（电磁场与微波技术专业论文）任意极化角度下腔体屏蔽效能分析.pdf

北京邮电人学硕：t 学位论文任意极化角度下璀 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：竺f ! 垒至旦! ! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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闻论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用f 慧i i 权嘞m 0 弓同f f 虏 秒f 牙5 蹦八r 胡： ：! ： 醐：皿俨 任意极化角度下腔体f 蔽敛能分析 任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 摘要 在电子设备和系统的电磁兼容设计中，金属导体屏蔽是一项非常 重要的技术。对于许多电子产品而言，如果没有屏蔽措施，很难满足 其电磁兼容要求。然而，由于设备散热、通风以及与外界电路连接等 的需要，屏蔽导体上不可避免地存在着孔缝，而孔缝的存在是影响系 统屏蔽性能的关键因素。因此，充分了解金属导体上孔缝对电磁波的 散射、透射及耦合机理，对于电子电气设备和系统的电磁兼容性预测 和设计，具有十分重要的实际指导意义。 本文讨论了电磁兼容领域的金属腔体电磁屏蔽问题，特别对任意 计划角度平面入射波以及高次模共存的情况下带孔缝金属腔体的屏 蔽效能进行了仔细研究。具体的分析方法分别是基于传输线的解析法 以及基于有限元的数值计算法，并且考虑单模和多模下不同极化角度 平面波入射的情况。 首先，利用传输线法，首先将均匀平面波照射带孔缝金属腔体模 型等效为传输线电路，然后将电场和磁场等效为电路理论中的电压和 电流从而得到屏蔽效能的计算公式。对于任意极化角度入射波的处 理，通过对入射波的电场进行正交分解，并对两个分量分别进行传输 线等效电路分析，然后合并各分量在腔体内部产生的电压从而求得屏 蔽效能。对于多模情况，在前面的基础之上，对电场的两个分量在不 同模式下计算的结果进行叠加，最后合并实现屏蔽效能的计算公式。 其次，利用基于有限元的h f s s 仿真软件，通过建模、参数设定、 网格剖分、结果设置以及迭代计算等步骤实现了屏蔽效能的仿真。 最后，对两种方法的仿真结果进行单模和多模情况下不同计划角 度时的仿真结果进行了详细分析和比较，得到了腔体屏蔽效能与平面 入射波极化角度的关系，也验证了传输线法仿真结果的有效性。 关键词电磁兼容、屏蔽、孔缝、极化角度、传输线法、有限元法 北京邮电人学硕十学位论文 任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 a n a iy s i s0 ft h es h i e l d i n g e f f e c n v e n e s sw i t hi n c i d e n t ，a v e o fa r b i t r ar yp o l a r i z a n o na n g l e a b s t r a c t i nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) d e s i g nt oe q u i p m e n ta n d s y s t e m ，m e t a l l i cc o n d u c t o ri sw i d e l yu s e dt os h i e l df r o me l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，a n ds h i e l d i n gi sam a i nt e c h n i q u e t om o s te l e c t r o n i c e q u i p m e n t ，i ti sh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n to fe m cw i t h o u ts h i e l d i n g m e a s u r e m e n t h o w e v e r , d u et ot h ev a r i o u sn e e d ss u c ha si n p u ta n do u t p u t c o n n e c t i o n s ，v e n t i l a t o np a n e l s ，e t c , t h e r ea r e 印e r t u r e so rs l o t so nt h e c o n d u c t i n gs h i e l di n e v i t a b l y t h e s ea p e r t u r e so rs l o t sa r et h em a i nf a c t o r t oi n f l u e n c et h es h i e l d i n gp e r f o r m a n c eo fs y s t e m s o ，t oe m c f o r