基于HFSS电磁仿真优化地基DOAS设备结构及布局

李光旭，汤 咏

（1.成都信息工程大学 控制工程学院，成都610225；2.合肥中科环境监测技术国家工程实验室有限公司，合肥230031）

地基DOAS 设备是合肥中科环境监测技术国家工程实验室有限公司最新研发的国内外技术领先的污染气体监测产品。其具有监测距离远、操作简单、维护方便、运行成本低等特点。为适应室外负责的监测条件，排除周围电磁干扰，要求设备具有较高电磁屏蔽功能[1]。

目前，电磁屏蔽领域的研究已经从基础理论研究发展到了预测和实际应用。文献[2]一方面，总结了预防电磁干扰的材料，描述了屏蔽金属、导电塑料和导电复合材料对控制电磁干扰的效果，为本文选材提供了指导方向；另一方面，又分析了4 种测试电磁屏蔽效果的方法；文献[3]对带有矩形开孔的腔体使用等效传输线原理计算该腔体的屏蔽效能，该理论已经扩展到解决带有圆形孔的屏蔽效能问题；文献[4]更是针对航空电子产品电磁环境效应提出了模块化设计方法。

随着文献[5]中总结出的电磁数值计算理论的发展，有限元法、矩量法、有限积分法、差分法、传输线法等方法都被提出并丰富起来，由此研发出了各种工程应用软件：ANSYS HFSS 是基于有限元法研发出的；CTS 是基于有限积分法研发出来的，Microwave OfficeADSFEKO 等是基于矩量法研发出的；文献[6]应用CTS 仿真了在0～1 GHz 下，带有矩形孔径的箱体的电磁屏蔽效能；文献[7]应用ANSYS HFSS 分析了孔缝对箱体的电磁屏蔽影响。以上两种软件都展现了强大的电磁场精确仿真能力；文献[8]展示了HFSS 软件分析细节，文中HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、稳定成熟的自适应网格剖分技术，成为三维电磁仿真设计的首选工具和行业标准。

以上研究都是针对电磁屏蔽效能的评估，随研究的全面，在文献[9]和文献[10]的研究中，除分析电磁屏蔽效果之外，还重点关注了电磁谐振现象，对抑制电磁谐振提出了很多优化方案；文献[11]结合HFSS 仿真评估与优化设备的电磁屏蔽和电磁谐振。HFSS 优秀的场后处理功能能为设计人员提供丰富的场结果，整个空间的场分布情况可以以颜色云图的方式直观展现电场/磁场强度的强弱点位。

1 相关理论

电磁兼容性设计要素在于干扰源、干扰路径和受扰设备3 方面。为此，提高设备电磁兼容性的措施必然从这3 方面入手：通过屏蔽干扰源或降低干扰功率等措施来限制干扰源主动干扰，加大设备距离等方式切断干扰路径，控制设备孔隙等措施提高设备受扰阈值。

在实际工作中，对受扰设备而言，屏蔽受扰设备是控制电磁兼容的重要手段。通常，电子设备的屏蔽效果的评价标准是电磁屏蔽效能SE，其定义为指空间某点屏蔽前的电场强度E0、磁场强度H0和屏蔽后该点场强Es，Hs的比值。其电场屏蔽效能：SEe=20lg（E0/Es）；磁场屏蔽效能：SEm=20lg（H0/Hs）。对电子设备来说，按照QJ3035-1998 标准中电子机柜电磁屏蔽要求和测试方法的要求，该设备内部电磁屏蔽效能要求为二类屏蔽：>30～40 dB。

HFSS 作为电磁仿真软件，其仿真流程如下：

（1）创建设计工程，选择求解类型。在HFSS 中共有3 种模式，分别为模式驱动、终端驱动、本征模求解。本次仿真选用模式驱动求解；

（2）创建设计模型病情指定模型中材料属性，分配边界条件和端口激励；

（3）求解设置。设置求解频率、收敛误差、最大迭代次数等信息。本次仿真是扫频分析，还需要设置扫频方式；

（4）运算仿真并对数据做后处理，查看计算结果，包括屏蔽效能曲线、电场强度图等等。

地基DOAS 设备是基于成像光谱技术与差分吸收光谱技术，完成区域内污染物分布的观测。其内部有高精密光谱仪设备。光谱仪工作中数据量大，信息处理过程复杂，且对系统信噪比有较为严格的要求，而电磁兼容特性是影响系统信噪比，进而影响光谱复原准确度的重要因素之一。因此，针对地基DOAS 设备，提高其电磁屏蔽性能是非常有意义的研究。

