精选：基于HFSS的孔阵机壳近场屏蔽效能分析

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摘 要:机载电子设备之间的间距很小, 而且通常有用于散热的功能性孔阵, 容易造成电磁泄漏 , 必须进行近场屏蔽效能分析.对比分析了采用有限元法的 H FSS 和传输线法计算孔阵近场屏蔽效能的结果, 理论分析和计算结果均表明, 传输线法不适合用于近场屏蔽效能计算.基于 HF SS 仿真分析, 研究了相关参数对近场屏效的影响规律,提出了提高近场屏效的设计方法.

关键词:孔阵;屏蔽效能;近场

电磁屏蔽是抑制辐射干扰的有效手段 ,是电磁兼容性技术中的一项重要内容.电子设备通常难以做到连续密封屏蔽, 机壳上既有用于散热、观察、过电缆等的功能性孔阵, 也存在被动形成的接缝.而孔阵往往是造成屏蔽体电磁泄漏的重要途径之一[ 1] .

机载设备舱空间一般十分紧凑 ,为了集成复杂电子系统,设备之间的间距很小 ,导致辐射源很接近屏蔽体 ,而且安装环境恶劣 ,大功率设备机壳上常带有用于散热的孔阵 ,容易造成电磁干扰.所以研究有孔阵腔体的近场电磁屏蔽效能具有重要的理论意义和应用价值[ 2] .

屏蔽效能(shielding effectiv eness , SE)表示屏蔽体对电磁波衰减程度, 其定义为同一点没有屏蔽时的场强幅度 E0 和屏蔽体存在的场强幅度 E1 之比,以分贝表示 :

机壳的屏蔽效能受到材料特性、厚度、形状, 机壳上孔缝的形状、尺寸、数量, 机壳内部的模块印制板,以及辐射源的频率、入射角和极化形式等的显著影响.

当前工程中对孔阵机壳的屏蔽效能计算除实验测试外 ,主要有基于平面波理论的传输线解析计算法和数值法两种[ 3] .常用的数值方法主要有矩量法 (M OM)、时域传输线矩阵法(T LM)、时域有限差分法(FDTD)及有限元法(FEM).

传输线法概念清晰 ,计算方便快捷,能清楚表示出各种参数对屏蔽性能的影响.而电磁场的有限元法是目前研究比较多的计算方法 ,应用范围广, 适合分析各种复杂机构 ,配合现代高速、大存储量的计算机 ,能够方便得到较为精确的结果.ANSOFT 公司的 H FSS 软件基于 FEM 进行电磁场仿真分析, 是业界公认的三维电磁场设计分析的标准软件 .本文采用 H FSS 仿真, 计算分析主要参数对近场屏蔽的影响.

2.1 孔阵计算模型

机箱材料为铝,外形尺寸为 200 mm ×100 mm × 100 m m ,壁厚为 2 mm , 其中一个面中心有孔径为 16 mm 、规格为 3 ×2 的孔阵 ,模型暂不考虑其他接缝问题 .在机箱外部设一个偶极子天线,作为近场辐射源 ,取机箱内部点 P(100 mm , 50 m m ,50 mm)作为屏蔽效能测试点 ,以电场屏蔽效能为研究对象 .当辐射频率小于 1 GH z 时, 模型均处于辐射源近场范围内.模型及孔阵如图 1 、图 2 所示 .

2 .2 传输线法

Robinson 提出的基于波导理论和传输线法的修正孔阵屏蔽效能算法, 由于计算简便, 能清楚表示出各种参数对屏蔽性能的影响 ,且与采用远场屏蔽效能测试标准获得的测试数据吻合良好, 所以广泛用于孔阵屏蔽效能分析 .

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 TEM 模传输线并联的一个电感性电纳[ 4] .假设孔阵没有电阻性损耗,孔间距 d1 , d2 远小于波长 ,孔直径 d 小于孔间距, 则孔直径 d 远小于波长,孔阵结构归一化并联导纳近似为

式中 ,λ0和Y 0 分别为自由空间的波长和本征导纳d1 和 d2 分别为水平和垂直孔间距 .

