（环境科学专业论文）含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ( s e ) o nt h em e t a l l i cr e c t a n g u l a re n c l o s u r e i sn o wap o p u l a rt o p i ci nt h ea r e ao fe l e t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，w h i c hh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do nt h ew a v e g u i d ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft h er e c t a n g u l a re n c l o s u r e 谢t hc i r c u l a rh o l e - a r r a y ，t h ee f f e c to f h o l es p a c i n g ，h o l en u m b e r , h o l ea r r a ys i z eo nt h e s eo fe n c l o s u r ei s a n a l y s e d ，t h ec a s e so ft h ec i r c u l a ra r r a y , as q u a r ei n s i d et h e c i r c u l a rh o l e a r r a y ，晰mar o u n d c u ts q u a r eh o l e so u t s i d et h ea r r a ya r ea l s oc o n s i d e r e d ， t h e nt h er e s u l ti s g i v e nw i t l lt h es o r w a r eo fm a t l a b b e s i d e s ，f o rt h o s em e t a l l i c e n c l o u r e 州map r i n t e dc i r c u i tb o a r di n s i d e ，w i t ht h es o r w a r eo ff l o e m c ，t h ee f f e c t o ft h en u m b e r , t h i c k n e s sa n dl o c a t i o no fp c bo nt h es ei sa n a l y s e d ，t h ec a s e so ft h e i r r e g u l a rh o l e - a r r a y sa l ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sh a v es o m ea d v i c eo nt h es ed e s i g no ft h em e t a l l i cr e c t a n g u l a r e n c l o s u r ew i t hh o l e a r r a ya n dp c bl o a d e d k e y w o r d s ：m e t a l l i ce n c l o s u r e h o l e - a r r a ys h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s p c b f l o e m c 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另w 1 ) j n 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 遨亟 日期 础阻查! f2 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：勉盈日期丝旦：垒：! z 导师签名：趁垒日期丝! ! ：三：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着信息技术、自动化控制技术、移动电话、计算机等电子设备的广泛应用， 电磁兼容成为工程设计人员必须要考虑的一个问题。电子产品在方便人们的同时， 也对社会生产活动和人们的身体健康带来了不利影响。一方面，电子元件几乎在 所有的设备中都存在，而且，电子领域的快速发展，使得电子系统朝着大规模、 小体积和高速度的方向发展，电子元件越来越趋于在很微弱的信号下工作，信号 工作频率越来越高，动作时间越来越短。因而更容易受到外界的电磁干扰或其本 身产生干扰；另一方面，由于高能量、高频率发射源的增多，干扰信号也随着增 强。现在，电磁辐射污染已成为必须严加控制的公害之一i l j 。 电磁干扰不仅影响设备的正常工作，严重的情况下会造成电子设备中某些元 器件的损坏，因此，对于电子设备的电磁兼容技术必须充分重视，既要做到使电 子设备不受周围电磁干扰的影响而能正常工作，还要满足电子设备本身不会对周 围的其它设备产生电磁干扰，影响其它设备的正常运行。 