西安电子科技大学论文答辩PPT模板(屏蔽效能研究)

1、西安电子科技大学 含孔阵矩形机壳的屏蔽效能研究 作 者：XXX 指导老师：XXX 教授 专 业：电磁场与微波技术 西安电子科技大学 内容提要 研究背景和意义 国内外研究现状 仿真软件及电磁学算法简介 分析屏蔽效能的传输线方法 含圆形孔阵矩形机壳屏蔽效能的传输线法 分析 含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能的传输线法 分析 西安电子科技大学 研究背景和意义 电子、电气设备机壳用于抵抗来自机壳内部的电 磁场以及机壳外部其它电子产品的电磁泄露，必 须满足电磁兼容性（EMC）要求。然而，设备机 壳的完整性常常受到用于提供可见性、通风以及 检修孔的缝隙的损害。这样的开口能够使外部电 磁脉冲透入到设备机壳的内部空间

2、，耦合到印刷 电路板（PCB）上，从而在内部导体上感应电压 和电流，降低电子电路、元器件的工作性能，甚 至毁坏它们。因此，研究具有孔缝的设备机壳的 电磁屏蔽效能具有重要的理论意义和应用价值。 西安电子科技大学 国内外研究现状 在早期，对于电磁脉冲孔耦合的研究重点主要是无限大导体平面上开 有孔缝的问题，其有价值的研究始于Bethe的工作。1944年,Bethe提 出了小孔理论,把无限大导体平面上电小尺寸的孔缝看成等效的电偶极 子和磁偶极子，给出了圆孔的等效电磁参数。 1972年，T.Y.Otoshi提出对于垂直入射平面波照射下，无限大薄金属 平板上的小孔阵相当于与TEM模传输线并联的一个电感性电

3、纳，并提 出了在孔阵没有电阻性损耗的情况下圆孔阵的归一化导纳表达式。 图1 无限大金属平板上孔阵二维结构图 西安电子科技大学 国内外研究现状 1996年，M.P.Robinson等人总结概括了Bethe提出的用于估算含孔缝矩形机壳的电磁 辐射的理论，并提出了用于计算含孔缝矩形机壳屏蔽效能的计算公式，并且包括了基 本上所有的设计参数，如屏蔽腔的大小、孔缝的大小、屏蔽体内的位置、壁厚、频率 等，可方便地得到屏蔽效应随各参数的变化曲线。在该模型中，将含矩形孔缝的矩形 金属机壳前面板等效表示为两端短路的共面传输线，矩形金属机壳除含孔的一个面以 外，其余部分以一段终端短路的波导建模。通过该方法计算的有孔

4、腔体的电屏蔽效能 的理论值与测量值良好吻合，并且还可以准确的预测出腔体内电屏蔽效能随位置的变 化。但该模型没有分析含矩形孔阵以及腔体内置印刷电路板的矩形机壳的屏蔽效能 图2 平面电磁波垂直照射含矩形孔缝矩形机壳及其等效电路 西安电子科技大学 国内外研究现状 1999年，基于M.P.Robinson等人提出的波导等效电路传 输线理论,D W P Thomas等人将含单孔机壳内部印刷电路 板的加载效应以有耗介质块建模，改进了以前的等效电路 模型 。但作者没有进行相关的理论推导，提出计算内置 PCB含孔缝矩形机壳的屏蔽效能的计算公式。 图3 平面电磁波垂直照射加装PCB的含矩形孔缝矩形机壳及其等效电

5、路 西安电子科技大学 国内外研究现状 2008年，Parisa Dehkhoda等人最近提出的一种基于Robinson传输线 等效电路模型的更加精确的模型。在该模型中，虽然箱体依然等效为 一个短路波导，但孔缝阵则被等效为导纳。该模型可以有效计算宽频 带的屏蔽效能，随着孔缝数量的增加，在孔缝阵列方面，该模型比 Robinson传输线等效电路模型的结果更精确，但该模型没有分析腔体 内装有印刷电路板的情况。 图4 平面电磁波垂直照射含圆形孔阵矩形机壳及其等效电路 西安电子科技大学 CST及时域有限积分法（FIT） CST简单介绍 CST MICROWAVE STUDIO，是德国CST （Comput