如图 1 所示矩形机壳 ,除含孔阵一面外, 其余部分以终端短路的波导表示.波导的特性阻抗和传播常数分别为 Z g 和 kg , 对于矩形金属机壳中传播的TE10 模 ,

式中 ,k0 是自由空间的传播常数 .入射波以电压 V0 和自由空间本征阻抗 Z0 ≈377 Ψ表示.

阻抗 Z ah =1/Y ah 作为连接自由空间和波导的模型.根据阻抗比的概念,图 2 所示孔阵居中的有效机壳孔阵阻抗为

根据等效电路和戴维南定律, 孔阵处的等效电压源及其阻抗为

 运用传输线理论 ,测试点 P 电压为：

式中 ,p 为屏蔽体与测试点之间的距离 , c 为屏蔽机壳的深度.在没有屏蔽时, P 点的阻抗为 Z 0 , 电压 V′P =V0 /2 .所以, 机壳的电场屏蔽效能为

2 .3 屏蔽效能比较

采用相同的模型, 传输线法计算的屏蔽效能和根据 H FSS 计算辐射天线距离屏蔽体 20 mm 处的近场屏蔽效能如图 3 所示.

   根据 HFSS 计算的结果, 在频率为 600 M Hz 左右时,出现了屏蔽效能极大值,这是通过机壳孔阵进入屏蔽体内的电磁场在测试点发生了反向叠加相消导致.而传输线法计算出的屏蔽效能不但没有出现这种现象,并且一般比 H FSS 计算出近场屏蔽效能要高 ,差别最大处达到 30 dB 以上 .这种计算误差的程度已不能被接受 .

由于传输线法基于平面波理论 ,计算必须满足 2 个条件:

1)场分量 Eθ和 H  正交.

2)两个场分量之比是媒质的本征阻抗,

通常,只有当测试点距离辐射源的距离达到 3 个波长以上才能满足这 2 个条件[ 5] .而在辐射源的近场,场分量复杂 ,耦合情况难以用理论公式表示, 但近似为:

其中 r 为测试点到天线中心的距离 .

传输线法从理论上忽略了近场辐射场强度随距离变化的因素 , 而且也不考虑辐射源类型和近场孔阵耦合对屏蔽效能的影响 ,因此传输线法只能适合计算远场屏蔽 ,而采用 FEM 的 HFSS 成为计算近场屏蔽有效手段之一.

本节分析辐射源与机壳的距离、孔间距、孔径和孔类型等参数对近场屏蔽的影响 .

3 .1 辐射源与机壳的距离对近场屏蔽效能的影响

图 4 为辐射天线到机壳孔阵面的距离分别为20 ,50 ,80 mm ,在 100 M Hz ～ 1 GH z 的屏蔽效能 .由图可得 ,由于天线类型和孔阵耦合的影响, 屏蔽效能有一个极大值 ,并随着辐射天线与机壳距离的增加,电磁场相位差发生改变,极大值对应的相消频率随之减少 ;在辐射天线到机壳距离一定时,过了相消频率后,屏蔽效能随频率的增加而减少 ;随着辐射天线与机壳距离的增加, 屏蔽效能总体趋势是随之增加,相消频率是逐渐降低的.

图 5 为频率为 1 GH z 时 ,屏蔽效能随辐射天线距离变化的曲线 .随着距离的增加 ,屏蔽效能逐渐上升,但是上升的趋势逐渐变缓 ,产生上述现象的主要原因如式(12)所示:入射的电磁波电场强度 Eθ 正比于 1/r3 .

3 .2 孔间距对近场屏蔽效能的影响

辐射天线到机壳孔阵面的距离是 50 mm , 图 6为在 500 M H z 和 1 GH z 时 ,屏蔽效能随孔距 d1 变化曲线图.图 7 为在 500 M H z 和 1 GH z 时 ,屏蔽效能随孔距 d2 变化曲线图.

