外壳端口辐射发射限值要求的相关建议 .

1 单屏蔽箱体谐振机理分析

1.1 箱体谐振机理

屏蔽箱体谐振是引起端口辐射发射试验超标的重要原因，分析箱体谐振特性可为箱体设计提供理论依据.

分析谐振机理，电磁波进入一个由导体制成的封闭空腔时，在腔内将被连续反射，当电磁波辐射发射频率与腔体的谐振频率重合时，形成驻波，发生谐振.根据波导理论[7-8]，谐振频率计算公式为

(1)

式中：μ，ε为矩形腔体内部空气介质的磁导率及介电常数；a，b，d分别为机箱的X轴、Y轴、Z轴的边长；m，n，l分别为X轴、Y轴、Z轴的模数.

基于以上公式进行理论计算可知，箱体几何尺寸越大，可在箱体内部反射的电磁波频率(箱体谐振频率)越低，以TE101模谐振为例，当a=d≥1 326 mm时箱体才可能在156～165 MHz频段内出现谐振频点.

1.2 本征模仿真

屏蔽箱体的本征模求解反应了存在箱体内部的电磁场结构和对应的谐振频率值，仿真结果可为屏蔽箱体的几何结构设计提供参考方案.

选择更适合做宽频带、电大尺寸模型仿真的CST仿真软件[9].首先在CST仿真软件中建立屏蔽箱体模型，屏蔽箱体的结构尺寸为：1 326 mm×500 mm×1 326 mm，壁厚2 mm，箱体材料为全密闭金属PEC空腔，频率范围为0～2 GHz，边界条件为电边界，启动本征模求解器开始求解.

仿真得到在0～2 GHz频率范围内谐振频点，以下列低频模式下的谐振频点为例，分别为160.348，253.519，320.675，322.739，342.077，358.492 MHz等.在模式一(即160.348 MHz)的电场分布，见图2.

图2 模式一，电场分布

由图2可直观地观察到160.348 MHz谐振频点箱体内部的电场分布.因此，在设计屏蔽箱体时，为满足船用通信频段特殊限值要求，应避免箱体尺寸a=d≥1 326 mm.

2 双屏蔽箱体谐振特性分析

由上述谐振机理分析可知，屏蔽箱体结构尺寸为a=d≥1 326 mm，船用电子设备在156～165 MHz频段易辐射超标.添加的内屏蔽箱体结构实现了外屏蔽箱体结构的谐振频率转移(双屏蔽箱体谐振频率主要由内屏蔽箱体决定).

建立双屏蔽箱体精简模型，见图3，内屏蔽箱体与外屏蔽箱体之间的空间结构称为空隙结构，屏蔽箱体的材料为铝，内、外屏蔽箱体的结构尺寸分别为：200 mm×250 mm×100 mm，500 mm×550 mm×200 mm，厚度分别为2，3 mm， 缝长分别为150，200 mm，缝隙宽度均为2 mm，缝隙均平行于Y轴.以平面波为激励，方向沿X轴负向，频率范围为0～2GHz，边界条件为吸收边界，在内屏蔽箱体中心放置一个场强探针，内屏蔽箱体与外屏蔽箱体的空隙腔内放置七个场强探针，坐标为：P1(250,275,100)，P2(100,275,100)，P3(400,275,100)，P4(250,275,25)，P5(250,275,175)，P6(250,100,100)，P7(250,450,100).

图3 双屏蔽箱体缝隙精简模型

单独对内屏蔽箱体和双屏蔽箱体进行仿真分析，对比探针获取的场强曲线，见图4.

图4 各屏蔽箱体谐振曲线

对谐振曲线分析，双屏蔽箱体与内屏避箱体(单屏蔽箱体)谐振曲线相比，谐振幅值明显降低；空隙结构的谐振特性对双屏蔽箱体谐振特性的影响几乎可以忽略(由谐振幅值对比可知).根据以上分析，与单屏蔽箱体相比双屏蔽箱体提高了屏蔽效能，双屏蔽箱体谐振特性由内屏蔽箱体决定.