6、er Simulation Technology）公司推出的高频三 维电磁场仿真软件，基于时域内的有限积分法(The Finite Integration Theory)和CST专有的理想边界拟合技术(PBA) 进行仿真运算，广泛应用于移动通信、无线通信（蓝牙系 统）、信号集成和电磁兼容等领域。该软件在分析窄脉冲， 宽频带问题时仿真速度较快。 FIT简单介绍 FIT(时域有限积分法)是由1976年至1977年Weiland教授提 出来的。该数值方法提供了一种通用的空间离散化方案， 可用于解决各种电磁场问题，从时域和频域的应用。FIT 是将积分形式的麦克斯韦方程离散化，而不是离散化微分 形式的M

7、axwell方程。 西安电子科技大学 XFDTD及时域有限差分法（FDTD） XFDTD简单介绍 XFDTD 是 REMCOM Inc. 所开发的基于时域有限差分法的全波三维 电磁场仿真工具，在任意导体及介电质环境下之时间与空间领域的电 磁场问题。可应用的频谱范围，从无线电波（Radiowave），微波 （Microwave），毫米波（Millimeter-wave）乃至于光学频率，即约 100kHz至3000GHz。 FDTD算法的基本思想 在诸多时域电磁场计算方法中，FDTD ( finite- difference time- domain)方法作为一种典型的全波时域分析方法，是近年来发

8、展最迅 速、最受关注和应用范围最广的一种方法。FDTD算法的迭代公式是 在包括时间在内的四维空间中，对Maxwell旋度方程对应得微分方程 进行二阶中心差分近似得到的。它能对各种复杂的边界条件近似自动 满足。 西安电子科技大学 分析屏蔽效能的传输线方法 屏蔽效能的表示 电场屏蔽效能是指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 强度之比，常用分贝（dB）表示即 （1） 磁场屏蔽效能是指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 强度之比，常用分贝（dB）表示即 （2） s e E E S 0 lg20 )lg(20 0 s m H H S 西安电子科技大学 分析屏蔽

9、效能的传输线方法 含孔阵矩形机壳波导等效电路传输线法的基本原理 1996年，M.P.Robinson等人提出了计算含孔矩形机壳屏蔽效能 的波导等效电路传输线法。其波导等效电路模型如图5所示，矩形金 属机壳除含孔的一个面以外，其余部分以一段终端短路的波导建模。 一般而言，由孔缝耦合进入腔体中的能量要比穿过腔体壁进入其中的 能量多得多，因此可以合理假设腔体壁的电导率足够高而只考虑耦合 的能量。 图5 含孔阵矩形机壳的波导等效电路 西安电子科技大学 分析屏蔽效能的传输线方法 图5表示含孔矩形机壳的波导等效电路，等效源阻抗 等于孔 阵阻抗 和空间波阻抗 （ ）的并联， 为等效源电压，即有： （3） 矩

10、形腔等效为短路的波导，它的特性阻抗和传播常数分别为 和 。因孔阵在腔体表面轴对称，电磁波在矩形腔体里激起以TE10 为主的传输模式， ； 。在观测点P的 输入阻抗和电压分别为： （4） 0 Z377 0 Z 1 Z ah Z 1 V )/( )/( 001 001 ahah ahah ZZZVV ZZZZZ )tan()/(1 )tan( )sin()/()cos( 1 1 2 1 1 2 pkZZj pkjZZ Z pkZZjpk V V gg gg ggg g Z g K 2 00 )2/(1/aZZg 2 00 )2/(1akkg 西安电子科技大学 分析屏蔽效能的传输线方法 观测点P处向

11、右看去的短路波导段的等效阻抗为： （5） 从而可得观测点P处的电压和电流为： （6） 如果没有矩形屏蔽腔，P点的负载阻抗为 ，则P点的电压 ， 电流 ，因此电屏蔽效能为： （7） 磁屏蔽效能为： （8） )(tan 3 pdKjZZ gg )/( )/( 211 3232 ZZVI ZZZVV p p 0 Z 2/ 0 VV p )2/( 00 ZVI p ppe VVS/lg20 ppm IIS/lg20 西安电子科技大学 含圆形孔阵矩形机壳屏蔽效能的传输线法分析 小圆孔阵导纳 图6表示无限大金属平板上周期性二维孔阵的两种几何结构。对于垂直入射平面波， 无限大薄金属平板上的小孔阵相当于与TE

12、M模传输线并联的一个电感性电纳。假设孔 阵没有电阻性损耗且圆孔直径d小于孔间距 ，当 ， 和d远小于波长时，图6所示的两 种结构的归一化并联导纳近似为： （9） 式中： 和 分别为自由空间的波长和本征导纳， 和 分别是水平和垂直孔间距 3 0 0 3 d dd j Y Y vhah h d v d 0 0 Y h d v d 图6 无限大金属平板上孔阵二维结构图 西安电子科技大学 含圆形孔阵矩形机壳及其等效电路 图7表示暴露于平面电磁波中，加装印刷电路板的含 圆形孔阵矩形机壳及其等效电路模型。矩形金属机壳除含 孔的一个面以外，其余部分以一段终端短路的波导建模. 阻抗 作为连接自由空间和波导的模