由于电子技术应用广泛，而且各种干扰设备的辐射很复杂，因此，要完全消 除电磁干扰时不可能的，目前，有很多技术可以用来减小电磁干扰，如可以在电 路设计、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线电源线滤波和电路的接地方 式等方面对产品进行电磁兼容设计。大部分电磁兼容问题都可以通过屏蔽的方式 来解决，使用这种方法不需要修改电路，不影响电路的正常工作【2 j 。理想的屏蔽 体要使用很厚的金属板，满足结构的连续性，且不会有接缝和开孔，而现实生活 中，各种用于可见性、通风以及检修的缝隙和孔会损害设备机壳的完整性，这样 的开口会使外部电磁脉冲透入到设备机壳的内部空间，耦合到内部电子元器件或 者是设备上，从而在内部导体上感应出电压和电流，降低电子电路、元器件的工 作性能，甚至毁坏它们。屏蔽体上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性 和辐射源到开口处的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离， 可以改善屏蔽效能。因此，研究、分析具有开孔的设备机壳在电磁波作用下的电 磁屏蔽效能具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 在电磁兼容的领域中，含有开口的金属箱体的屏蔽效能研究一直是一个经典 2 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 的课题。很多学者在含孔金属箱体的屏蔽效能和电磁波孔缝耦合问题方向做了大 量工作，1 9 3 6 年，美国b e l l 实验室的s c h e l k u n o f 暌写第一篇讨论电磁屏蔽的文章a t h e o r yo f s h i e l d i n g ) ) 。1 9 3 8 年，s c h e l k u n o 睇一次完整论述电磁屏蔽，撰写了n e i m p e d a n c ec o n c e p ta n di t sa p p l i c a t i o n t op r o b l e m so fr e f l e c t i o n ，r e f r a c t i o n ， s h i e l d i n ga n dp o w e ra b s o r p t i o n ) ) 。 其后有价值的研究始于19 4 4 年b e t h e 提出的小孔理论。19 7 5 年，我国的钱景仁 提出了等效激发场的方法，将无限大平面上小孑l 耦合的结果推广用于波导、空腔 等有限空间。1 9 7 6 年，h a r r i n g t o n 和m a u t z 提出了等效电磁流理论和解决孔耦合问 题的矩量法( m o m ) 瞄j 。1 9 7 8 年，h a m e n d e z 提出了用并矢格林函数和小孔散射理 论提出了求解腔体的辐射问题的传输场解析法1 4 j 。1 9 8 2 年，c o l l i n 提出了辐射反作 用场假设。19 8 3 年，梁昌洪结合b e t h e 的孔耦合理论和h a r r i n g t o n 、m a u t z 提出的等 效电磁流理论提出了研究小孔耦合的广义等效网络法。1 9 8 9 年，在孔缝的几何形 状比较简单的条件下，s e n i o r 和v o l a k i s 根据巴俾涅原理导出了孔缝等效磁流的积分 公式。1 9 9 0 年，邱扬对形状规则的屏蔽体提出了一种新的计算方法，采用并矢格林 函数法求解矢量波动方程，得到屏蔽体内的场分布，再利用小孔耦合理论得到屏蔽 等效源，从而利用镜象原理求得泄漏场，最后求得屏蔽效能。1 9 9 4 年，h i l l 等人使用 能量守恒定律提出了分析尺寸较大腔体屏蔽效能的技术【5 】。1 9 9 5 年，h y c h e n 等人 采用时域有限差分法计算了电磁脉冲作用下含孔腔体内的电磁场分布【6 】。1 9 9 8 年， m p r o b i n s o n 等人提出了计算含有孔缝的屏蔽腔体的屏蔽效能的等效传输线澍7 】。 2 0 0 2 年，l e o n g 等人提出计算矩形金属腔体上任意形状的孔耦合屏蔽效应的模式匹 配法( m o d em a t c h i n gm e t h o d ) ，这是一种近似的模拟仿真方法。2 0 0 5 年，p h u m i n 等 人应用电磁拓扑方法模拟仿真了外部源通过孔耦合对一个数字通信系统内电缆的 影响。 现在用于研究孔缝屏蔽效能的方法主要有两大类：数值方法和解析法。其中 数值方法有包括：时域有限差分法和矩量法，解析方法主要是等效传输线法。数 值方法可以计算一些比较复杂的情况，能计算不同形状的物体，但是计算量大、 计算时间长。在研究参数( 如屏蔽腔的尺寸、厚度、频率等) 对孔耦合的屏蔽效能 的变化规律时，每改变一个参数，都需要重新计算一次，这样会消耗很长的计算 时间。而m p r o b i n s o n 等人提出适用于屏蔽腔的等效电路模型的解析方法，给出了 相对来说比较简单的公式，可方便地分析各种参数对屏蔽效能的影响，这对实际 生活中电子产品的设计具有指导意义。这种方法适用于只考虑屏蔽腔主模的影响， 后来，为使此模型用于更高频率，i b e l o k o u r 8 】等人对此电路模型进行扩展，把高 次模的影响考虑了进去。 