e c a s t i n g a n dd e s i g no ft h ee l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m , i tw i l lb eo fh i g h p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i c s c a t t e r i n g ，t r a n s m i t t i n ga n dc o u p l i n gt h r o u g h t h ea p e r t u r e so nt h em e t a l l i c s h i e l d i nt h i sp a p e r , t h es h i e l d i n gt e c h n i q u eo fm e t a l l i cc a v i t yi sd i s c u s s e di n t h ef i e l do fe m c , a n dt h ee f f e c t so fi n c i d e n te l e c t r o m a g n e t i cp l a n ew a v e w i t h a r b i t r a r yp o l a r i z a t i o na n g l eo nt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fa r e c t a n g u l a rm e t a l l i ce n c l o s u r ew i t ha p e r t u r ei ss p e c i f i c a l l ys t u d i e d b o t h t r a n s m i s s i o nl i n em e t h o db a s e do n a n a l y t i c a l m e t h o da n df i n i t e e l e m e n tm e t h o db a s e do nn u m e r i c a lm e t h o da r ei n v o l v e d ，w i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h es i n g l et r a n s m i s s i o nm o d ea n dm u l t i p l et r a n s m i s s i o n m o d e f i r s t l y , b yu t i l i z i n gt h et r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d ，t h em o d e li s t r a n s f o r m e dt ot r a n s m i s s i o nl i n ec i r c u i te q u i v a l e n t l y , t h e ne l e c t r i cf i e l d a n dm a g n e t i cf i e l di se q u a l i z e dt ov o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ec i r c u i tm o d e l ， c o n s e q u e n t l yt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s si sc o n c l u d e db yv o l t a g ea n d c u r r e n t a sf o rt h ei n c i d e n tp l a n ew a v ew i t ha r b i t r a r yp o l a r i z a t i o na n g l e ， i i i 北京邮电大学硕十学位论文 任意极化角度下腔体肼蔽效能分析 t h ee l e c t r i cf i e l di sd e c o m p o s e d e a c hc o m p o n e n t sb e i n ga n a l y z e d i n t ot w oo r t h o g o n a lc o m p o n e n t s ，a f t e r i nt e r m so ft r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d r e s p e c t i v e l y , t h ef i n a ls h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s si so b t a i n e db yc o m b i n et h e t w oc o m p o n e n t s f o rm u l t i p l em o d ec o e x i s t i n gs i t u a t i o n ，b a s e do nt h e a n a l y s i sa b o v e ，b yc o m b i n i n gt h er e s u l to fe a c hc o m p o n e n t sc a l c u l a t e d u n d e rm u l t i p l et r a n s m i s s i o nm o d e ，t h ef o r m u l ao ft h es h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s si sc o n d u c t e df i n a l l y t h e n ，b yu t i l i z i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s sb a s e do nf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a f t e ras e r i e so fw o r ks u c ha sm o d e l i n g ，p a r a m e t e r s e t t i n g ，m e s h i n g ，r e s u l ts e t t i n ga n di t e r a t i v ec a l c u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o no f t h es h i e l d i n ge f f e c t i v e si sr e a l i z e d f i n a l l y , u n d e rt h es i t u a t i o no fs i n g l et r a n s m i s s i o nm o d ea n dm u l t i p l e t r a n s m i s s i o nm o d e ，b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h et w om e t h o d sw i t h d i f f e r e n tp o l a r i z a t i o na n g l er e s p e c t i v e l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa n dt h ep o l a r i z a t i o na n g l eo ft h ei n c i d e n tw a v ei s o b t a i n e ds u c c e s s f u l l y b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et w om e t h o d s ，t h e v a l i d i t yo ft h et r a n s m i s s i o nl i n em e t h o di sv e r i f i e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , a p e r t u r e ，p o l a r i z a t i o n a n g e l ，t r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 北京邮电大学硕士学位论文任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 目录 第一章绪论。 1 1 屏蔽电磁兼容技术研究的背景及意义1 1 1 1 电磁兼容的现状 1 1 2 电磁干扰抑制技术的背景 1 1 3 电磁屏蔽的定义及其原理 1 1 3 1 2 研究带孔缝金属腔体电磁屏蔽特性的意义4 1 3 研究带孔缝金属腔体电磁屏蔽特性的研究方法 1 3 1 国内外研究动态 1 3 2 重要的电磁场数值分析方法 1 4 主要研究工作 1 5 总结 第二章基本原理与概况 4 6 8 2 1 传输线法基本原理。 2 1 1 传输线上的波传播 2 1 2 传输线的工作参数 2 2 有限元法的基本原理 9 1 0 1 3 1 4 1 52 2 1 有限元法的基本理论 2 2 2 有限元法的过程 2 3 a n s o f th f s s 仿真软件 2 4 总结 1 5 第三章理论推导以及模型设计。 3 1 基于等效传输线电路的解析 3 1 1r o i n s o n 等效传输线电路 3 1 2 孔缝的等效。 3 1 3 观测点的电压电流计算 3 1 4 屏蔽效能的计算 1 9 1 9 1 9 3 2 一般情况下的传输线法分析拓展。2 3 3 2 1 极化角为口的入射波正交分解 3 2 2 电场方向垂直于孔缝长边的情况分析。 2 4 3 2 3 电场方向垂直于孔缝短边的情况分析2 6 3 2 4 屏蔽效能的计算 3 3 基于有限元法的数值计算分析。2 8 3 3 1 建立模型 3 3 2 参数设置 3 4 总结3 l 第四章仿真结果分析 4 1 截止频率和谐振频率3 2 4 1 1 矩形波导截止频率。