电子设备的屏蔽效能分析与建模

1、哈尔滨理工大学学士学位论文电子设备的屏蔽效能分析与建模摘要电子设备的电磁屏蔽问题是系统电磁兼容性研究的重要内容。良好的屏蔽可以防止电子设备受到外界的干扰，同时又可以减少电子设备的向外辐射。屏蔽箱体由于通风散热和进出线等原因，会在其侧面开口，箱体内的电磁干扰源，便可通过这些开口向外耦合能量，污染周围的电磁环境。屏蔽效能是反应电子设备屏蔽效果的一个重要指标，分析电子设备的屏蔽效能是一个值得研究的问题。本文对电子设备的屏蔽分类及屏蔽效能的表示和计算方法作了详细的阐述，并提出了屏蔽效能测试的具体方法。电磁屏蔽的仿真建模已经成为电子设备设计中的一个必须步骤，通过仿真可以在设备投入生产之前就发现并解决问题

2、，从而节省由于电磁兼容不达标造成反复修改设计的成本。为了快速准确地仿真电子设备的电磁兼容特性，本文对电磁屏蔽仿真建模进行了研究，分析了影响仿真建模的各个因素，并根据电子设备的特点提出了模型简化的处理方法，并应用此方法对pc机机箱进行仿真建模分析其屏蔽效能，采用模型简化的方法不仅减少工作量，而且可以对工程实践有实际的指导意义。关键词电磁兼容；电磁屏蔽；屏蔽效能；模型简化；ansofthfssshielding effectiveness of electronic equipment analysis and modelingabstractelectromagnetic shielding o

3、f electronic equipment system electromagnetic compatibility problem is an important aspect of the study. good shielding of electronic equipment to prevent interference by outsiders, but also can reduce the outward radiation of electronic equipment. shielding box as a result of ventilation and heat d

4、issipation into the round and other reasons, will be opening in its side,source of electromagnetic interference can be coupled out through these openings energy, pollution of the electromagnetic environment around.shielding effectiveness is the response of the shielding effect of electronic equipmen

5、t as an important indicator to analyze the shielding effectiveness of electronic equipment is a problem worthy of study. in this paper, the shielding of electronic equipment and shielding effectiveness of classification and calculation methods that were described in detail and put forward concrete s

6、hielding effectiveness test method. modeling and simulation of electromagnetic shielding of electronic equipment design has become a must step through the simulation can be put into production before the equipment to detect and solve the problem, thus saving standards as a result of electromagnetic

7、compatibility is not caused by the cost of repeatedly modify the design. in order to fast and accurate simulation of electronic equipment to electromagnetic compatibility characteristics of the electromagnetic shielding of this article conducted a study simulation modeling, simulation modeling analy

8、sis of the impact of various factors, and characteristics of electronic equipment in accordance with the model proposed simplified approach and the application of this methods chassis pc-simulation modeling to analyze the shielding effectiveness, using a simplified model of not only reduce the workl

9、oad, but also the actual practice of engineering guidance.keywordselectromagnetic compatibility；electromagnetic shielding； shielding effectiveness；model simplification；ansofthfss不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- ii -目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的意义11.3 课题的可行性分析21.4 论文研究的主要内容3第2章 电子设备的屏蔽效能分析42.1 屏蔽技术的分类4

10、2.1.1 电场屏蔽42.1.2 磁场屏蔽62.1.3 电磁场屏蔽82.2 屏蔽效能的计算方法92.2.1 理想屏蔽体的屏蔽效能92.2.2 不完整屏蔽体对屏蔽效能的影响132.3 屏蔽效能的测试162.4 小结18第3章 电子设备电磁屏蔽仿真建模193.1 电子设备的主要特点193.1.1 电路特点193.1.2 结构特点213.2 电磁屏蔽仿真建模的主要因素223.2.1 缝隙结构的建模处理223.2.2 通风孔洞对屏蔽效能的影响233.2.3 微小结构对网格划分的影响253.2.4 边界条件273.3 仿真模型的简化283.4 小结29第4章 pc机箱电磁屏蔽的建模与仿真304.1 pc

11、机的主机特征304.1.1 电路特征304.1.2 结构特征314.2 仿真建模的软件平台314.3 pc机箱建模与仿真的实现344.3.1 设备结构344.3.2 复杂模型的电磁屏蔽仿真344.3.3 简化模型的电磁屏蔽仿真364.3.4 两模型仿真结果分析比较384.4 仿真结果与测试结果的比较394.4.1 pc机箱屏蔽效能测试方法394.4.2 pc机箱的屏蔽效能的测试步骤394.4.3 测试结果404.4.4 结果分析比较404.5 误差分析414.6 小结41结论42致谢43参考文献44附录a45附录b52千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更