13、型。 图7 平面电磁波垂直照射加装PCB的含圆形孔阵矩形机壳及其等效电路 ahah YZ/1 西安电子科技大学 PCB等效建模 PCB引起的电磁波抑制能够用一块厚度近似等于 PCB厚度t且完全填充波导横截面的电介质近似表示。如 果介质块的有效相对介电常数为 ，有效电导率为 ，那 么对于矩形机壳内部介质块加装区域中传播的TE10模， 其传播特性为 (10) 式中 , , ，且 , , , 分别 是频率，自由空间中的波长、特性阻抗和介电常数。 r 2 0 2 0 ) 2 (1 ) 2 (1 / a kk a Z Z g r g r k20 r 0 0 2 f j rr f 0 0 Z 0 西安电子

14、科技大学 加装印刷电路板含圆形孔阵矩形机壳屏蔽效能表达式 依据图7等效电路和戴维南定律，孔阵处的等效电压源及其阻抗为 （11） (由传输线理论知，介质板左端处的电压及阻抗可表示为： (12) 同理可知介质板右端处的电压及阻抗可表示为： (13) )/( )/( 001 001 ahah ahah ZZZVV ZZZZZ )sin()/()cos( )tan()/(1 )tan( 1 1 1 1 rkZZjrk V V rkZZj rkjZZ Z ggg r gg gg r tkZZj tkjZZ Z tkZZjtk V V ggr ggr tr ggrg r tr tan)/(1 tan si

15、n)/(cos 西安电子科技大学 加装印刷电路板含圆形孔阵矩形机壳屏蔽效能表达式 PCB右侧，观测点P处的等效电压源阻抗和电压为： (14) 观测点P处向右看去的短路波导段的等效阻抗为： (15) 从而可得观测点P处的电压为： (16) 如果没有矩形屏蔽机壳，那么平面电磁波在自由空间传播，从而观测点P处的负载 阻抗为 ，电压 ，因此电场屏蔽效能为： (17) )(sin)/()(cos )(tan)/(1 )(tan 2 2 trpkZZjtrpk V V trpkZZj trpkjZZ Z ggtrg tr ggtr ggtr )(tan 3 pcKjZZ gg )/( 3232 ZZZVV

16、p p ppe V V VVS 2 lg20/lg20 0 0 Z 2/ 0 VV p 西安电子科技大学 加装印刷电路板含圆形孔阵矩形机壳屏蔽效能计算结果及分析 方法验证及比较 电场极化方向对屏蔽效能的影响 孔径大小对屏蔽效能的影响 孔阵排列夹角对屏蔽效能的影响 孔间距大小对屏蔽效能的影响 PCB厚度对屏蔽效能的影响 含方孔阵矩形机壳屏蔽效能的等效计算 西安电子科技大学 方法验证及比较 依据本文提出的波导等效电路模 型，及电场屏蔽效能解析表达式（17）， 编程计算屏蔽效能是本文方法。CST仿 真意味着基于相同模型和参数，采用通 用专业软件CST的仿真结果。图8表示 观测点处，采用本文方法和CS

17、T仿真的 电场屏蔽效能，以及文献【35】（没有 加装PCB，即空机壳）的结果。从图8 可以看出，本文方法与CST仿真结果良 好吻合。当机壳没有加装PCB时，本文 提出的等效电路模型及电场屏蔽效能解 析表达式就可以简化为文献【35】的结 果。可见本文提出的等效电路模型及电 场屏蔽效能解析表达式是有效的 图8 不同方法屏蔽效能的比较 西安电子科技大学 电场极化方向对屏蔽效能的影响 图9表示入射波电场极化 方向与屏蔽效能的关系。 这里取电场强度与孔阵宽 度w之间的夹角为 ，电场 极化方向与孔阵长度方向 平行（ ）时的机壳屏 蔽效能，同电场极化方向 与孔阵长度方向垂直 （ ）时的机壳屏蔽效 能比较，前