3 内屏蔽箱体孔洞对双屏蔽箱体谐振特性的影响

屏蔽箱体的屏蔽效果一般由电场屏蔽效能来衡量.在本文中选择两个频点的场强值来计算双屏蔽箱体的屏蔽效能.

(2)

式中：Eo为屏蔽前的电场强度；Es为屏蔽后的电场强度.本节中所有仿真均是用CST默认的激励幅度，即屏蔽前空间各点上的场均为1 V/m(0 dB V/m)，用此值减去仿真幅值结果即得到机箱屏效.

3.1 孔洞大小的影响

箱体结构尺寸、材料属性如上例所述设置，建立模型.在内、外屏蔽箱体右侧中心均开一个方形孔，外屏蔽箱体孔尺寸为20 mm×20 mm.以内屏蔽箱体方形孔洞边长为变量参数建立大量的仿真模型.以边长为10 mm仿真得到的谐振曲线，见图5.

图5 双屏蔽箱体谐振曲线

根据双屏蔽箱体谐振曲线，以0.960和1.954 GHz两个极易引起端口辐射发射测试超标的谐振频点为基准，双屏蔽箱体在不同边长下的谐振幅值，见图6.

图6 谐振点幅值

由图6可知，内屏蔽箱体孔洞尺寸在边长20 mm时两个谐振频点的谐振幅值皆达到极大值；孔洞边长变大，谐振幅值整体不断变大.在工程设计中，内屏蔽箱体孔洞边长小于10 mm，能够有效提高屏蔽效能.

3.2 孔洞数量的影响

箱体结构尺寸、材料属性如上所述设置，同样地，建立模型，外屏蔽箱体右侧中心开一个方形孔，孔尺寸为20 mm×20 mm，分别在内屏蔽箱体的右侧中心沿着Z轴负方向10 mm开一个孔(孔A)、Z轴正方向10 mm开一个孔(孔B)、Y轴正方向10 mm开一个孔(孔C)及Y轴负方向开一个孔(孔D)，孔尺寸都设置为10 mm×10 mm，模型见图7.分别在保留孔A、保留孔AB、保留孔ABC及保留孔ABCD仿真，谐振曲线见图8.

图7 开4个孔的屏蔽箱体

图8 不同数量孔洞的谐振曲线

进一步分析，ABCD四个孔的内屏蔽箱体模型与20 mm×20 mm的内屏蔽箱体模型孔洞面积一样，分析其谐振特性，谐振曲线见图9.

图9 同面积孔洞谐振曲线对比

以0.960和1.954 GHz两个极易引起端口辐射发射测试超标的谐振频点为基准，对比谐振幅值，见表1～2.

由表1可知，内屏蔽箱体孔洞数量的增多不利于保证良好的屏蔽效能，内屏蔽箱体中的小孔洞与大孔洞相比，屏蔽效能提高很多.在相同开孔面积条件下，可通过将内屏蔽箱体的大孔洞分散成小孔洞以提高箱体屏蔽效能.

表1 0.960 GHz谐振点幅值及屏效

表2 1.954 GHz谐振点幅值及屏效

4 结 束 语

在设计屏蔽箱体时，为满足船用通信频段特殊限值要求，应避免箱体尺寸a=d≥1 326 mm；与单屏蔽箱体相比双屏蔽箱体显著提高了屏蔽效能，且双屏蔽箱体实现了对外屏蔽箱体的谐振频率转移；在外屏蔽箱体孔洞边长20 mm时，内屏蔽箱体孔洞边长小于10 mm能有效提高屏蔽效能；相同开孔面积条件下，内屏蔽箱体的分散小孔洞设计与大孔洞设计相比，能有效提高屏蔽效能.