12、新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行- iv -第1章 绪论1.1 课题背景随着电子技术的发展和城市人口的迅速增长，在生产、生活中使用的电子设备越来越多。汽车、通讯器材、计算机及电子、电气设备大量进入家庭，电磁波向外辐射的电磁能量正以每年7%14%的速度递增，电磁波作为一种资源己在0hz400ghz的宽频范围内广泛地用于电子设备中，随之而来的电磁干扰也就从低频到微波波段，无孔不入地辐射或传导给运行中的设备和周围的环境，电磁环境污染日益严重。另一方面，电子、电气设备对外界电磁环境的敏感性增加，电子、电气设备由于日趋数字化、高度集成化、信号电平小量化以满足其高速

13、化、轻量化和小型化的要求，极易受外界电磁干扰而使其产生错误动作，从而带来严重后果。电磁波所引起的电磁干扰(emi:eleetro magnetie interferenee)与电磁兼容(emc:eleetro magnetic compatibility)问题日益严重，在继噪音污染、空气污染、水污染之后，电磁波污染成为威胁人类健康的第四大公害1。大量调查和实验结果表明：强烈的电磁干扰、辐射对电子系统、设备产生严重的危害，同时也会影响人体的健康2。强烈的电磁干扰可能使灵敏的电子设备因过载而损坏。大多数情况是电子设备(包括电子计算机等信息技术设备)在电磁干扰作用下，性能暂时降级(信息传递出错、动作

14、失误、工作反常)。据估计，全世界电子、电气设备由于电磁干扰发生故障，每年造成的经济损失高达数十亿美元。电磁辐射能一旦进入人体细胞组织就要引起生物效应，既局部热效应和非热效应。不同频率的电磁辐射对人体的危害程度不同，对低于1ghz的辐射，皮肤组织感觉迟钝，能量渗透性强，易产生深部组织受热而损伤；对13ghz的辐射，人体表面组织和深部组织都会吸收能量，如眼球和内组织极易损伤。另外当今随着计算机和手机的普及，电磁辐射引起人体病变症状有：头晕、乏力、记忆力减退、心慌、多汗、脱发和睡眠障碍等，甚至是基因变异。因此，电子系统和电子设备的电磁屏蔽要求己经成为设计研制时所必须予以充分考虑的重要技术指标。1.2

15、 课题研究的意义设计合理的电磁屏蔽体的结构及探索高效的电磁屏蔽材料，防止电磁波辐射污染以保护环境和人体健康，防止电磁波泄漏以保障信息安全，已经成为当前国际上迫切需要解决的问题，各国已投入较多的人力物力，积极从事电磁屏蔽结构的设计和材料的研究，多年来已陆续取得不少成果。所以作为电子设备的载体，箱体的电磁兼容设计已经成为产品设计中十分重要的一项内容。世界各国先后通过立法和制定标准来规范各类电子产品电磁辐射剂量，比如欧盟早在1996年1月1日就开始强制执行电磁兼容性标准。我国由于原有工业基础比较薄弱，某些问题尚未充分暴露，矛盾还不够突出，某些部门对环境电磁学重要性的认识还很不够，为了确保国家政治、军

16、事及经济等部门的信息安全，保护国家利益，大力发展电磁波屏蔽技术的研究势在必行。尤其当我国加入wto后，电磁兼容已经成为制约我国电子产品出口的一个技术壁垒，凡是不符合emc/emi管制及认证制度的产品，难以在发达国家上市流通，为了使我国电子产品、设备与国际市场接轨，我国于2003年5月1日起对涉及人类健康安全、环境保护和公共安全的产品强制实行包括电磁兼容认证(cemc认证)在内的ccc认证制度3。目前，电磁兼容设计已成为电子产品、设备设计中的一项关键技术，为了保证电子系统的正常工作，必须进行严格的电磁兼容设计，它对系统效能有着重大影响，其影响范围如图1-1所示4。可见电磁兼容决不单纯是质量部门的

17、工作，在研制、设计、生产、工艺、试验、使用等各阶段均要采用电磁兼容技术，电磁兼容技术贯穿于产品研制到使用的始终。图1-1 电磁兼容影响效能的范围电磁兼容技术是采用各种措施从电路、结构、工艺和安装等方面抑制电磁干扰，其中屏蔽是解决电磁兼容问题及抑制辐射干扰的最重要手段，大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。由于电磁屏蔽材料和电磁屏蔽结构在社会生活、经济建设和国防建设中的重要作用，因而其研发已成为人们关注的重要课题，并且电磁兼容问题考虑得越早，问题越简单，解决问题所需要的成本越低，如图1-2在产品设计过程中应仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题，并从设计的一开始就要采取措施，尽量考虑电磁兼容问