18、者显著优于后 者。 图 9 极化方向与屏蔽效能的关系曲线 90 0 西安电子科技大学 孔径大小对屏蔽效能的影响 图10表示不同孔径大 小与屏蔽效能的关系。 结果显示出：孔直径 越小，屏蔽效能越高， 屏蔽效果越好。 图 10 不同孔径大小的屏蔽效能比较 西安电子科技大学 孔阵排列夹角对屏蔽效能的影响 图11描绘孔正交排列 与交错排列（见图6） 时，含圆孔阵矩形金 属机壳的屏蔽效能比 较。从图11中可以看 出，孔交错夹角越小， 屏蔽效果越差。在其 他条件相同的情况下， 正交排列孔阵的屏蔽 效果优于交错排列孔 阵的屏蔽效果 图11 孔交错排列与正交排列的比较 西安电子科技大学 孔间距大小对屏蔽效能的

19、影响 图12描绘孔阵正交排列， 水平方向孔间距 和竖直 方向孔间距 相同， 即 ，保持每个小圆孔 直径不变，孔阵中孔的个 数也不变。仅仅改变孔间 距（孔间距分别为28mm、 20mm和12mm），从而 孔阵面积 变化时的屏蔽效能。 结果显示出：圆孔阵的孔 间距越大，屏蔽效能越高， 屏蔽效果越好。 图12 不同孔间距的屏蔽效能比较 h d v d vh dd lw 西安电子科技大学 PCB厚度对屏蔽效能的影响 PCB厚度对腔体屏蔽 效能的影响如图13所 示，从图13中可以看 出，PCB厚度对谐振 频率有所影响，谐振 频率随PCB厚度的增 加而降低，也就是 PCB越厚，谐振频率 越低。 图13 不

20、同厚度PCB的屏蔽效能比较 西安电子科技大学 含方孔阵矩形机壳屏蔽效能的等效计算 该方法也可以用于计算含 方孔阵矩形机壳的屏蔽效 能，方孔可以等效为相应 的外接圆，即 。平面 电磁波垂直孔阵面入射到 含方形孔阵矩形金属机壳 上，频率范围 是 。如图14 所示，在低于600MHz范 围内，CST仿真与本文方 法非常吻合。 图14 方孔阵与等效外接圆孔阵屏蔽效能的 比较 s dd2 MHzMHzf1000100 西安电子科技大学 结论 电场极化方向与孔阵长度方向平行，同电场极化方向与孔 阵长度方向垂直比较，前者屏蔽效能显著优于后者； 孔直径越小，屏蔽效能越高，屏蔽效果越好；所考虑的频 率范围内，加

21、装PCB（有耗介质块）可以显著提高机壳的 屏蔽效能； 正交排列孔阵的屏蔽效果优于交错排列孔阵的屏蔽效果； 保持孔阵中孔数目不变，孔间距越大，屏蔽效能越高； PCB厚度对谐振频率有所影响，谐振频率随PCB厚度的增 加而降低，也就是PCB越厚，谐振频率越低。 另外，在所考虑的频率范围内，此方法还可以用于计算方 孔阵的屏蔽效能。 西安电子科技大学 含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能的传输线法分析 矩形孔阵阻抗 含矩形孔阵矩形机壳等效电路模型 含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能表达式 含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能计算结果及 分析 西安电子科技大学 矩形孔阵阻抗 矩形孔缝的特性阻抗Z0s为： (18) 式中： ，这里h为

22、屏蔽体的厚度。当 (适用范围)时有： (19) 单个矩形孔缝阻抗为： (20) )/( )/( 120 0 bwK bwK Z e e s 1 4 2 4 2 2 0 )/(11 )/(11 2ln120 bw bw Z e e s )/4ln(1)4/5(hwhwwe 2/bwe ) 2 tan( 2 1 0 0 lK Z a l jZ sa 西安电子科技大学 矩形孔阵阻抗 J.D.Turner等人在研究屏蔽体同一面上，具有一 定的隔距、相同形状轴对称孔阵得出：孔阵阻抗 等于单个孔阻抗之和，圆孔阻抗与面积相同的正 方形阻抗相等。那么具有一定隔距、相同形状轴 对称孔阵的阻抗计算就可以转化为单孔

23、阻抗的计 算。因此，矩形孔阵阻抗为： （21） ) 2 tan( 2 1 0 0 lK Z a l njnZZ sab 西安电子科技大学 含矩形孔阵矩形机壳等效电路模型 图15表示暴露于平面电磁波中，加装印刷电路板的含矩形 孔阵矩形机壳及其等效电路模型。将含矩形孔缝的矩形金 属机壳前面板等效表示为两端短路的共面传输线，矩形金 属机壳除含孔阵的一个面以外，其余部分以一段终端短路 的波导建模 .阻抗Zb作为连接自由空间和波导的模型。 图15 平面电磁波垂直照射加装PCB的含矩形孔阵矩形机壳及其等效电路 西安电子科技大学 加装印刷电路板含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能表达式 依据图7等效电路和戴维南定律，