3 3 4 1 2 矩形波导谐振频率3 3 4 2 单模情况下的屏蔽效能分析3 4 v 北京邮电人学硕t - 学位论文 任意极化角度下腔体肼蔽效能分析 4 2 1 传输线法仿真结果。 4 2 2 有限元法仿真结果。 4 2 3 两种方法的结果对比 4 3 多模情况下的屏蔽效能分析 4 3 1 传输线法仿真结果 3 9 4 0 4 3 2 有限元法仿真结果。 4 3 3 两种方法的结果对比 4 4 总结。 第五章总结与展望 5 1 论文总结 5 2 研究展望 参考文献 致谢。 4 1 4 3 4 6 ，4 6 4 8 作者在攻读硕士期间发表的论文 v l 5 3 北京邮电大学硕l 学位论文任意极化角度下腔体l j # 蔽效能分析 第一章绪论 1 1 屏蔽电磁兼容技术研究的背景及意义 1 1 1 电磁兼容的现状 自然界中存在着各种各样的电磁现象，自从世界上第一台发电机应用以来， 电气设备的使用越来越广泛，同时也产生了越来越多的电磁干扰，构成了一个日 益复杂的电磁环境。随着社会的发展和科技的进步，电子设备的功能越来越齐全， 结构越来越复杂化和小型化，电磁波谱的利用率也越来越高。为了优化电子设备 设计，缩短设计周期，降低设计成本，需要对电子设备的电磁特性进行分析预测， 各种设备乃至整个系统的抗干扰性和电磁兼容性研究日益引起人们的重视。 电气设备的增多使人们逐渐认识到电磁干扰控制的必要性，并在2 0 世纪4 0 年代初提出了电磁兼容性的概念。电磁兼容【l l 【2 】【3 l 性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 简称e m c ，是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按照设计要求工 作的能力1 4 】。电磁兼容这一新兴学科的建立使电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐 步发展成为从理论上、技术上全面控制电子设备在其电磁环境中正常工作能力保 证的系统工程。电磁兼容分析是一个十分复杂的问题，已经成为国内外的研究热 点之一。 电磁兼容一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共 存状态，它包括两方面的含义： 1 、电子设备或系统内部的各个部件和子系统乃至相邻几个系统在它们自己 所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中能按原设计要求正常运行，简 称e m s 但l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 。 2 、设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的强度使由它所造成的 电磁干扰不致影响其他设备或系统的正常运行，简称e m l ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r i n g ) 。 电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或 系统规定的功能，使其效能可以充分发挥的重要保证。因此，在设备或系统功能 设计的同时，必须进行电磁兼容设计。 1 1 2 电磁干扰抑制技术的背景 电磁干扰是指从电磁骚扰源发出的电磁能量，经过某个途径耦合传输到敏感 设备，并且使这个敏感设备受到干扰的过程。形成电磁干扰必须具备以下三个基 本要素： 北京邮l 毡人学硕一 ：学位论文任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 ( 1 ) 存在电磁干扰源 某些自然现象或电装置产生的电磁波，对周围环境中的其他设备或系统造成 不希望的电磁影响，会导致其性能下降甚至功能失效。对其它设备产生这种影响 或危害的自然现象或电装置称为电磁干扰源。 ( 2 ) 存在耦合途径 耦合途径是指电磁干扰信号传播的路径和媒介 ( 3 ) 存在敏感设备 敏感设备是指那些受到电磁干扰源发出的电磁波影响时，性能下降或功能失 效的器件、设备、子系统或系统等。一般情况下许多器件、设备、子系统或系统 可能既是电磁干扰源又是敏感设备。 为了实现电磁兼容，使设备和系统在各自的电磁环境中既能正常工作，又不 会对环境中的其他设备或系统造成不能承受的电磁干扰，必须从上述的三个基本 要素出发，找出干扰源，抑制干扰或消除干扰发生，减弱干扰的耦合，降低敏感 设备对干扰信号的响应或增加设备的抗干扰能力。 只有掌握电磁干扰的抑制技术，并在系统或设备的设计、生产技术过程中合 理的应用，才能实现电磁兼容。因此，电磁干扰的抑制技术是电磁兼容领域的重 要课题，抑制电磁干扰的方法很多，常见的有接地、搭接、滤波及屏蔽等技术【5 】。 接地是电子设备工作所必需的技术措施。同时接地也引入接地阻抗及地回路 干扰，事实证明接地设计对各种干扰的影响是很大的，因此，在电磁兼容领域中， 接地技术至关重要，其中包括接地点的选择，电路组合接地的设计和抑制接地干 扰措施的合理应用等。 