18、题，采取电磁屏蔽措施，通常能在正式产品完成之前解决90%的电磁兼容问题，更重要的是用电磁屏蔽的方法来解决电磁兼容问题的最大好处是它不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改，节省了设计成本5。1.3 课题的可行性分析众所周知，由于电磁环境的复杂性，带来了电磁屏蔽检测的实验条件比较苛刻，需要选用空旷的场地和一系列完善的设备，一套电磁屏蔽试验室造价昂贵，动辄几百万乃至上千万美元，一般只有国家级重点试验室和航天、军事科研机关才能拥有这样的试验设备6。对于现有的条件是无法实现的，不过采用计算机仿真分析软件7，可以不用考虑电磁环境的干扰，而且投入相比电磁屏蔽试验室可以说微乎其微。虽然这种计算机仿

19、真分析是在忽略了很多次要条件下得到的试验结果，还不能完全代替物理电磁屏蔽试验室，但是随着近些年计算机技术的发展和电磁仿真分析软件的完善，电磁仿真分析软件得到的数据已经和实际实验数据十分吻合，可以为电磁屏蔽设计前期方案制定和后期电磁屏蔽检测提供一定的指导依据。 图1-2 解决干扰的措施和成本与产品生产进程的关系1.4 论文研究的主要内容一般常用的电子设备上存在的大量缝隙，内部一般都有pcb板，同时为了电磁兼容性能、热性能、振动性能的需要，从安装及加工的方便考虑，通常零件壳体内部会存在各种类型的凸台、凹槽等微小结构。由于现有软件的不足（受计算容量和仿真时间的限制），不可能在现有电磁仿真软件中将这些

20、结构直接按实际的物理模型进行建模。因此本文将从以下几点展开研究：1.阐述电磁屏蔽的基本概念、分类并重点分析电子设备的屏蔽效能计算方法及测试方法。2.对电子设备电磁屏蔽仿真建模时各个环节加以比较分析，并针对电子设备的主要特点以及电磁屏蔽仿真建模中应考虑的主要因素提出了简化模型的处理方法。3.以一个具体的电子设备（pc机机箱）为例，将电子设备屏蔽的建模方法应用于实际工程仿真中，通过对比分析复杂模型与简化模型的仿真结果说明简化建模方法的实用性和可行性。第2章 电子设备的屏蔽效能分析电磁屏蔽技术是抑制电子设备、电路单元之间及电子设备之间存在的电磁场干扰（即场干扰）的技术。将用导体制成的盒、壳、板和栅等

21、屏蔽物置于两电路（或两设备）之间可以抑制相互间的场干扰。当电磁场传经屏蔽物时受到衰减，使屏蔽物两侧电路（设备）之间电磁场感应和辐射的干扰受到抑制。屏蔽效能以屏蔽物对场强衰减的倍数来评定，一般以分贝计量8。2.1 屏蔽技术的分类按屏蔽的电磁场性质分类，屏蔽技术通常可分为三大类：电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。按屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽、非完整屏蔽体屏蔽。2.1.1 电场屏蔽电场屏蔽能抑电场耦合干扰。电场屏蔽的实质是减小两个回路（或两个元件）之间的电场感应。屏蔽体用良导体做成，既可以阻止屏蔽体内腔干扰源产生的电力线泄露到外部，同时也能够阻止屏蔽体外电力线进入到屏蔽腔体内。电场屏蔽分

22、为静电屏蔽和近场电屏蔽。2.1.1.1 静电屏蔽在用电设备中，当电路和元件的各部分具有电荷时，在周围空间会产生电场。这种电场作用到周围其他电路和元件上时就产生感应电流和电压，而这邻近电路和元件上的感应电流和电压又能反过来影响原来的电路和元件中的电流和电压，这就是用电设备中电场和磁场的寄生感应干扰，它是一种有害的静电干扰。静电干扰分为静电场感应作用和静电场耦合作用，它们都可以用屏蔽的方法来抑制。设带正电荷的导体a邻近有导体b，则导体b将会由于静电感应而带负电，用金属屏蔽体将导体a包围起来，此时在屏蔽体内侧就感应出与导体a等量的负电荷，在外侧出现等量的正电荷，电力线继续达到导体b，而且使感应电场更

23、为复杂，如图2-1(a)所示。将金属屏蔽体接地时屏蔽体外侧电场消失，导体b就不会受到感应干扰，如图2-2(b)所示，这就是静电屏蔽的原理。(a) (b) 图2-1 静电屏蔽原理2.1.1.2 近场电屏蔽近场区电屏蔽是为了抑制寄生电容耦合。最简单的方法是在感应源与受感器之间加一块接地良好的金属板，就可把感应源的寄生电容短接到地，达到屏蔽的目的。如图2-2所示，设导体g上有一高频电压eg，在其附近还有一导体s（感受器），导体与地的分布电容为cs，导体g与导体s间的分布电容为cgs，则g在感受器s上产生的感应电压为： （21） 图2-2 电场耦合如果在两导体间加入金属板并接地，则g与s间的电容分布如