目前，对于孔缝耦合的研究主要是：1 ) 不同入射波形的电磁波孔缝耦合的研 究，如刘顺坤等人利用f d t d 法，研究了核电磁脉( n e m p ) 、快上升前沿电磁脉冲 第一章绪论 3 ( f r e m p ) 、超宽带电磁脉冲( u w b ) 对目标腔体的孔缝耦合效应1 9 2 ) 不同孔缝耦 合的研究，如陈修桥等人通过定义能量耦合传输系数，应用f d t d 法分析了耦合能 量随窄缝宽度、厚度和时间的变化关系，以及在正弦波调制的高斯脉冲源激励下， 窄缝和窄缝腔体的耦合共振特性【3 6 1 ；3 ) 孔缝耦合中共振或谐振现象的研究，如刘 顺坤等人利用f d t d 法研究了快上升前沿电磁脉冲( f r e m p ) 对目标腔体的孔腔共 振效应【3 7 1 。 1 3 本文的工作及其安排 本文的安排如下： 1 ) 第一部分介绍了电磁屏蔽的研究背景，研究方法及研究状况。 2 ) 第二部分介绍用于电磁学的几种算法及基于算法的软件，如本文用到的 c s t 及其算法甫限积分法，f l o e m c 软件及传输线矩阵法。 3 ) 第三部分介绍关于电磁屏蔽的理论，包括电磁脉冲的耦合路径，屏蔽效 能的表示方式，各种开有孔缝或孔阵以及截止波导管的箱体屏蔽效能表 示。 4 ) 第四部分，基于传输线法分析含圆形孔阵矩形机壳在几种参数改变的情 况下，屏蔽效能的变化，以及圆形孑l 阵和矩形孔缝阵情况的比较。 5 ) 第五部分，基于f l o e m c 软件，对实际应用中会遇到的几种情况进行 仿真分析。包括p c b 板的位置、厚度和数量对屏蔽效能的影响，波导窗 结构的屏蔽效能分析，以及几种含不规则孔阵矩形屏蔽体的屏蔽效能仿 真分析。 6 ) 结束语，对本文工作进行系统的总结。 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 5 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 目前研究含孔矩形机壳屏蔽效能的方法主要有两大类：数值算法和解析算法。 数值算法包括：时域有限差分法( f d t d ) ( 9 ，l 们、传输线矩阵法( t l m ) 7 1 和矩量法 ( m o m ) 【1 1 】。数值算法能够计算不同形状的物体，计算思路清晰明了，应用范围广， 但是为获得高的计算精度，通常是以牺牲大量的计算机内存和时间为代价，而且 不能分析各种参数对屏蔽效能的作用。传输线解析算法能够清楚的表示各种参数 对屏蔽结果的影响，与数值算法相比可以节省时间和内存，计算速度也比较快。 相对于本文所讨论的含孔阵矩形机壳的屏蔽效能研究来说，如果使用数值算法会 占用更多的计算机内存，耗费大量的时间，而且也不能分析各种参数的影响；传 输线解析算法是1 9 9 6 年，m p r o b i n s o n 等人提出的，可以更快的提供计算结果， 且计算结果比较准确。基于传输线参数，在这种方法中，屏蔽体和孔缝分别等效 为短路波导和共面带状传输线，孔缝有其等效电阻，利用构建的等效电路，计算 电路某一点处的电压和电流，获得电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能的计算公式。在 频率范围较窄时，可以只考虑矩形波导的传输主模t e l o 的影响；当频率范围变宽 时，就必须考虑多次模的影响。当屏蔽体上的开孔为孔阵的形式时，采用p a r i s a d e h k h o d a 等人提出的一种基于r o b i n s o n 传输线等效电路模型建立的新模型。此 模型中孔阵的等效电阻用另外一种形式表示，相对于本文分析的这种孔的数量较 多的情况，采用这种形式可以得到更精确的结果。采用仿真软件既可以对采用的 电磁学算法进行验证，在无法用电磁学算法进行计算时，也可以用来对电屏蔽效 能或其它的各种参数进行直接仿真得出结果。 2 1c s t 软件及时域有限积分法( f i t ) 2 1 1c s t 软件介绍 微波工作室一c s tm i c r o w a v es t u d i o ( c s tm w s ) ，是德国c s t ( c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 公司推出的高频三维电磁仿真软件。其最核心 的技术是其专有的理想边界拟合- p e r f e c tb o u n d a r ya p p r o x i m a t i o n ( p b a ) ，时域求解 器采用有限积分法一t h ef i n i t ei n t e g r a t i o nt h e o r y ( f i t ) 进行仿真运算，p b a 的引入使 得f i t 具有强大的竞争力。c s t 特有的p b a + f i t 算法一方面保证了结构的精确逼近， 同时还具有快速、内存消耗低的优点。其典型的应用范围包括：各类天线及天线 阵、天线布局、滤波器、功分器、环流器、r c s 、f s s 、系统级e m c 、t d r 、s i p i 、 平面无源器件、l t c c 、手机s a r h a c ，i r p d g 等等，可以用来计算任意材料的宽 6 含孑l 阵金属箱体的屏蔽效能分析 带电磁问题。微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应用提供 本征模及频域求解器模块。c a d 文件的导入功能及s p i c e 参量的提取增强了设计的 可能性并缩短了设计时间。