24、孔阵处的等效电压源及其阻抗为 （22） (由传输线理论知，介质板左端处的电压及阻抗可表示为： (23) 同理可知介质板右端处的电压及阻抗可表示为： (24) )sin()/()cos( )tan()/(1 )tan( 1 1 1 1 rkZZjrk V V rkZZj rkjZZ Z ggg r gg gg r tkZZj tkjZZ Z tkZZjtk V V ggr ggr tr ggrg r tr tan)/(1 tan sin)/(cos )/( )/( 001 001 bb bb ZZZVV ZZZZZ 西安电子科技大学 加装印刷电路板含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能表达式 PCB右侧，观

25、测点P处的等效电压源阻抗和电压为： (25) 观测点P处向右看去的短路波导段的等效阻抗为： (26) 从而可得观测点P处的电压为： (27) 如果没有矩形屏蔽机壳，那么平面电磁波在自由空间传播，从而观测点P处的负载 阻抗为 ，电压 ，因此电场屏蔽效能为： (28) )(sin)/()(cos )(tan)/(1 )(tan 2 2 trpkZZjtrpk V V trpkZZj trpkjZZ Z ggtrg tr ggtr ggtr )(tan 3 pcKjZZ gg )/( 3232 ZZZVVp p ppe V V VVS 2 lg20/lg20 0 0 Z 2/ 0 VV p 西安电子

26、科技大学 加装印刷电路板含矩形孔阵矩形机壳屏蔽效能计算结果及分析 方法验证及比较 电场极化方向对屏蔽效能的影响 矩形孔缝大小对屏蔽效能的影响 屏蔽体厚度对屏蔽效能的影响 相同面积的矩形孔缝，长宽比l/w对屏蔽效 能的影响 相同面积的单孔与孔阵对屏蔽效能的影响 西安电子科技大学 方法验证及比较 依据本文提出的波导等效电路 模型，及电场屏蔽效能解析表 达式（28），编程计算屏蔽效 能是本文方法。XFDTD仿真意 味着基于相同模型和参数，采 用通用专业软件XFDTD的仿真 结果。图16表示观测点处，采 用本文方法和XFDTD仿真的电 场屏蔽效能。从图16可以看出， 本文方法与XFDTD仿真结果良 好

27、吻合。可见本文提出的等效 电路模型及电场屏蔽效能解析 表达式是有效的。 图16 不同方法屏蔽效能的比较 西安电子科技大学 电场极化方向对屏蔽效能的影响 图17表示入射波电场极化 方向与屏蔽效能的关系。 这里取电场强度与孔缝宽 度w之间的夹角为 ，电场 极化方向与孔阵长度方向 平行（ ）时的机壳 屏蔽效能，同电场极化方 向与孔阵长度方向垂直 （ ）时的机壳屏蔽 效能比较，前者显著优于 后者。 图 17 极化方向与屏蔽效能的关系曲线 90 0 西安电子科技大学 矩形孔缝大小对屏蔽效能的影响 相同的屏蔽体上分别开3 个 和 的矩形孔阵，在腔体中心 处计算的电屏蔽效能曲线 如下图所示。图18表示不 同

28、孔径大小与屏蔽效能的 关系。结果显示出：孔缝 越大，耦合进入系统的能 量越多，在相同频率下屏 蔽效能越低；同时共振区 域变宽。 图 18 不同孔缝大小的屏蔽效能比较 mmmm10160mmmm5100 西安电子科技大学 屏蔽体厚度对屏蔽效能的影响 大小相同，屏蔽体厚度h 分别为2mm、1mm和 0.1mm的矩形屏蔽体，在 腔体中心处计算的电屏蔽 效能曲线如右图所示。图 19描绘不同厚度矩形金属 机壳的屏蔽效能比较。从 图19中可以看出，屏蔽体 壁越厚，透射进屏蔽体内 的电磁能量越少，屏蔽效 能就越高。 图19 不同厚度屏蔽体的屏蔽效能比较 西安电子科技大学 相同面积的矩形孔缝，长宽比l/w对屏蔽效能的影响 相同的屏蔽体上分别开有面积 同为1600mm的矩形孔，长宽 比l/w分别等于1、4以及16的三 种取值。在腔体中心处计算的 电屏蔽