24、图2-3所示，分布电容cgs1的值很小，这时s上的感应电压为： （22）如果接地金属板无穷大，则cgs1的值为0，比较式（21）与式（22）后发现：电场干扰就被完全隔离，如图2-3所示。 图2-3 电场屏蔽综上所述，从场的观点看，电屏蔽的实质是干扰源发出的电力线被终止于屏蔽体，从而切断了干扰源于感受器之间的电力线的交连，从电路的观点分析，屏蔽体起着减小干扰源和感受器之间的分布电容的作用。2.1.2 磁场屏蔽载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这种变化的磁场往往会对周围的敏感元件、电路造成干扰。磁场屏蔽的目的是消除或抑制直流或低频交流磁场干扰源与被干扰回路

25、的磁耦合。当电流流过一根导线时，在导线四周会同时产生电场和磁场，如果该导线用一个良好接地的非导磁金属屏蔽体封闭起来的话，电场的电力线则终止于该金属屏蔽体，电场得到了良好屏蔽（见静电屏蔽原理图），而对原磁力线没有什么影响。为了使干扰源的磁场不至于对周围物体产生电磁干扰，就必须将由干扰源产生的磁场削弱到允许的程度。通常可以采用两种方法：2.1.2.1 采用高导磁率材料的屏蔽体进行磁屏蔽如图2-4所示，需要磁屏蔽的电路或元件用一个由高磁导率材料制成的磁场屏蔽体封闭起来。由于高磁导率材料具有很低的磁阻，干扰源的磁力线将被封闭在磁屏蔽体内，外界干扰磁场的磁力线被磁屏蔽体旁路，从而起到磁屏蔽的作用。显然，

26、在这种情况下，为了获得良好的磁屏蔽效果，必须保证磁路畅通。上述这种用高磁导率材料屏蔽体屏蔽磁场的方法，只能用于屏蔽直流和低频磁场，因为只有在低频时，这些材料才能保持它们自身的高磁导率。2.1.2.2 采用反向磁场抵消的办法实现磁屏蔽用这种方法实现磁屏蔽的原理示于图2-6。图中中心载流导线用一个非导磁的金属屏蔽体包围起来，并让该屏蔽体中流过与中心载流导线电流大小相等、相位相反的电流。这样在屏蔽体的外部，总的干扰磁场强度变为零，达到了磁屏蔽的目的。这种磁屏蔽原理适用于高频磁场屏蔽及利用屏蔽电缆实现磁屏蔽的场合，这种金属屏蔽体应为良导体。图2-5 用高磁导率材料实现磁场屏蔽 图2-6 采用反向磁场抵

27、消法实现磁屏蔽对于高频磁场，因为高频磁场的作用屏蔽壳体表面会产生电磁感应涡流，根据楞次定律，该涡流将产生一个反磁场来抵消穿过该屏蔽体的原来磁场，如图2-7所示。显然，在这种情况下，涡流越大，屏蔽效果越好。因此，对于高频磁场的屏蔽应选用良导体材料，如铜、铝等。随着频率的增高，磁屏蔽效果变好。当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁场时，涡流将不再增大而保持一个常值。利用反向磁场抵消干扰磁场的屏蔽方法，可用于电缆芯线的屏蔽。图2-8示出一个用于输出电缆向负载电阻r1传输输出信号的电路，该电缆芯线流过电流i1，电缆屏蔽层必须在两端接地，这样可以将芯线中产生的磁场抵消掉，从而达到磁场屏蔽的目的。 图2-7

28、 金属板对高频磁场的排斥作用 图2-8 用屏蔽层电流屏蔽高频干扰源磁场2.1.3 电磁场屏蔽对于电磁场来说，电场分量和磁场分量总是同时存在的。所以，在屏蔽电磁场时，必须同时对电场与磁场加以屏蔽，故称为“电磁屏蔽”。通常我们所说的屏蔽，一般就是指电磁场屏蔽。在频率较低且满足近场条件的情况下，当干扰源特性不同时，则电场和磁场的分量差别较大。对高电压、小电流干扰源，近场是以电场为主，其磁场分量可以忽略不计，这时只需采用电屏蔽；而对低电压、大电流的干扰源，近场是以磁场为主的，故其电场分量可忽略，因此只需采用磁屏蔽。但是当频率较高，即干扰超过150khz时，电子设备的元器件和导线的几何尺寸逐渐可与电磁波

29、的波长相比拟，电磁辐射能力随频率的增高而增强。当干扰源与接收器之间的间距足够大时（），电容性耦合和电感性耦合的作用很小，而辐射耦合成为传递干扰的主要方面，频率越高，作用越大。因而需要在传递干扰的途径上设置屏蔽体以衰减干扰能量，这种抗电磁辐射干扰的措施就称为电磁屏蔽。 电磁屏蔽是利用辐射电磁场在金属界面上的反射和金属屏蔽层的吸收来抑制电磁辐射干扰的。根据电磁场理论，当电磁波入射到金属表面时，被分为两部分，一部分被反射，另一部分穿过界面继续传播，并在金属内传播途径中不断受到衰减。如图2-9所示，穿过第一界面的能量，经衰减后到达第二界面时，有一部分穿过第二界面，成为干扰接受器的残余能量；另一部分被第