2 模型简化

按照设备小型化和高电磁屏蔽性要求，该地基DOAS 设备采用铝合金5052 材质制成，结构分内外两层，外层结构长宽高为394 mm×394 mm×382 mm；内层为异形结构长宽高为234 mm×250 mm×344 mm；凸起结构结构长宽高为104 mm×144 mm×160 mm。设备正前方有直径40 mm 的光路出口贯穿内外层两个面。仿真中，在模型最外侧建立600 mm 的真空区间作为仿真边界条件。本次仿真忽略安装螺钉带来的屏蔽影响。因此，直接建模为BOX 形态，如图1所示。

图1 简化模型Fig.1 Simplified model

3 地基DOAS 屏蔽效能分析

为验证该双层结构的屏蔽能力，在模型中选4个分布在内外壳中的参考点：P1（190，100，300）；P2（150，100，150）；P3（-50，100，50）；P4（-150，100，100），其中P1，P4 在外层与内层结构之间，P2，P3 在内层结构内。

仿真中取离散扫频范围为0.2 GHz～2 GHz，步进100 MHz，共计18 个离散频率做分析，入射波为500 V/m。为避免假收敛，预设置最小Pass 为3，最大delta energy 为0.1，使用HFSS 仿真后的收敛如图2所示。

图2 模型仿真收敛Fig.2 Model simulation convergence picture

可见，在循环计算11 次后，delta energy<0.1，计算结果快速收敛。观察不同参考点处，材料厚度分别为2 mm，3 mm，4 mm 时不同的屏蔽效能曲线如图3～图6所示。

图3 P1 点处屏蔽效能曲线Fig.3 Shielding effectiveness curve at P1

图4 P2 点处屏蔽效能曲线Fig.4 Shielding effectiveness curve at P2

图5 P3 点处屏蔽效能曲线Fig.5 Shielding effectiveness curve at P3

图6 P4 点处屏蔽效能曲线Fig.6 Shielding effectiveness curve at P4

可见，各参考点及厚度参数对应的屏蔽效能均大于40 dB，符合QJ3035-1998 标准要求，其中在小于0.5 GHz 时候，处于内外壳之间的P1 和P4 点都能维持在54 dB；而处于内壳的P2 和P3 点在可以在大于0.5 GHz，小于1 GHz 时候，仍位于54 dB 的较高屏蔽效能指数。可见双层壳体结构内部更符合高屏蔽要求，因此核心模块优选安装在内壳中。

再看双壳体内部的P2 和P3 处的屏蔽效能曲线，P2 点附近的电磁屏蔽效能曲线往下波动最小，在2 GHz 以内的扫频中，屏蔽效能均在50 dB 以上，因此，P2 点附近的屏蔽效能更好。对比图4中不同厚度下的屏蔽效能曲线，其中红色线条在1 GHz 时该点屏蔽效能出现明显下降，而其他颜色线条此现象，因此优选其他颜色线条代表的壁厚，考虑整体减重，设计中选择壁厚3 mm 作为结构厚度尺寸。

4 地基DOAS 电磁谐振场强分析

从图3～图6中可以看出，部分频率下，对应位置的电磁屏蔽效能急剧下降，这极有可能是电磁谐振引起的变化，对应频率点也叫谐振点。极端情况下的电磁谐振会导致电磁屏蔽效能为负值，即金属结构未消除电磁干扰，反而加大了电磁干扰。因此从结构布局需要避开电磁谐振。

观察3 mm 壁厚下，在1.4 GHz 时，外壳屏蔽效能有突降，因此在HFSS 软件中仿真1.4 GHz 下内外壳中的场强分布情况如图7和图8所示。

观察图7，外壳体边角处场强较中间大，可见，考虑电磁谐振的影响，装配在外壳的电子元器件需要避开边角，尽量安装在中间区域；观察图8，除底部外，内壳体场强较小，且接近均匀分布，因此双层屏蔽对外部磁场起到了良好的屏蔽效果，电子设备可根据实际需要优先在内壳排布，且尽量远离底部。

图7 外壳场强分布图Fig.7 Field strength distribution of shell

图8 内壳场强分布Fig.8 Field strength distribution of inner shell

5 结语

高可靠性的电子产品需要综合电磁兼容性、加工制造及功能需求来设计，本文从电磁屏蔽和电磁谐振角度为材料厚度的选择和内部元件的布局提供了指导，设计的内外壳结构符合高电磁兼容性设计要求。在后期的工作中可通过试验的方式对此结果做进一步验证。