基于有限元法的孔缝结构矩形腔屏蔽效能数值仿真.docx

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基于有限元法的孔缝结构矩形腔屏蔽效能数值仿真

黄年龙，吴明赞，李竹

（南京理工大学自动化学院，南京210094）

随着电子技术的快速发展，复杂的电磁环境使得电磁干扰变得越来越严重［1］。

微弱信号检测电路中的任何导体都会像天线一样拾取电磁辐射噪声，电路中的有用信号越微弱，相对而言电磁辐射噪声的影响就越严重［2］。

研究屏蔽效能的理论方法有时域有限差分法［3］、传输线矩阵法［4］、矩量法［5］和有限元法［6-7］等。

本文从电磁屏蔽抑制干扰噪声的角度分析具有孔缝结构的屏蔽体的屏蔽效能。

使用有限元法对具有孔缝结构的屏蔽体进行建模，并对孔缝的尺寸、形状对屏蔽效能的影响以及屏蔽腔内不同位置处的屏蔽效能进行仿真研究。

1屏蔽效能

屏蔽是指用导电或导磁材料或既导电又导磁的材料制成屏蔽体，将电磁能量限制在一定的空间范围内从而抑制辐射干扰的一种方法［8］。

通常对强电磁干扰源进行屏蔽以抑制其电磁泄漏，同时使用屏蔽措施对比较敏感的电子、电气设备进行屏蔽保护以避免外部电磁干扰进入设备内部。

通过对电子设备进行电磁屏蔽能有效解决电磁干扰问题，但经常要考虑通风、散热以及屏蔽设备的制造工艺和安装等因素，这些因素会在屏蔽设备上会留下孔缝，使得屏蔽效果大为降低。

屏蔽体的屏蔽效果可以用屏蔽效能Es表示，屏蔽效能是指加屏蔽措施以后某一点的场强Ei和Hi与同一点未加屏蔽时的场强Et和Ht之比。

当以分贝为单位时，对电场Es=20lg（Ei/Et），对磁场Es=20lg（Hi/Ht）。

采用屏蔽效能计算屏蔽效果的好处是可以对多层屏蔽体的屏蔽效能进行简单相加得到总的屏蔽效能。

图1为电磁波通过屏蔽体的示意图。

图1电磁波通过屏蔽体示意图

2AnsoftHFSS中屏蔽效能仿真

2.1建立仿真模型

AnsoftHFSS采用有限元法求解电磁场问题，主要用于微波器件和微波天线的设计中，也可用于屏蔽室或机箱的屏蔽效能和谐振特性的仿真等。

本文使用AnsoftHFSS对微弱信号检测电路的屏蔽腔体进行屏蔽效能仿真。

图2为AnsoftHFSS中建立含孔缝结构的屏蔽体模型，金属屏蔽体的尺寸为20cm×20cm×12cm，屏蔽材料为厚度为0.05cm的理想导体，内置PCB板的尺寸为12cm×6cm，厚度为0.2cm。