另外，由于c s t 设计工作室的开放性体系结构能为其它 仿真软件提供链接，使微波工作室与其它设计环境相集成。其强大的实体建模前 端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过程非常简便再加上完善的图形化反馈， 极大地简化了对各种器件的定义在所有器件建模完成后，会自动地进行一个基 于专家系统的全自动网格剖分，然后才进行正式的仿真它的仿真器自带全新的 理想边界拟合技术和薄片技术，与其它传统的仿真器相比，在精度上有数量级的提 高 2 1 2f i t 基本理论 有限积分方法n ef i n i t ei n t e g r a t i o nt h e o r y ( 简称f i t ) 是由w e i l a n d 教授在 1 9 7 6 年至1 9 7 7 年间提出来的，这种数值方法提供了一种通用的空间离散化方案， 将积分形式的m a x w e l l 方程离散化，用来解决各种电磁场问题，可通过时域和频 域进行求解【l 引。 f i t 的计算原理是基于m a x w e l l 的积分方程组，要想将m a x w e l l 积分方程离 散化进而进行数值求解，首先要建立合理的网格空间剖分体系离散化连续变量。 网格空间剖分体系将实体模型分为若干个小立方体的三维网格单元g ，电场矢量 离散分配的单元称之为电场单元g 。 g x z y e ， 图2 1f i t 方法中电磁场网格单元分布图 如图2 1 所示即为电场和磁场的网格剖分单元，从图中可以看出：离散的电 场分布在相应的三维网格单元的每一条边的中点处，离散的磁场分布在相应的三 维网格单元的每个面的中点处，各个磁场之问又构成相互正交的另一个三维网格 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 7 单元，即磁场单元g 。电场和磁场的网格单元类似于y e e 氏网格单元。同时，电 流密度j 和各个媒质材料的介电常数，磁导率肛，导电率i f 都可如此分配到相应 的网格单元中，这样的分配规律符合m a x w e l l 的方程组，符合电磁场的基本规律 假设各个物理量在离散分配后形成若干个矩阵向量e ，d ，b ，h ，j ，d ：，d 仇， 其中e 和b 分别为离散化的电场和磁场的矩阵向量，d ，h 分别为离散化的电位移 矢量d 和磁场强度h 的矩阵向量，d ：，d 。，q 分别是离散化的s ，k 矩阵向量。 离散化的电场和磁场在不同的媒质分界面上也必须满足连续性的边界条件，即相 邻网格上的电场保持切向连续，磁场法向连续。 点且舔= 一昙盯b d a = 一三 n岔 广 ”旷一巳= 一t 日 1 l 黾 0 1 1 1 1 卜 h l j h d 出 “ 图2 2m a x w e l l 积分方程组离散过程 图2 2 表示将m a x w e l l 积分方程组离散化的过程，然后将m a x w e l l 方程组各 方程一一对应到网格空间，得到离散后的方程组： r e a ls p a c e g r i ds p a c e c e a l - - - - 。ai s i 召舔 c d s p = 一巩占 ( 2 - 1 ) 箩h d l = 吵詈+ 力劣6 西s 厅= 疹( 左+ 力 ( 2 - 2 ) b d s = o s h d d s = q s d = e e b = u h s d a b = 0 ( 2 3 ) sd ad = q d = d 。e b = d 4 h ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 8 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 j = k e + p v= d x e + j f 。 ( 2 7 ) 其中式( 2 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 分别为积分形式的m a x w e l l 各方程与其 对应的离散形式的矩阵向量差分方程组，式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 分别为本构方 程与电流连续方程及其差分方程组。 对角矩阵d 。表示电场每个分量的积分长度 职= d i a g ( a p l ，p 。，a v l ，a v 栉，a w l ，) d 。表示每一个网格单元的面得信息 d 4 = d i a g ( a p l ，彳j l l 。，a v l ，a v 。，彳w l ，彳) 运用有限积分法求解m a x w e l l 积分方程通常对被积函数在积分区域内做一阶 近似处理，将实空间( r e a ls p a c e ) 中的线积分和面积分转换为每个网格空间( g r i d s p a c e ) 上的网格步长和网格面积，通过换算将积分方程离散变换为其对应的矩阵 向量形式的差分方程，对于不同的边界条件，可以借助计算机求解得到相应的数 值结果。 时域求解是以离散的m a x w e l l 网格方程组( m a x w e l l sg r i de q u a t i o n s ) 为基础， 用中心差分代替时间导数，生成显示方程。其求解过程如下： 显示时域积分： 旷= 吲 p ”一 6 川 p 肿 b ” ，= ( n + 1 ) a t 时刻的磁通是由上一步f = 刀缸和上半步f = b + p 的电压计算 所得，如此循环直到计算结果满足要求为止。 