30、二界面反射，再次折回到第一界面去。于是在金属屏蔽层内，能量被多次反射和吸收。我们将被金属两表面反射的能量总和称为反射损耗，通过第一界面并消耗在金属内部的那部分能量称为吸收损耗，还有一小部分能量消耗在金属内部多次反射过程中。 图2-9 金属板的屏蔽作用2.2 屏蔽效能的计算方法2.2.1 理想屏蔽体的屏蔽效能理想屏蔽体是指将屏蔽体看做是在结构上完整、电气上连续均匀的金属板，即假定在金属板上不存在任何孔洞、缝隙等电气不连续点。为了衡量屏蔽体的屏蔽效能，人们常常采用以下表示方法：2.2.1.1 屏蔽系数s屏蔽系数s系被干扰的导体（或电路）在加屏蔽后的感应电压us与未加屏蔽时的感应电压u0之比，即：

31、（23）显然，s越小，表示屏蔽效果越好。2.2.1.2 透射系数t投射系数t系指加屏蔽后某一测量点的场强（es，hs）与同一测量点未加屏蔽时的场强（e0 ，h0）之比，即：对电场： （24）对磁场： （25）显然，t愈小，表示屏蔽效果越好。2.2.1.3 屏蔽效能se屏蔽效能se系指未加屏蔽时某一测量点的场强（e0，h0）与加屏蔽后同一测量点的场强（es，hs）之比，以db为单位。对电场： （26）1.高频时，设壳体厚度d远大于趋肤深度。这样，一个半径为a的球形导体薄壳的电场屏蔽效能为： （27）式中：为角频率0为真空中的介电常数为导电率为趋肤深度，它表示电磁波透入金属板内衰减到原来大小的1/

32、e时的距离，其中f为电磁波频率，为金属板磁导率2.低频时，d很容易成立的。此时，一个半径为a的球形导体薄壳的电场屏蔽效能可写为： （28）对磁场： （29）1.高频时，上述球形导体薄壳所对应的磁场屏蔽效能为： （210）2.低频时，磁场屏蔽效能为： （211）式中：为磁导率显然，屏蔽效能se愈大，表示屏蔽效果愈好。从上式可见，屏蔽效能se与透射系数t的关系为： （212）屏蔽效能与频率，屏蔽体的几何形状、尺寸，测试点在屏蔽体的位置，被衰减场的形式，电磁波注入的方位，极性等许多因素有关。对于一块简单的金属屏蔽板，当电磁波穿过它的表面时会发生表面反射、体内吸收及多次反射的电磁波场强及能量的衰减。根

33、据透射系数的定义式（24）及（25）得出： （213）代入（212）得： se=r+a+b （214）式中：称为反射损耗称为吸收损耗称为多次反射损耗下面分别对反射损耗r、吸收损耗a和多次损耗b进行讨论：1.吸收损耗a吸收损耗是电磁感应在金属板上产生的涡流形成的，这种损耗会随着一个衰减常数按确定规律衰减，且当金属板厚度越大，衰减就越厉害，经推算，有公式： （215）式中：t为金属屏蔽体厚度又由，所以： （216）由式（215）可知，吸收损耗与金属板材料和厚度有关。当已定，则其厚度t越大，吸收损耗a就越大。另外由式（216）可知，a的大小与金属材料、金属厚度及电磁波频率有关。当只改变金属材料时，及

34、越大的金属板，其趋肤深度就越小，吸收损耗就越大；当只改变频率时，如f越高，则吸收损耗也越大。表2-1给出几种金属材料的趋肤深度与频率f的关系9。 表2-1 常见材料趋肤深度与频率的关系材料铜黄铜铝铁数据/mm/mm/mm/mm频率f50hz9.3418.3211.960.72100hz6.612.958.460.511khz2.094.102.670.1610hz0.661.300.850.051150khz0.170.330.220.0131mhz0.0660.130.0850.006115mhz0.0170.0330.0220.0021100mhz0.00660.0130.00850.00

35、161.5ghz0.00170.00330.00220.001310ghz0.000660.00130.000850.00162.反射损耗r电磁场在金属板外部产生反射是由于电磁波在空气介质中和在金属导体中的波阻抗不同，这里分几种情况分别给出r的公式远场情况（电磁波为平面波，与源的性质无关） （217）近场，电场（高阻抗源即高电压小电流场） （218）近场，磁场（低阻抗，低电压大电流场） （219）以上三式中：r为金属板材料相对于铜的电导率r为金属板材料相对于铜的磁导率下表2-2为几种常见金属的相对电导率和相对磁导率103.多次反射损耗b实践证明有些情况下b值较小，可以忽略不计。如屏蔽层较厚（要