在屏蔽体的正前方开一矩形孔缝，孔缝尺寸为10cm×1cm。

图2AnsoftHFSS中屏蔽体的仿真模型

2.2孔缝尺寸对屏蔽效能的影响

在AnsoftHFSS中设置孔缝宽度为1cm，长度分别为8cm、10cm和12cm，取屏蔽腔体的中心位置观察屏蔽效能值。

图3为孔缝长度变化时的屏蔽效能曲线。

从屏蔽效能曲线可以看出随着孔缝长度的增加，屏蔽效能值逐渐下降。

长度增加4cm，在0.1GHz～1GHz频率范围内，屏蔽效能值下降了10dB～25dB。

屏蔽腔体在1.05GHz附近发生共振现象，此时屏蔽体的屏蔽效能为负值，屏蔽效能急剧恶化，所以应尽量避免电子设备工作在此频率附近。

图4为孔缝长度为10cm时，宽度分别为1cm、2cm和3cm情况下在屏蔽腔体的中心位置观察到的屏蔽效能曲线。

从图中可以看出随着孔缝宽度的增加，屏蔽效能值逐渐下降，宽度增加2cm，在0.1GHz～1GHz频率范围内，屏蔽效能值下降了5dB～10dB。

所以在设计屏蔽体时，在机箱加盖处理的地方可以用金属物料对长缝隙进行填塞处理，阻断长缝隙以提高屏蔽效能。

图3孔缝长度变化对屏蔽效能的影响

图4孔缝宽度变化对屏蔽效能的影响

图5P1、P2、P33点位置示意图

2.3腔内不同位置处的屏蔽效能

在AnsoftHFSS中对腔体内不同位置处的屏蔽效能进行仿真研究。

设置孔缝宽度为1cm，长度为10cm，取Z轴上到孔缝距离分别为2cm、8cm和14cm的P1、P2、P33点进行屏蔽效能仿真。

图5为P1、P2、P33点到孔缝之间距离示意图。

图6为P1、P2、P33点的屏蔽效能曲线。

从仿真曲线可以看出，到孔缝距离越近，屏蔽效能值越小，屏蔽效果越差。

到孔缝距离越远，屏蔽效能值越大，屏蔽效果越好。

所以微弱信号检测电路以及敏感器件尽量放在远离孔缝的位置。

图6腔内不同位置处的屏蔽效能曲线

2.4孔缝形状对屏蔽效能的影响

屏蔽体在设计时需要考虑到通风、散热等因素，所以需要在屏蔽体上开孔缝。

在AnsoftHFSS中研究孔缝面积相同的情况下，形状分别为10cm×1cm的矩形缝隙、1cm×1cm的10个方孔、单个面积为1cm2的10个圆孔和单个面积为0.25cm2的40个小圆孔的不同情形下的屏蔽效能。

图7为总面积相同，不同形状孔洞的示意图。

图8为AnsoftHFSS中建立的含多排小孔屏蔽体模型。

图7总面积相同，不同形状孔洞的示意图

图8屏蔽体含多排小孔模型图

图9为单个面积1cm×1cm的10个方孔，方孔间距d分别为0.25cm、0.5cm和0.75cm时的屏蔽效能曲线。

比较图3中形状为10cm×1cm的矩形缝隙的屏蔽效能曲线，可以看出，将长的矩形缝隙分成十个间距为0.25cm的方孔时，在频率为0.1GHz～0.8GHz范围内，屏蔽效能值提高了8dB～13dB。

在频率为0.8GHz～1GHz范围内，屏蔽效能值提高了20dB以上。

从图9的屏蔽效能曲线可以看出，随着方孔间距的增大，屏蔽效能值逐渐下降。

通过进一步仿真显示，将面积为1cm2的圆孔代替方孔时，屏蔽效能会得到进一步的提高。

所以将多个圆孔代替面积相同的矩形缝隙可以使得屏蔽效能得到显著提高，且圆孔之间的间距不应过大，随着间距的增大，屏蔽效能会下降。

图9方孔间距不同时的屏蔽效能曲线

图10为单个面积为0.25cm2的40个小圆孔，间距d分别为0.05cm、0.1cm和0.15cm时的屏蔽效能曲线。

从屏蔽效能曲线可以看出，采用多排小圆孔以后，屏蔽体的屏蔽效能较之前有很大的提高。

表1列出了以上几种情形的屏蔽效能数据。

多排小孔情形下间距d为0.15cm时的屏蔽效能值与方孔距离d为0.25cm时相比较，在0.1GHz～1GHz频率范围内屏蔽效能提高了10dB。

较之前采用矩形缝隙屏蔽效能在0.1GHz～0.8GHz频率范围内提高了20dB以上，在0.8GHz～1GHz范围内提高了35dB。

通过仿真得到在孔缝面积相等的情况下，采用多排小圆孔并且合理选取圆孔的间距可以显著提高屏蔽体的屏蔽效能。

图10圆孔间距不同时的屏蔽效能曲线

表1总面积相同，不同形状孔缝的屏蔽效能

3结束语

本文通过对含孔缝结构的矩形屏蔽腔体进行屏蔽效能仿真，得到屏蔽体内不同位置处的屏蔽效能以及孔缝的尺寸、形状对屏蔽效能影响的规律。

根据屏蔽效能仿真结果，提出增强屏蔽效能的相应措施，这些措施可以使得在产品设计的早期发现电磁兼容问题，并且可以低成本地对设计进行调整和修改。

通过仿真得到的结论有利于微弱信号检测电路和设备的合理布局，提高微弱信号检测设备的抗电磁干扰能力。

本文的不足之处是没有考虑内置PCB板产生的电磁辐射对微弱信号检测电路的影响，这部分还需要进一步进行深入分析。

［1］汪柳平，高攸纲.有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐振抑制研究［J］.电波科学学报，2008，23（3）:

560-564.

［2］王卫勋.微电流检测方法的研究［D］.西安:

西安理工大学机械与精密仪器工程学院，2007.

［3］焦超群，李琳，崔翔.计算含窗薄壁腔体屏蔽效能的时域有限差分法［J］.电波科学学报，2005，20（5）:

619-621.

［4］毛湘宇，杜平安，聂宝林.基于TLM的机箱孔缝电磁屏蔽效能数值分析［J］.系统仿真学报，2009，21（23）:

7493-7497.

［5］吴刚，张新刚，刘波.有孔矩形金属腔体屏蔽效能的估算［J］.强激光与粒子束，2011，23（3）:

743-747.

［6］安静，武俊峰，吴一辉.孔缝对内置电路板壳体屏蔽效能的影响［J］.微波学报，2011，27

（2）:

34-37.

［7］石峥，杜平安.孔阵结构近场屏蔽特性有限元数值仿真［J］.电子学报，2009，37（3）:

634-639.

［8］白旭东.AnsoftHFSS在电磁屏蔽设计中的应用［J］.无线电工程，2011，41（8）:

41-43.

-全文完-