时间积分求解过程的稳定性是有条件的，时间离散性间隔和空间离散性间隔 之间应该满足的关系称之为c o u r a n t f r i e d r i c h l e v y ( c f l ) 稳定性条件。时间步长址 与网格步长( 缸，缈，心) 之间的关系，即时间离散性间隔的选取范围必须满足： v a t 1 ，= 1 二，如果时间步长尺寸大于以上限制，则 q 雌 有限积分求解过程是不稳定的，随着时间的推进，数值计算中的误差将会无限制 的增长。 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 9 2 2f l o e m c 及传输线矩阵法( t l m ) 2 2 1f l o e m c 简介 f l o e m c 软件属于英国f l o m e r i c s 公司，1 9 9 9 年，英国f l o m e r i c s 公司并购 了知名电磁场仿真软件公司_ k c c ，k c c 公司由t l m ( 传输线矩阵法) 的创 始人p e t e rb j o h n s 在二十世纪七十年代末建立，f l o e m c 的核心采用了k c c 公司成熟的高级t l m 求解器并结合了f l o m e r i c s 公司强大的前后处理技术。 f l o e m c 是专业针对系统级电磁兼容性分析的仿真软件，f l o e m c 主要有 以下几个特点： ( 一) 求解原理及优点 f l o e m c 采用先进的时域传输线矩阵法( t l m ) ，软件首先用冲击脉冲作为激 励源，冲击脉冲在时域的宽度趋于无限窄，从频域来说，它能覆盖无限宽的频率 范围；当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，在时域得到的将是此脉冲与系统函 数即h ( t ) 的卷积，对应于频域，结果将是系统函数h ( s ) 与冲击脉冲的频域响应的 乘积，由此我们得到h ( s ) ，即整个系统的频域响应。由于以上的求解原理，只需 要一次求解就可以得到系统在整个频域的响应，如系统的屏蔽效能曲线。 在进行系统级e m c 分析时，由于机箱本身的尺寸往往很大，同时机箱本身 会有一些孔、缝隙等细微结构( 这些细微结构对e m c 分析来说往往是至关重要 的) ，这么大的尺寸比对用仿真软件所采用的网格划分技术来说，提出了严峻的挑 战。在这种情况下，从一定程度上来说求解技术尤其是网格划分技术对仿真的准 确性和速度起着决定性作用。f l o e m c 采用独特的精简模型及嵌入式网格技术， 并采用独特的o c t r e e 网格合并技术，在保证计算准确性的前提下，大大提高了计 算速度。f l o e m c 可以对一个较大系统内的如下细微结构采用精简模型，它们 包括空间的线缆、线束、槽、缝隙( 包括搭接缝隙) 、屏蔽衬垫、集总电路和通风 板等。 ( 二) f l o e m c 可以求解的问题 1 屏蔽效能分析( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) ：f l o e m c 既可以分析系统级的 屏蔽效能，也可以部件级的屏蔽效能仿真分析。 2 可以对部件和系统辐射问题进行分析，包括：散热片的设计，去耦电容的 性能分析，通风板的设计，线缆间耦合，缝隙的设计，屏蔽材料的分析，如对屏 蔽衬垫、导电橡胶、屏蔽簧垫等的分析，屏蔽线缆分析和大系统的e m l 分析。其 中线间的耦合既可以分析空间线缆之间的耦合，又可以分析p c b 板上走线之间的 耦合，输出结果有：散射参数、辐射方向图、导线上的电压和电流分布、导线间 1 0 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 的电场和磁场分布等。 3 散射参数分析( s c a t t e rp a r a m e t e r ) ：其分析结果有各端口的输入阻抗、特性 阻抗，传播常数、回波损耗、s m i t h 圆图等。 ( 三) 灵活的激励源设置方式 实际应用的激励源会有各种不同的波型，软件可以模拟不同激励脉冲情况， 只要定义具体的激励源时间波形，由冲击脉冲激励得到的系统的冲击响应再与实 际激励脉冲相卷积来得到整个系统的时域响应波形。频域的响应由快速傅立叶 ( f f t ) 变换来实现。同时软件可以导入p c b 板的近场辐射数据作为激励源， f l o e m c 提供一个开放式的文件格式用来创建p c b 板等的精简激励源模型，这 些精简激励源模型可以通过f l o e m c 的c s i 接口而导入到系统级分析中来。 ( 四) 强大的后处理模块- f l o m o t i o n 通过f l o m o t i o n 后处理模块，不但可以分析结构的表面电流，使系统内的 电场、磁场可视化，还可以动态显示电流以及电场和磁场随相位及空间位置的变 化情况，这些都可以作为设计人员设计符合性能的系统的依据。对系统的屏蔽效 能这一问题来说，一般情况下，应首先根据屏蔽效能曲线，得出系统的屏蔽效能 最低的频率点( 谐振点) ，然后从f l o m o t i o n 中观察这些谐振率点的表面电流 分布和场分布，从而判断出造成该谐振的原因和泄漏点，指导设计工程师有针对 性地进行改进。 ( 五) 与f l o t h e r m ( f l o m e r i c s 公司电子系统热分析软件) 协同仿真 在电子设备设计中要兼顾e m c 性能和散热能力，而这两方面对结构设计的要 求往往是冲突的。f l o m e r i c s 公司的f l o t h e r m 与f l o e m c 软件正是目前电子 行业内唯一专业针对电子设备系统级散热分析和电磁兼容协同设计的优秀软件平 台。它们共享分析模型，只需一次建模，而无需在热分析与电磁兼容分析两个模 型之间来回修正，同时共享模型的协同设计确保了数据的一致性，任何设计方案 的修改都会影响电磁兼容与散热的仿真分析结果。对结构的参数化设计可同时得 到各种不同方案的散热性能与电磁屏蔽性能，可快速获取优化的设计方案。 ( 六) 完善的c a d 接口_ f l o m c a d f l o m c a d 不但完全支持p r o e 、s o l i d w o r k s 等机械c a d 软件几何模型的直 接调用并自动简化，还可以通过s a t 、s t e p 、i g e s 、s t l 格式读入如u g 、i d e a s 、 a u t o c a d 等m c a d 软件建立的三维几何实体模型，可以大大减少对复杂几何 模型的建模时间，同时有效实现f l o e m c 与其它c a d c a e 软件的交互。 2 2 2 传输线矩阵法 j o h n s 和b e u r l e 在1 9 7 1 年提出了传输线矩阵技术( t r a n s m i s s i o nl i n em a t r i x ， 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 缩写为t l m ) t 1 3 j 。这种方法基于h u g e n s 的波传播模型，他们是从早期的网络仿真技术 中得到了灵感，使用两条传输线组成的笛卡儿网格来模拟三角函数脉冲的二维传 播。整个模拟的场空间布满了大量的传输线网格，边界由恰当的反射系数模拟。然 后由散布在整个结构的一个或若干电压脉冲激励，这样在选定的输出点上得到一系 列由固定时间间隔分开的脉冲，经傅里叶变换后便得到网络的频率响应。在t l m 方 法中，工程问题首先被连续的传输线网络所模拟，一个集总元件代表了网络中的一 个结点，其物理参数对应实际问题的参数，这是第一步的空间离散化；然后由传输 线构成的各个结点来模拟集总元件( 电阻、电容等) ，这是第二步的时间离散化， 也完成了整个模拟过程。时间和空间上的离散非常适合数字计算机的处理，可以 生成有效的算法；而且网络是无源的，因为它在实验室建立，所以不存在稳定性问 题。另外，在模拟实际问题的过程中不需要考虑差分方程和边界条件，网络会自 动地考虑这些。最重要的一点是t l m 方法可以精确地解决网络问题，因为迭代次 数是根据网络的尺寸选择的，所以精确性取决于对网络的处理。t l m 模拟方法绕 过了数学方程，让特定问题的边界条件、电学成分和激励等都不包括在基本算法 中，充分展示了数值方法通用性和灵活性的特点。 h u y g e n s 的光传播的机械模式是一个弹性碰撞的复合链，波前含有一定数量的 二级辐射体，它们产生球状波。这些波包产生新的波前，又产生新的一轮球状波， 如此循环往复。尽管用数学公式把这种机制表现出来有所困难，但是用它却能精 确地描述波的传播和散射问题。 1 1 l z 1 2 l、 r1，1 2 一- - 1 2 i ( a ) 惠更斯波的散射 ， ? j- l v ( b )等效传输线模型 图2 3 二维空间的离散模型 2十 1 2 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 把h u y g e n s 的模型离散化，图2 3 所示是二维空间的离散模型，它含有一系 列由网格参数出分隔的笛卡儿点列，时间也被离散化。单位时间f 与网格参数址 的关系式由光速给出：a t = a l c ，a t 其实就是一个电磁脉冲从一个结点传播到相 邻结点的时间。 假设一个三角函数脉冲从负x 轴的一个结点上出发，此脉冲的能量为l 。根 据h u y g e n s 的理论，能量朝4 个方向相等地散射，每一个辐射的脉冲携带1 4 原 始脉冲的能量，相应的场量大小为1 2 。而且，为了满足此结点上场的连续性， 反射回来的脉冲必须是负的，如图2 3 ( a ) 所示。 j o h n s 的二维t l m 方法是由并联连接的传输线网格组成，与图2 3 ( b ) 给出的假 想离散空间一致。这些线上传输的电压脉冲象电场脉冲一样散射。t l m 网络模型 的优点在于它能够用传统的传输线理论来分析。j o h n s 和b e u r l e 就是用这样的方法 来证明t l m 网格上的电压和电流服从m a x w e l l 方程中电场和磁场同样的形式，这表 明t l m 模型与m a x w e l l 方程协调一致，能够模拟二维波传播。最一般的情况是，4 个脉冲从4 条分支入射到一个结点上，以这种方式散射，然后再入射到相邻结点 上。这一过程可以由下面两个式子表示： i + 。【矿】7 = 【s 】【y 】 ( 2 - 8 ) k + l 【y 】= 【c 】川【明7 ( 2 9 ) 这里，【s 】是结点的脉冲散射矩阵； c 】是描述网络拓扑结构的连接矩阵，下标k ， k + 1 表示散射的离散时间间隔。