搭接是指导体间的低阻抗连接，只有良好的搭接才能使电路完成其设计能， 使干扰的各种抑制措施得以发挥作用，而不良搭接将向电路引入各种电磁干扰 因此在电磁兼容设计中，必须考虑搭接技术，以保证搭连的有效性、稳定性及长 久性。 滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法，当干扰频谱成分不同于有用信号 的频带时，用滤波器将无用的干扰信号滤去。滤波器对于无用信号频率成分有良 好的抑制作用、借助滤波器可明显地减小传导干扰电平，若滤波器把有用信号和 干扰信号隔离的越完善，它对减少有用信号回路内的干扰信号的效果就越好，因 此恰当地设计、选择、正确地使用滤波器对抑制干扰是非常重要的。 屏蔽是通过各种屏蔽材料吸收及反射外来电磁能量来防止外来干扰的侵入 ( 被动屏蔽) 或将设备辐射的电磁能量限制在一定区域内，以防止干扰其他设备( 主 动屏蔽) 。屏蔽不仅对辐射干扰有良好的抑制效果，而且对静电干扰和干扰的电 容性耦合、电感性耦合均有明显的抑制作用，因此屏蔽是抑制电磁干扰的重要技 2 北京邮i 乜人学硕卜学位论文任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 术，在实际工程设计中，必须在保证通风、散热要求的条件下，实现良好的电磁 屏蔽。 1 1 3 电磁屏蔽的定义及其原理 电磁屏蔽是电磁兼容工程中被广泛采用的抑制电磁干扰的重要技术措施，是 解决电磁干扰问题的有效方法。电磁屏蔽的作用是切断电磁能量从空间传播的路 径，达到消除电磁干扰的目的。一般而言，凡是电磁干扰都可以采用屏蔽的方法 来抑制。工程中最简单有效并被广泛应用的屏蔽方法是加屏蔽体外壳，就是用导 电或导磁材料制成的金属屏蔽体将电磁干扰源限制在一定的范围内，当电子设备 处于金属屏蔽体内时能很好的避开电磁干扰，既可以防止电子设备受到外界电磁 波的干扰，又可以防止产生电磁泄漏污染电磁环境。 屏蔽通过对两个空间区域之间进行金属的隔离，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。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、 组合件、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；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、元部件、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。 屏蔽机箱的性能通常用屏蔽效果( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，简称s e ) 来表示， 即无屏蔽( 无机箱) 和加屏蔽( 有机箱) 两种情况下场强的比值实际应用中，往往 用电场屏蔽效果( e l e c t r i c a ls h i e l d i n ge f f e c t ，简称s e e ) 来表示。 f s e 一2 0 l g 丝 ( 卜1 ) 一日 其中舾为屏蔽效能，玩为空间某点在没有屏蔽时的场强，巨为屏蔽后该点 的场强。 关于电磁屏蔽的原理可以有两种解释。表面上看，两种解释好像互不相同， 但本质上是一致的。 第一种解释：在一次场( 源引起的场) 的作用下，屏蔽表面因受感应而产生电 荷，使壁内产生电流和磁极化，这些电荷、电流和极化产生二次场，二次场与一 次场叠加形成合场。在空间防护区内合成场弱于一次场。 第二种解释：屏蔽反射引导场源所产生的电磁能流无法进入空间防护区。 第一种解释能够说明在任何频率下的屏蔽问题，不足指出是在叙述某些物理 过程方面有所缺陷。 3 北京邮电人学硕上学位论文任意极化角度下腔体肼蔽效能分析 第二种解释也是正确的。但大多数专业人员不习惯反射和引导电磁能流的概 念。同时这种概念不适用于静态场合。要研究静态情况，还必须再探讨静态的建 立过程。 上述两种解释的本质是相同的，因为金属结构对于电磁能流的反射和引导作 用的原理事实上与这些结构表面上和壁内电荷、电流和磁极化的产生有着不可分 割的联系。 1 2 研究带孔缝金属腔体电磁屏蔽特性的意义 电磁干扰及其防护技术在工业上及军事上都是重要的研究课题，其中高功率 微波脉冲对电子系统破坏力很强，倍受重视。造成电子设备的辐射干扰主要通过 两种途径：一是通过雷达、通信机等的天线直接进入电子设备；二是通过屏蔽壳 上的孔缝等进入电子设备。天线耦合后产生的是感应电流，通过线路或微波器件 进入系统，采用滤波等措施比较容易防护；而孔缝耦合产生的场分布在整个系统 内部，对系统的威胁较大1 6 j 。 电磁脉冲对屏蔽电子系统产生干扰或损害的主要途径是通过耦合进入系统 内部，从而影响和破坏系统正常工作。耦合的途径一般分。前门一耦合和“后门 耦合两种。由天线等接收器引入的干扰称为前门耦合，这种耦合信号虽然强度比 较大，但一般并不会对系统造成大的损害。这是因为一般系统总是带通的，干扰 信号一般很快就会被滤波或旁路掉。对电子系统造成严重威胁的是诸如腔体的孔 缝、接插件、连接电缆等引入的后门耦合干扰。这种信号绕过系统保护电路直接 进入系统内部，对系统敏感器件、子系统产生干扰和破坏。