36、求a10db），电场为近区电场或平面波场时可以不考虑b的大小。如果屏蔽层较薄（a10db），或对近区电磁场入射波能量大部分穿过第一界面进入屏蔽层，当屏蔽层薄到吸收损耗a0.3g时，得： （221）式（221）给出的结论是十分明白的：当缝隙又窄又深时（t大，g小），磁场泄露就小；反之则大。磁场通过该缝隙的衰减为： （222）实际上，缝隙引起的泄漏要比前述的要复杂得多。它不仅与缝隙的宽度、板的厚度有关，而且与其直线尺寸、缝隙的数目以及波长等有密切关系。频率越高，缝隙的泄漏越严重。而且在相同缝隙面积的情况下，缝隙的泄漏比孔洞的泄漏严重。特别是当缝隙的直线尺寸接近波长时，由于缝隙的天线效应，屏蔽壳体本

37、身可能成为一个有效的电磁波辐射器，从而严重地破坏屏蔽体的屏蔽效能。所以，在设计屏蔽体结构时，尽力减少屏蔽缝隙是至关重要的。 图2-10 无限长缝隙2.2.2.2 开孔的影响由于安装按钮、开关、电位器等元件的需要，常常必须在屏蔽板上开有圆形、正方形或矩形的孔洞，这时电磁波会通过这些孔洞产生泄漏。设屏蔽板上开有圆孔或方孔，每个孔的面积为s，屏蔽板的面积为a，当as，圆孔的直径或方孔的边长比波长小得多时，则通过孔洞泄漏的磁场强度hp为： （223）若屏蔽板上有n个孔，则总的泄漏磁场强度为 （224）若孔洞为矩形，其短边为a，长边为b，面积为s1，设与矩形孔泄漏等效的圆面积为s，则： ， （225）其

38、中： 当时，（即正方形孔） 当时，（即狭长矩形孔） 将式（225）代入式（223）及式（224），即可求得泄漏磁场强度。 在有孔洞的实际情况下，金属屏蔽板后侧电磁波总的投射系数t总应为金属屏蔽板本身的投射系数ts与孔洞电磁波的透射系数之和，即： （226）其中：因此实际的屏蔽效能变为： （227）2.2.2.3 金属网的影响金属屏蔽网是常见的非完整屏蔽体，它广泛的用于需要自然通风或可向内窥视的屏蔽体。网的材料常为铜、铝或镀锌铁丝，而结构有两类：一是将每个网孔的金属交叉点均焊牢；另一种是将编织的细金属丝夹于两块玻璃或有机玻璃之间。设网眼的空隙宽度为b，则由网眼构成的波导管的截止频率为2b，金属屏

39、蔽网的屏蔽效能可近似地用下式估算：当时， se=0 （228）当时， （229）实践证明，在最主要的电磁干扰频率范围（1100mhz）内，金属屏蔽网的屏蔽效能se=60100db（b=1.27mm）。玻璃夹层金属屏蔽网的屏蔽效能也可做到5090db。2.2.2.4 屏蔽电缆的影响屏蔽线和屏蔽电缆是各种电子装置中最常用的两个屏蔽体之间的连接导线。为保证柔软、易于弯曲，其外层屏蔽层通常用多股金属线编织而成。很显然，它是一个非完整的屏蔽体。典型的编织屏蔽层结构示意图如图2-11所示。他的屏蔽效能很难计算，通常靠实验测量确定。不言而喻，编织层的密度与编织层材料性质会直接影响其屏蔽的完整性。一般来说，单

40、层编织材料的屏蔽效能大约在5060db之间，双层编织材料可达8090db。 图2-11 典型的编织屏蔽层结构示意图2.3 屏蔽效能的测试屏蔽效能的测试方法一般分为三种方式：1.屏蔽箱外部放置发射天线，内部放置接收天线接收天线将接收的信号通过电缆传送到频谱分析仪（图2-12）,此方法存在的最大缺陷就是发射天线发射的电磁波会被电缆（接收天线与频谱仪之间的信号电缆）接收，严重影响测试结果的准确性。图2-12 屏蔽体屏蔽效能测试方式一2.屏蔽箱内部放置发射天线，外部放置接收天线接收泄漏场信号源通过电缆将信号送至发射天线（图2-13），存在的最大缺陷同方法一类似，就是信号发生器与发射天线之间的电缆（即使

41、是同轴电缆）会起到很好的发射作用，从而严重影响测试结果的准确性。图2-13 屏蔽体屏蔽效能测试方式二3.发射天线为球形偶极子天线，自带信号源发射天线放置屏蔽箱内部，接收天线放置在外部，接收天线将接收的信号通过电缆传送到频谱分析仪（图2-14），此方法采用的是自带电源的辐射源，能够避免方法一和方法二的缺陷，但是也存在两点不足：一方面是辐射源的发射功率太小，而且一般接缝和缝隙具有较高的屏蔽效能，使得外部的接收天线接受不到泄漏场；另一方面由于发射功率的要求，球形偶极子天线的尺寸相对较大，直径一般都在150mm以上，因而很难应用于小型电子设备。图2-14 屏蔽体屏蔽效能测试方式三为了真实的反映屏蔽体本