所以，如果我们知道k a t 时刻所有脉冲的大小、位 置和方向，就可以求出( 后+ 1 ) a t 时刻网络中各个结点的值。网络的脉冲响应这样求 出：在t - = 0 时刻初始化所有脉冲的大小、方向和位置，然后在连续的时间间隔计算 出网络的状态。这就是t l m 方法的基本算法，其步骤总结如下： 第一步：初始化把所有的入射脉冲置为0 ； 第二步：激励选择合适的结点或端口注入作为激励的脉冲； 第三步：散射已知了每个结点的入射脉冲，计算出每个结点的散射脉冲值； 第四步：连接根据散射脉冲和网络的拓扑结构算出新的入射脉冲值； 第五步：输出计算出所要求的量，如电场分量或磁场分量； 第六步：重复在一个时间步长后从第三步开始重复。 这一通用的形式适用所有的二维和三维t l m 方法。t l m 算法是基于矩阵的 m a x w e l l 方程和传输线方程的类比，因此通过在散射矩阵中计算并联结点的电压和 串连结点的电流可以得到电场和磁场的大小。 第二章计算电磁学仿真软件及其简介 2 4 ( a ) 并联节点( b ) 等效集总网络 图2 4 一般化的并联结点及其等效集总网络 二维t l m 网络的基本框架是并联结点，如图2 4 所示，在网格的合适位置加上 开路和短路电路可以模拟电壁和磁壁。如果是电介质或磁介质材料，则在结点上 安置不同特性阻抗的支线。而损耗可以有两种方法模拟，一种是由损耗传输线组 成的t l m 网格，另一种是在无耗网格的结点上加上损耗支线。第一种情况特别适 合均匀填充的结构，第二种技术更适合非均匀结构，因为它象描述分界面一样描 述损耗机制。 短路吏线( 磁导率) 开路支线( 电导率) 邢眺支线( 损耗) 并聪占点 串黼 图2 5 均匀网格的一般化结点 三维t l m 结点是在3 个坐标轴方向并联和串连结点交织而成，图2 5 给出了 这样一种三维t l m 网络的一个标准单元，即所谓的扩展型结点。它包括3 个串 连结点和3 个并联结点，分别代表6 个场分量，并连结点上的电压表示电场分量， t - 1 一十+ 1 4 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 而串联结点上的电流表示磁场分量。散射过程和前面描述的一样，非均匀场的一 些特性的模拟和二维的也相似。在三维网络中，并联结点上的并联支线常常模拟 电导率，而串连结点上的串连支线常常模拟磁导率，损耗可以在并联结点上加载 无限长支线来模拟。 第三章电磁屏蔽理论 1 5 第三章电磁屏蔽理论 3 1 屏蔽效能理论 屏蔽就是对两个空间区域之间采用屏蔽体进行隔离，以控制电场、磁场和电 磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体来讲，就是用屏蔽体将元器件、 电路、组合器件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散， 或用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。 因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部 电磁波均起着吸收能量( 涡流损耗) 、反射能量( 电磁波在屏蔽体上的界面反射) 和抵消能量( 电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波) 的 作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。屏蔽通常包括两种：一种是电场屏蔽， 主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变 电场、交变磁场及交变电磁场的影响。 屏蔽是提高电子系统和电子设备e m c 的重要措施之一，它能有效地抑制通 过空间传播的各种干扰，既可阻止或减少电子设备内部的辐射电磁能量对外的传 输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。运用主动屏蔽的方式， 大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用屏蔽的方法来解决e m i 问题 的最大优点是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改。当干扰 电磁场的频率较高时，可利用低电阻率金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁 波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导 磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。在某 些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不 同的金属材料组成多层屏蔽体。 通常采用屏蔽效能( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) 来描述屏蔽体的屏蔽效果，有时 也用屏蔽损耗、屏蔽衰减来描述屏蔽效果。它与屏蔽材料的性能、骚扰源的频率、 骚扰源到屏蔽体的距离以及屏蔽体上可能存在的各种不连续的孔缝的形状与数量 有关。屏蔽效能是影响设备电磁兼容性的重要技术指标，以下是屏蔽效能的两种 主要表示方式1 1 4 1 ： 电场屏蔽效能通常用不存在屏蔽体时某处的电场强度& 与存在屏蔽体时同 一处的电场强度e 。