大型通风孔口组合式通风波导窗防护性能研究

李刚 吕芳 郇峰 白刚

（1.96911部队，北京 100000；2.军事科学院国防工程研究院，北京 100000；3.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原 030032）

0.引言

科学技术的飞速发展对电子信息安全带来了重大威胁，随着政府部门、企事业单位以及大量涉密场所对电子信息安全的重视，屏蔽机房、屏蔽室、保密会议室等电磁屏蔽工程作为防止信息泄露和电磁干扰的关键措施日益被普及[1-3]。从原理上讲，电磁屏蔽工程是一个用金属材料制成的封闭六面体[4]，为了满足内部空间的通风需求，不可避免地要在工程结构上设置通风口，而通风口的存在破坏了屏蔽体的电连续性，严重降低了屏蔽体的屏蔽效能[5-7]。

波导窗在满足通风条件的同时兼具电磁屏蔽的功能特性，被广泛应用于电磁屏蔽工程的通风系统[6-8]。波导窗由多个波导管组合而成，如图1所示。电磁波在波导管中经过吸收、反射，能量逐渐损耗[9-10]，由此实现电磁屏蔽的功能特性。但是由于辐射源在多个波导管处的泄漏源在监测点会发生干涉效应[11]，导致波导窗包含的波导管数目越多，整个波导窗的屏蔽效能越低，当波导管参数一定时，表现为波导窗面积越大，屏蔽效能越差。这就导致在通风需求较大的场景中，采用大面积通风波导窗无法满足屏蔽效能的要求。

图1 通风波导窗实物图

本文针对大面积通风波导窗屏蔽效能下降的问题对波导窗的电磁屏蔽特性展开具体分析，首先以单根波导管为研究对象，分析波导孔形状、大小及波导管长度对屏蔽效能的影响，其次研究阵列波导管中孔距和阵列面积对屏蔽效能的影响特性，然后提出将大面积通风波导窗划分为多个小波导窗的改进方法，并分析相邻波导窗间隔的大小对屏蔽效能的影响规律，最后总结通风波导窗的电磁屏蔽特性，并给出大面积通风波导窗屏蔽效能优化的一般性建议，为通风波导窗的设计及参数优化提供理论基础。

1.单根波导的电磁屏蔽特性研究

常见的通风波导窗按波导孔形状主要分为圆形、方形和六边形，在通风面积和波导管长度等其他参数一定时，圆形和六边形波导管的屏蔽效能差别很小，而方形波导管的屏蔽效能要好于圆形和六边形波导管[9]。在通风波导窗的实际应用中，考虑到制作工艺、结构强度等因素，使用最为广泛的波导管类型是六边形波导管，下文均以正六边形波导管为研究对象展开电磁屏蔽特性研究。

正六边形波导管参数包括六边形孔径L和长度H，如图2所示。

图2 波导参数

1.1 孔径L对屏蔽效能的影响

改变孔径L的大小，仿真计算不同孔径下单根波导的屏蔽效能，结果如图3所示。波导管表现出高通低阻的电磁屏蔽特性，随着孔径的增大，屏蔽效能降低。孔径的大小直接影响波导的截止频率，孔径越小截止频率越高，对于六边形波导，其截止频率fc可用如下公式估算[11]：fc=15/L，式中截止频率fc单位为GHz，孔径L的单位为cm。

图3 波导孔径L对屏蔽效能的影响

1.2 长度H对屏蔽效能的影响

改变长度H的大小，仿真求解不同长度下单根波导的屏蔽效能，结果如图4所示。波导长度与波导截止频率无明显关系，但是其对屏蔽效能的影响非常明显，表现为长度越大屏蔽效能越好。

图4 波导长度H对屏蔽效能的影响

2.阵列波导的电磁屏蔽特性研究

以阵列波导为研究对象，分析阵列波导孔距D和阵列面积S（见图5）对屏蔽效能的影响规律。

图5 阵列波导参数

2.1 阵列波导孔距D对屏蔽效能的影响

改变相邻波导间孔距D的大小，仿真求解不同孔距下阵列波导的屏蔽效能，结果如图6所示。在截止频率以下，随着孔径D的增大屏蔽效能提高，这是因为孔径的增大会降低窗口的开孔率，使得电磁波的耦合路径变少，从而提高了屏蔽效能。

图6 孔距对屏蔽效能的影响

2.2 阵列波导面积S对屏蔽效能的影响

截取不同面积的阵列波导，仿真求解不同面积下阵列波导的屏蔽效能，如图7所示。随着阵列面积的增大，屏蔽效能降低。这是由于辐射源在多个波导管处的泄漏源在监测点发生同相位叠加的干涉效应，导致监测点场强变大，面积越大波导管数目越多，干涉效应越明显，所以表现为阵列面积的增大导致了屏蔽效能的下降。

图7 阵列面积对屏蔽效能的影响

3.大面积通风波导窗屏蔽效能改进设计

根据上文的分析结果并结合实际应用情况可知通风波导窗屏蔽效能随窗口面积的增大而下降，而增加、减小孔径、增加波导长度、增加孔距和减小阵列面积的方法虽然能够提高屏蔽效能，但均会对窗口的通风效果造成影响。为了在保证通风量的前提下提高大面积通风波导窗的屏蔽效能，提出将大面积通风波导窗分隔为由多个小波导窗组合而成的组合模型，如图8所示，相邻小波导窗的横向间隔为x，纵向间隔为y。

图8 大面积通风波导窗的分隔组合模型

通过仿真计算不同间隔下组合模型的屏蔽效能，结果如图9所示，其中x=y=0为分隔之前的计算结果。从图中可以看出，分隔之前的屏蔽效能（红色曲线）低于分隔之后，相邻小波导窗之间间隔的存在使屏蔽效能谱线形成了新的谐振点（图9中的A、B、C、D点），且随着间隔的增大谐振点向低频移动。谐振点的存在使屏蔽效能谱线看来杂乱无章，但是从300MHz～700MHz的频率区间依然可以看出，随着相邻小波导窗间隔的增大屏蔽效能越来越高。

图9 不同间隔下分隔模型的屏蔽效能

4.结论

通过对单根波导及阵列波导电磁屏蔽特性的研究，得出了波导各参数对屏蔽效能的影响规律，然后针对大面积通风波导屏蔽效能下降的问题，提出分隔组合模型的改进方法，并研究了相邻小波导窗间隔的大小对组合模型屏蔽效能的影响。具体结论总结如下：

（1）对于单根波导：在孔径和波导管长度一定时，圆形波导和六边形波导的屏蔽效能接近，方形波导的屏蔽效能优于圆形波导和六边形波导；波导管孔径越大屏蔽效能越差，且孔径的大小直接影响波导孔的截止频率，孔径越小截止频率越高；波导管长度越长屏蔽效能越好。

（2）对于阵列波导：相邻波导管孔距增大会降低整体结构的开孔率，使电磁波的耦合路径变少，进而提高屏蔽效能；波导管参数一定时，阵列面积的增大意味着波导管数目增多，更多的波导管泄漏源在监测点发生干涉叠加效应，使得监测点场强变大，即屏蔽效能下降。

（3）针对大面积通风波导屏蔽效能下降的问题，可将大面积波导窗划分为多个小波导窗分隔排布来提高屏蔽效能，且相邻小波导窗间隔越大屏蔽效能越高。