42、身的屏蔽效能，排除电线电缆辐射对测试的影响，国内通常的做法是用球形偶极子天线做辐射源，球形偶极子天线通过干电池加电工作。这样，通过用干电池供电工作切断了辐射源与外部信号源的电缆连接，也就排除了电缆辐射对测试结果的影响。在实际工程预测试中，如果需要评价一个设备对内部电路的屏蔽效能，简单的方法就是在设备内放置一个电路，让电路充当辐射源来测量设备的屏蔽效能。电路可以用高速驱动电路芯片制作一个时钟信号驱动电路，在布线时有意识的增大电流回路的面积，使信号线与地线相距较远。这样由于信号环路面积较大，电路就能产生较强的差模辐射。为了保证测量结果的真实，反映设备本身的屏蔽效能，也可用电池为电路供电。这样一个模

43、拟辐射源它的辐射频谱也可以达到1ghz，另外这个辐射源的特性与实际数字电路十分接近，具有代表性。用这种方法对电子设备的屏蔽效能进行评价，会得到十分接近实际的结果。更简单的，如果一个电子设备内部有工作电路，可以直接把电子设备开盖时测试一次场强，把设备盖安装后再测试一次场强，这样就可以很容易的看出该设备的屏蔽效能。但是由于电路工作时仅在若干频点工作，因此，只能测到有这若干工作频点以及其谐波频点屏蔽效能。但是，对于评价设备的屏蔽效能已经足够了。2.4 小结本章主要从电磁场性质和屏蔽体的结构两个方面对电磁屏蔽作了分类介绍，并着重阐述了屏蔽效能的计算方法，对不完整屏蔽体对屏蔽效能的影响因素进行了分析，最

44、后提出了测量屏蔽效能的一些方法。第3章 电子设备电磁屏蔽仿真建模随着电子系统和设备数量的逐渐增多和性能的不断提高，电磁干扰将越来越严重，电磁屏蔽问题也是设备正常运行的关键问题，因此在研发设计时，电磁屏蔽仿真成了非常有用的工具，电磁屏蔽仿真技术的应用使得大部分问题在设计阶段就可以得到解决。从国际上来看，电磁屏蔽仿真已经成为电子设备设计时必须的一个步骤，通过仿真可以在设备投入生产之前就发现并解决电磁屏蔽问题。为了快速准确地仿真电子设备的屏蔽效能特性，就必须建立可靠的仿真模型。要建立可靠的仿真模型，首先得对仿真对象进行分析，只有在深入了解仿真要素后才能建立准确可靠的仿真模型。3.1 电子设备的主要特

45、点电子设备按其结构形式一般可以分为机柜式、机箱式、插箱式等三类。近年随着高密度高频率电子设备的不断涌现，现在无论是哪种形式的电子设备都有以下共同特点。3.1.1 电路特点3.1.1.1 工作频率较高现代电子产品普遍呈现高频率工作趋势，衡量计算机性能的一个指标是处理器芯片的时钟频率。普通计算机的工作频率范围表3-1所示，从表3-1可以看到其主要工作频率集中在10mhz-2ghz范围内；手机的工作频率在以900mhz或1.8ghz为中心频点的附近频率范围；当然对于某些特殊电子设备，如雷达装置中的一些模块工作时发射频段频率会高于10ghz，但是普通电子设备的工作频段一般都集中在10mhz-3ghz范

46、围内，所以该频段普遍受到人们的关注。表3-1 普通计算机各被测对象在工作时的测试结果被测对象泄漏的主要频率范围幅度最大值即对应频率泄漏信号的上限频率显示器30mhz以内75dbv约70khz200mhz主机500mhz以内40dbv约40mhz1.6ghz整机500mhz以内55db v约50mhz1.6ghz打印机300mhz以内30dbv约50mhz500mhzmodem500mhz以内38dbv约3mhz1ghz集线器600mhz以内40dbv约320mhz700mhz网络状态500mhz以内50dbv约150mhz1.7ghz当电子设备的结构尺寸和工作频率所对应的波长可以比拟时，此设备

47、就视为电大尺寸。在一般情况下，频率高至1ghz时常用的电子设备已不能视作电小尺寸辐射体。对于一般的军用机箱机柜其工作频率都在几个ghz以上，都为电大尺寸问题。图3-1所示的机柜机是典型的电大尺寸，其工作频率10ghz以上，结构尺寸约为0.5m0.5m2m。由于电磁场仿真软件的核心算法一般都是数值方法，数值方法求解问题的第一步都是先离散待求解的问题，反映在电磁场问题中就是要对求解的区域进行网格划分。而网格划分的主要依据是求解的频率，在同样大小的求解域内，频率越高划分的网格越多，所以结构尺寸（求解域的大小由模型的结构尺寸决定）相对于仿真频率的波长要大得多，就会导致同样的求解域内划分的网格数目急剧增