之比来表示，由于屏蔽体通常能将电磁波的强度衰减到原来的 百分之一至万分之一，因此通常用分贝( d b ) 表示，即： 1 6 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 驴2 吨 ， 磁场屏蔽效能是指不存在屏蔽体时某处的磁场强度风与存在屏蔽体时同一 处的磁场强度日。之比，用分贝( d b ) 表示为： 瓯蚴l g 譬) ( 3 - 2 ) 一般而言，对于近场，电场和磁场的近场波阻抗不相等，电场屏蔽效能s 。 和磁场屏蔽效能s m 也不相等；但是对于远场，电场与磁场是统一的整体，电磁场 的波阻抗是一个常数，电场屏蔽效能与磁场屏蔽效能相等。 对于电路来说，屏蔽效能可以用加屏蔽体前、后电路某一点上的功率、电流 或者电压之比来表示，还可以用由外界耦合到某个器件上的干扰和器件产生的噪 声之比来定义。 3 2 电磁脉冲的孔耦合路径 当电磁脉冲照射到含有开缝或小孔的屏蔽体上时，其耦合路径通常会有以下 四种： 1 ) 天线耦合 全体暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，耦合至电子系统的途径包括 通过“前门”( f r o n t - d o o r ”c o u p l i n g ) ，和通过“后门( ”b a c k d o o r ”c o u p l i n g ) i 两种【1 5 ，1 6 1 。 所谓“前门”即电磁波直接耦合至天线，因此可以按天线的设计特性计算耦合强 度。当电磁波频率与天线设计频率相等时，耦合最大。所谓“后门 是指电磁波 不是直接，而是通过一些间接的途径耦合至接收系统，例如通过孔洞、缝隙、电 源线、接地线、传输电缆、屏蔽体的透射等，情况比较复杂，需具体加以分析。 2 ) 电源线、传输线的耦合 若有电源线、电话线或信号传输线、地线从屏蔽壳体连接至电子系统内部， 则接收、感应的电流将沿线传播进入屏蔽体。一般传播的是电磁波脉冲电流，即 使电流不是从传输电缆芯线的引头引进，而是在外屏蔽层上感应，通过转移阻抗 也会耦合至芯线，直接进入电子系统。对于微波，屏蔽电缆的转移阻抗也比射频 大得多( 约为6 0 d b ) ，因此微波可以通过电缆的编织屏蔽层进入芯线。电源线一般 是公共的，暴露在屏蔽室外面的长线，最易受到高功率微波设备的攻击，既可接 收干扰也可传送干扰。 3 ) 孔洞及缝隙耦合 电磁波穿透完整的屏蔽体时，其泄漏影响几乎可忽略，不必考虑，除非屏蔽 第三章电磁屏蔽理论 1 7 体的厚度特别薄。但当存在尺寸和电磁波波长相比拟的孔洞和缝隙时，电磁波的 耦合就很严重。当波长大于孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将被阻挡，而当波长小于 孔洞或缝隙尺寸时，电磁波将毫无阻挡地进入屏蔽体内。当波长与孔隙尺寸相当 时将产生共振，此时耦合最强。 4 ) 通过金属壳体的穿透 电磁波对系统壳体的穿透是通过趋肤效应【1 7 1 ( s k i ne f f e c t ) 实现的，电磁波在材 料中的趋肤深度为： 6 2 丽1 ( 3 3 ) 式中厂为电磁波的频率，p 和仃分别为系统壳体材料的磁导率和电导率。对 于2 g h z 的微波信号，它在铜b = 5 5 1 0 7 s m ) 和铝b = 3 2 1 0 7 s m ) 中的趋肤深度 分别为1 5 2 u m 和2 8 2 u m 。而对于更高频率的电磁波信号，趋肤深度的值更小。因 为系统壳体的厚度远大于趋肤深度，所以，高功率微波信号穿透金属壳体的能力 非常弱。 因此，电磁波进入系统的途径主要是前三种。天线及电源线、传输线耦合、 耦合后产生的是感应电流，它通过线路或微波器件进入系统，即主要沿线路分布； 而孔洞及缝隙耦合产生的场分布在整个系统内部。沿线路分布的电流信号是比较 容易防护的( 例如，通过滤波等措施) ，但分布在整个系统内的场对系统的威胁很 大。而在电子设备( 系统) 的外表面，常常因为工程的需要开一些孔洞，如为了通 风、散热和走线等。严格地说任何电子系统上的孔缝都是不可避免的。因此，孔 缝的耦合是电磁波进入系统的主要途径之一，所以孔缝耦合的电磁分析对电磁兼 容及电磁干扰研究具有重要的意义。 3 3 金属板缝隙电磁泄漏及防护 理想的屏蔽体要使用很厚的金属板，满足结构的连续性，且不会有接缝和开 孔，而现实生活中，屏蔽体的设计还必须满足应用要求。不仅要留出通道使工程 技术人员可以进入内部进行维护和修理，而且还要有控制按钮和连接器，以及仪 表和指示器的观察窗口，还要使屏蔽体内部电子设备的热量容易发散出去。这些 要求必然会导致屏蔽体的不连续，其上必定会存在开缝或小孔以满足要求。 屏蔽体孔缝的接缝面积虽然不大，但缝隙很长，由于维修、开启等的需要， 己成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝。屏蔽体的接缝处，由于结合表面不 平整、清洗不干净、焊接质量不好、紧固螺钉之间存在孔隙等原因，在接缝处会 形成缝隙，如图3 1 ( a ) 所示。缝隙是沿其长度在不同的连接处产生的电接触的长 1 8 含孔阵金属箱体的屏蔽效能分析 的窄缝。缝隙的等效阻抗由一个电阻元件和一个电容元件并联组成，如图3 1 ( b ) 所示。由于存在电容性元件，接缝阻抗随着频率的增加减小，于是屏蔽效能也