所以，后门耦合问题 是系统电磁兼容和抗电磁脉冲防护的主要课题【7 1 。 导体屏蔽腔体是在系统级电磁屏蔽，实现电磁兼容目的的一项重要措施。然 而，对于许多电子产品而言，为了适应通风、散热等要求，往往需要在屏蔽壳体 上开孔( 阵) ，完整性受到破坏。这样外部电磁场将通过孔( 阵) 透入机壳内部，可 能祸合到印刷电路板的导线上，产生感应电流和感应电压。通过对孔缝电磁耦合 的数值仿真计算屏蔽壳内场分布，有利于指导电路和器件的合理布局，使敏感 器件避开场的峰值区域，提高电子设备的抗干扰能力。所以，在设计阶段，预测 带有孔( 阵) 的设备外壳屏蔽效能对于评估电子系统的电磁兼容性是非常重要的， 具有实际的工程应用前景。 1 3 研究带孔缝金属腔体电磁屏蔽特性的研究方法 1 3 1 国内外研究动态 在电磁兼容领域，腔体屏蔽是抑制电磁干扰的一种重要技术【8 】【9 】【1 们。大多数 4 北京邮电大学硕士学位论文任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 情况下腔体上的孔缝是影响其屏蔽效能的关键因素，因此研究含窗腔体在电磁波 作用下的电磁耦合机理以分析其屏蔽效能不仅具有很高的理论意义，而且具有实 用价值。 分析带孔缝导体机箱的电磁特性目前国内外不少专家和学者已经进行多方 面的研究，取得了不少有益的成果。这些研究工作所采用的方法，主要包括两大 类：解析法与数值计算方法。 计算孔缝问题比较典型的解析法： ( 1 ) 应用b e t h e 理论进行分析 b e t h e 己经指出，小孔附近的场可以近似认为是不存在小孔时的原场和位于 小孔中心的等效电、磁偶极子产生的场的叠加。 ( 2 ) 衍射理论 在光学中衍射理论的基础是惠更斯原理，该原理是假没光波面上每一点可以 看作次级光源，它们发射子波，这些子波叠加后得到向前传播的光波。基尔霍夫 从波动方程推导了惠更斯原理的数学表达式即基尔霍夫公式，它是利用格林定理 把体积v 内的一个标量场用体积v 的边界面s 的场及其法向导数的值表示，可以用 来求解小孔衍射问题。 ( 3 ) 电磁对偶原理 对于无限大理想导体板的小孔耦合问题，通过构造一个尺寸和孔相同的理想 导电片，由于导电片的辐射场与小孔的泄漏场是对偶场，应用对偶原理我们 就可以由导电片产生的电磁场置换得到小孔的辐射场。 ( 4 ) 等效电路法或传输线法 对带孔缝机箱的电磁屏蔽问题，m a r t i np a u lr o b i n s o n 等人提出了一种经典的 等效电路的方法来计算开孔缝蔽腔体的屏蔽效果，将复杂的场问题变成我们熟悉 的电路问题来考虑1 1 1 】。采用传输线等效电路模型来分析计算屏蔽腔体问题的还 有b e l o k o u rl ，l o v e t r ij 等【1 2 】f 1 3 1 。m a r t i np a u lr o b i n s o n 采用等效电路的方法来解 决矩形腔体上开孔对屏蔽效能的影响。这种方法的优点是将复杂的场问题变成我 们熟悉的电路问题来考虑，计算简洁，由于给出了相应的公式，可以很直观的得 到各个参量和屏蔽效能的依赖关系。从电磁兼容的角度讲，可以指导我们对开孔 设备进行电磁兼容性设计。 计算带孔缝问题的数值计算方法： 6 0 年代以来随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展了 起来，并得到广泛的应用，其中主要有：属于频域技术的有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，简称f e m ) 、矩量法( m e t h o do fm o m e n t ，简称m o m ) 和单矩法等；属于时 域技术的时域有限差分 法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，简称h t d l 等。 5 北京邮电火学硕t 学位论文任意极化角度下腔体肼蔽效能分析 经典的数学分析方法是近百年来电磁学学科发展中一个极为重要的手段，解 析法包括建立和求解偏微分方程或积分方程。解析法的优点是：可将解答表示为 已知函数的形式，从而可计算出精确的数值结果；可以作为近似解和数值解的检 验标准；在解析过程中和在解的形式中可以观察到问题的内在联系和各个参数对 数值结果所起的作用。但解析法存在严重的缺点，主要是它仅能解决很少量的问 题。事实上，只有在为数不多的坐标系中才能分离变量，而用积分方程法时往往 求不出结果致使分析过程既困难又复杂。 用高性能的计算机就可直接以数值的程序代替解析形式来描述电磁场问题。 在纯数值法中，通常以差分代替微分，用有限求和代替积分，这样就将问题化为 求解差分方程或代数方程问题。纯数值法的出现，使电磁场问题的分析研究，从 解析的经典方法进入到离散系统的数值分析方法，从而使许多解析法很难解决的 复杂的电磁场问题，有可能通过电磁场的计算机辅助分析获得很高精度的离散数 值解，同时可极大地促进各种电磁场数值计算方法的发展纯数值法的缺点是数据 输入量大、计算量大、受硬件条件限制大。 解析方法和数值方法各自具有优缺点，现在分析电磁学的发展方向是利用已 有的解析研究成果来弥补数值方法的不足，将解析与数值方法相结合以兼备两者 优点、克服两者不足。