48、多，即相当于扩大了求解域，使得在一定的硬件条件下出现无法计算的情况，对于工作频率较高的电子设备经常会遇到电大尺寸的问题。电大尺寸问题在计算机电磁屏蔽仿真中是一个世界性的难题，至今还没得到很好的解决。 图3-1 机柜结构示意图3.1.1.2 内部电路复杂图3-2所示是一块相对简单的pcb电路板结构图，从中可以看到其包含了各种不同功能的芯片，芯片的安装密度相当高；各种信号线布线的密度高、线宽窄，一般为多层板，所有这些都增加了pcb板的复杂性，为电磁屏蔽的仿真带来了很大的困难。 图3-2 典型pcb板示意图图3-3所示是一典型的计算机机箱内部图，机箱均由若干独立模块组成，各模块之间通过母板或内部电缆

49、进行通信，图中可以看到有众多的电缆，而每个电缆都相当于一辐射天线，这给电磁屏蔽仿真建模带来了很大的困难。 图3-3 pc机箱内部结构示意图3.1.2 结构特点3.1.2.1 结构的非对称性一般电子设备的结构都是非对称形式的，即使整体结构具有较强的对称性，内部结构也很难做到对称形式。3.1.2.2 内部结构复杂（微小结构众多）如图3-4所示，许多电子设备的内部因为固定某些器件或减轻重量的需要会有很多的凹槽和凸台，同时还存在很多的pcb电路板和各种微小的元器件，它们的尺寸通常是比较小的，这些都是电子设备共同的特点。 图3-4 某电子设备内部结构在它们的结构上，由于各功能模块的拼接而存在大量的缝隙，

50、这些缝隙是引起电磁场泄漏的主要通道；电子设备一般都有电磁兼容性能的要求，对于许多明显的接插件、孔洞都经过适当的屏蔽处理，从而明显的孔洞也都转换为缝隙的泄漏。综上所述，现代的电子设备普遍呈现结构的电磁特征复杂，工作电路复杂，工作频率高及多数为电大尺寸的趋势。在这种趋势下，电子设备的电磁屏蔽要求也越来越严格，合理的建立电磁屏蔽仿真模型也是一大挑战。3.2 电磁屏蔽仿真建模的主要因素上节分析了电子设备的复杂性，要想建立准确的电磁屏蔽仿真模型，必须对影响电子设备电磁屏蔽仿真的主要因素进行分析，找出重要的模型信息，从而对复杂的结构电路信息做到有的放矢，建立高效准确的仿真模型。3.2.1 缝隙结构的建模处

51、理缝隙是电磁场泄露的一个主要途径，要正确预测电子设备的屏蔽效能，就必须考虑由缝隙引起的电磁场泄漏。接缝由于接触的不充分以及接触面受到油污、氧化等导致了接缝处导电性能的下降。通常可以在两导体间添加导电衬垫，以提高壳体的电连续性，从而提高壳体的屏蔽效能。从图3-5可以看出金属直接接触形成的接缝，其结构相当复杂，缝隙的导电性能与两金属的表面情况、所受压力有很直接的关系。同样加有导电衬垫的缝隙，导电衬垫的导电性能也随压力有着极大的变化（如图3-6所示）。软件能够仿真的前提是电子设备上各部分结构有明确的输入参数。电子设备各连接部分的关系应该很明确，接触即为接触，不接触必有相对分开的距离，像缝隙这种在有些

52、点接触有些点不接触的情况，无法提供明确参数，即使根据一系列假设前提能够提供接触的参数，由于仿真算法的限制，目前商用软件都无法将这些参数直接作为仿真输入参数进行求解。图3-5 金属导体直接接触的结构 图3-6 金属导体间导电衬垫的结构larry k.warne和kenneth c.chen于1990年提出缝隙模型11，但他们在计算带衬垫的缝隙时，直接将缝隙当作具有一定宽度（如0.05mm）的窄孔进行计算，并没有考虑在衬垫上下接触面上还会存在接缝的情况，也没考虑随机接触缝隙的情况。david a.weston于1992年改进了测试方法。该方法在评估缝隙的屏蔽效能中的优势在于它将影响缝隙屏蔽效能的接触面表面情况、衬垫的材质、所受压力的大小等都集中反映到转移阻抗一个电路参数中，通过实测获得该参数，从而计算出缝隙的屏蔽质量。3.2.2 通风孔洞对屏蔽效能的影响电子设备的机箱上为散热、通风、操作等实际需要所设置的孔洞，破坏了屏蔽壳体的导电连续性，成为电磁屏蔽的一个薄弱环节，严重影响到屏蔽壳体的屏蔽效能。对于热设计来说，开口率越大越好，而电磁屏蔽设计正好相反，开口率为零最佳，在相同开口率下，不同的开孔形式对屏蔽效能的影响是不同的。因此，研究开孔的形状、数量、大小及排列，对电子设备的屏蔽效能各有什么样的