这种日益兴起的分析方法称为半解析数值方法，已成为用 计算机求解科学与工程问题的有效手段。半解析数值方法研究解析与数值结合方 法的数学基础与基本原理；研究如何选取所应用的解析解与解析函数，如何与离 散化过程相结合，建立适合上机计算的运算格式；对复杂工程与学术问题的分析 计算，达到分析简便、节省资源、计算快速、结果准确的效果。 1 3 2 重要的电磁场数值分析方法 当前计算电磁学中使用较多的方法主要有三大类，一类是以电磁场问题的积 分方程为基础的数值方法，如矩量法系列；另一类是以电磁场问题的微分方程为 基础的数值方法，如有限差分法系列；还有基于变分原理的有限元法。 1 矩量法 矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，此法对于求解微分方 程和积分方程均适用。1 9 6 3 年，kkm e i 在其博士论文工作中首次采用这种方法。 r eh a r r i n g t o n 于1 9 6 8 年出版的专著中，对此法求解电磁场问题作了全面深入的 分析，用统一的观点简单扼要地介绍了这种方法。矩量法就是先将需要求解的微 分方程或积分方程写成带有微分或积分算符的算子方程；再将待求函数表示为某 一组选用的基函数的线性组合并代入算子方程；最后用一组选定的权函数对所得 的方程取矩量，就得到一个矩阵方程或代数方程组。剩下来的问题就是利用计算 机进行大量的数值计算，包括矩阵的反演( 求逆矩阵) 和数值积分等。用此法可以 6 北京邮电人学硕卜学位论文任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 达到所需的精确度。矩量法能解决严格解析法和近似解析法所不能解决的边界比 较复杂的一些问题，因而得到了比较广泛的应用。 矩量法包含着一个离散化的问题，因为无论在微分方程或积分方程中，微分 或积分所作用的都是连续函数，而电子计算机所能处理的函数是离散函数。数值 方法所作的工作是将微分方程化为差分方程，或将积分方程中的积分化为有限求 和，从而建立代数方程组。因此它的主要工作量是用电子计算机求解代数方程组。 虽然这种方法的解析部分较简单但其计算工作量很大。对于以微分方程为基 础的离散方程，其系数矩阵多为大型病态稀疏矩阵；对于以积分方程为基础的离 散方程，其系数矩阵通常为满矩阵，所有元素通常都需大量的数值计算。 2 时域有限差分法 时域有限差分( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) 方法是k s y e e 于1 9 6 6 年首次提出的1 1 4 】【删。y e e 提出的时域有限差分法不同与以往方法，它以差分原理 为基础，直接从概括电磁场普遍规律的m a x w e l l 旋度方程出发，将其转换为差分 方程组，在空间和时间上离散取样时域电磁场，数值模拟电磁波传播以及与结构 的相互作用。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，它备受专家学者青睐，被称为重要的电磁场数值计 算方法之一。随着吸收边界条件的不断改善，尤其是完全匹配层的提出与应用， 以及对各种非标准网格划分技术、计算量压缩技术、抗误差积累技术的深入研究， 该方法日趋完善，其应用面也趋于全方位。从电磁散射、电磁兼容、波导与谐振 腔系统、天线辐射特性的研究，到电磁波生物效应、微波及毫米波集成电路分析、 超高速集成电路互连封装电磁特性分析，以及复杂媒质中的电波传播、逆散射与 遥感，几乎都有时域有限差分法应用的例子。 3 有限元法 有限元法【1 6 1 是求解数理边值问题的一种数值技术。在力学领域，有限元的 思想早在2 0 世纪4 0 年代已经提出，但是这个方法开创性的工作公认是r w c l o u g h 在1 9 6 0 年发表的著作中奠基的。此后该方法被广泛地用于结构分析、流体 力学、热传递等物理和工程问题之中。6 0 年代末至7 0 9 代初，有限元法被移植到 电磁场工程领域。 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法i r 7 1 。有限元 法可用于任何微分方程描述的各类物理场，它同样适合于时变场、非线性场以及 复杂介质中的电磁场求解。有限元法之所以有着非常强大的生命力和广阔的应用 前景，主要在于方法本身的优点： ( 1 ) 有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、 激励的广泛适应性； 7 北京邮电大学硕i ：学位论文 任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 ( 2 ) 有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此 非常简易； ( 3 ) 有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通 用性强，且有较高的计算精度； 但有限元法也有它的不足之处，如对于时变电磁场的求解，计算量太大，对 于无界区域中的求解问题，边界条件难以妥善处理等。 目前可对电磁场进行分析的基于有限元法的仿真软件很多，有些是各个实验 室根据自身的研究侧重而升发的专用有限元软件，有些已经商业化，可从市场上 直接购得。其中可进行电磁场分析的商业化有限元软件比较有影响的有：美国 s w a n s o na n a l y s i ss y s t e m 的a n s y s 有限元软件；美国m a c n e a ls c h w e n d l e r tc o r p 的m s c e m s 软件；加拿大i n t e g r a t e de n g i n e e r i n gs o f t w a r ek 的系列软件以及美 国a n s o f lc o r p 的h f s s 软件等。 1 4 主要研究工作 电磁兼容领域内的腔体屏蔽问题一直是一个非常重要的研究课题，研究的方 法层出不穷，但是大都是基于一个简单的模型和理想情况。本文在基于前人研究 的理想模型基础之上，对任意极化角度平面入射波以及高次模共存的一般情况下 带孔缝金属腔体的屏蔽效能进行了仔细研究。 本文在研究屏蔽效能时采用的分析方法分别是基于传输线的解析法以及基 于有限元的数值计算法，并且考虑了o g h z 一1 g h z 单模情况和o g h z 一2 g h z 多模 情况。对于传输线法而言，将入射波照射带孔缝腔体模型等效为电路模型，然后 对任意极化角度入射平面波的电场进行正交分解，并对各分量进行相应传输线电 路分析，最后叠加各分量求得屏蔽效能的计算公式，通过m a t l a b 的计算，得到屏 蔽效能的仿真结果；对于有限元法，利用a n o s o f l 公司的h f s s 仿真软件对模型进 行建模、参数设置、网格剖分、结果设置以及迭代计算得到屏蔽效能的仿真结果。 最后，对不同极化角度时o g h z 一1 g h z 单模情况和o g h z 一2 g h z 多模情况下， 传输线法和有限元法的仿真结果进行了仔细分析和对比，得到了屏蔽效能和极化 角度的关系结论。 本文的大体结构如下： 第一章绪论，主要是对于电磁兼容的概念进行了介绍，由此引出抑制电磁干 扰的关键技术一屏蔽技术，并对电磁兼容领域的腔体屏蔽问题进行了技术背景 和国内外的研究现状的介绍，阐述了本论文课题的研究意义； 第二章基本理论与概况，对论文的基本原理做了概括性描述，对本课题的研 究方法传输线法和有限元法的基本原理进行了阐述，并介绍了h f s s 仿真软 件的基本工作流程和优点； 8 北京邮电大学硕上学位论文 任意极化角度下腔体屏蔽效能分析 第三章理论推导以及模型设计，在基于传输线法和有限元法的基本原理之 上，详细分析了任意极化角度平面波入射以及多种传输模式共存情况下带孔缝金 属腔体的屏蔽效能，通过对波源电场的分解以及多模叠加处理成功推导出了屏蔽 效能的计算公式。此外，通过对基于有限元的h f s s 仿真软件进行模型建立、参 数设置、网格剖分、结果设置以及迭代计算等步骤，得到不同极化角度下单模与 多模情况的屏蔽效能仿真结果； 第四章仿真结哭分析，对第三章中两种发放的仿真结果进行了详细分析，包 括分别对两种方法不同极化角度以及单模和多模不同情况下的分析和纵向比较， 得到了满意的结论，并对两种方法的仿真结果进行横向对比，进一本验证了结果 的有效性； 第五章总结与展望，对本课题进行了详细的结论分析，概括出了腔体屏蔽效 能与极化角度的关系，并且总结了本课题研究过程中的不足之处，最后对潜在的 新的研究方向提出了新的展望。 1 5 总结 本章作为论文的开头，首先，对电磁兼容的现状和背景做了概括性说明，对 电磁兼容领域内的电磁干扰抑制技术进行了一定的描述，特别对抑制电磁干扰的 关键技术屏蔽电磁兼容技术从原理和方法等方面都做了详细的阐述。其次， 在前面的基础之上，本章引出与本论文相关联的课题：带孔缝金属腔体电磁兼容 设计问题。通过介绍国内外该课题的研究动态和技术水平，以及一些重要的研究 方式和方法，也为下一章将采用传输线法和有限元法这两种解析和数值仿真法做 好了准备。最后，本章对全文的结构和每一章的具体研究工作做了一个全面的安 排和规划。 9 北京邮电大学硕 学位论文任意极化角度下腔体j f 蔽效能分析 第二章基本原理与概况 本章对论文的基本原理做了一个概述。包括传输线法的原理、有限元法的原 理、a n s o f li - i f s s 的基本原理三部分。重点介绍了传输线电路分析原理、有限元 法原理、h f s s 仿真分析电磁场问题的步骤及仿真设计的优越性。 2 1 传输线法基本原理 传输线理论在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁，因此它在微波网络分 析中有重要的意义。可以看到j 传输线中的波传播现象可以从电路理论的延伸或 从麦克斯韦方程的一种特殊情况来解释。 电路理论和传输线理论之间的关键差别是电尺寸。电路分析假定网络的物理 尺寸比电波长小得多，而传输线的尺寸则可能为一个波长的几分之一或几个波 长。因此，传输线是分布参量网络，在整个长度内其电压和电流的幅值和相位都 可能发生变化。 对于能传输t e m 波的双导体导波系统，例如平行双线、同轴线等( 又称传输 线) ，在传输t e m 波的条件下，其电场和磁场只有横向分布。例如同轴线中 e 一、日勺q ，这时在z c ( 常数)