从图 6 和图 7 可知 ,随着孔距增加,机壳近场屏蔽效能逐渐增加.屏蔽效能随孔距 d1 变化的幅度不大 ,而 d2 与天线的极化方向平行, 对屏蔽效能影响较大,在频率较低时尤为明显.

3 .3 孔径对近场屏蔽效能的影响

分析孔径尺寸变化时近场屏蔽效能的变化 .保证孔边距 d2 -d =d1 -d =2 mm 不变 ,天线距离机壳 50 m m 条件下 ,图 8 为 500 M H z 和 1 GH z 屏蔽效能随孔径 d 变化曲线图.

从图 8 可知, 随着孔径增加 ,2 种频率对应的机壳近场屏蔽效能都逐渐减少 ,而且减少的幅度较大,但是减少的趋势变缓慢 .增加孔径可以有效增加机壳散热通风的横截面积, 应通过分析计算找到满足屏蔽和散热设计需求的最优尺寸.

3 .4 孔类型对近场屏蔽效能的影响

对比分析工程中常用的圆孔孔阵和正方形孔阵,进行近场屏蔽效能仿真分析.保持孔距不变 , 频率扫描范围为 100 M Hz ～ 1 GH z ,图 9 为辐射天线距离机壳 50 mm , 圆孔、内接方孔和等面积方孔孔阵近场屏蔽效能对比.图 10 为辐射天线距离机壳 80 mm ,上述 3 种孔阵近场屏蔽效能对比.

从图 9 、图 10 可知 :当频率小于相消频率时, 受到天线类型及孔阵耦合影响, 2 种方孔孔阵的屏蔽效能比圆孔孔阵高;大于该频率后 ,内接方孔孔阵与圆孔孔阵相差很小 ,其最大差值不超过 1 dB , 因为圆孔和内接方孔内最远两点的距离相同, 均为圆孔直径 ,根据缝隙天线相关理论 ,辐射电场强度与孔内最远两点距离(方孔对角线)有关 ,故两者的屏蔽效能区别很小;等面积方孔阵 ,由于对角线大于圆孔直径 ,屏蔽效能要低 1 dB 左右 .

由于机壳的散热性能与孔阵总的散热通风面积有关,保持总面积不变 , 模型采用 3 ×2 孔阵、6 ×4 孔阵、9 ×6 孔阵三种规格的屏蔽体进行仿真分析.孔孔边距 d2 -d =d1 -d =2 mm 不变 ,频率扫描范围为 100 M Hz ～ 1 GH z .图 11 为3 种规格近场屏蔽效能随频率变化曲线图 .

保持孔阵总面积不变的情况下, 增大孔阵规模,即减少了单个孔的孔径 .如图 11 所示 , 随着孔阵规模的增大,屏蔽效能也随之增加 ,增加的趋势比较明显 .

辐射场会在屏蔽机壳上产生感应电流 .感应电流产生的反射场可以抵消辐射场, 从而实现屏蔽效果 .为了使屏蔽体达到良好的抵消效果,感应电流必须无阻碍地流动, 而屏蔽体上的缝隙会打断感应电流的流动,减少屏蔽效能.垂直于感应电流方向的缝隙宽度对屏蔽效能影响很大 ,如图 12 所示 ,带箭头线条即表示感应电流及其流动方向 .对于圆孔,缝隙宽度就是孔直径.当用许多个小孔代替 1 个大孔 ,散热作用与大孔相差不大,但是对感应电流的干扰很小,如图 13 所示 ,因此减小了开孔引起的屏蔽效能.

通过对孔阵腔体近场屏蔽计算分析可知 : 

1)由于近场场分量复杂 ,基于平面波理论的传输线法不适合用于近场屏蔽计算;

2)辐射源与屏蔽体之间的距离对近场屏蔽效能有很大影响, 因此在条件允许时 ,机载设备之间安装距离应尽量增加以提高屏蔽效能 ;

3)面积相同时 ,一般情况下圆孔比方孔屏蔽效能高 1dB 左右 ,加工条件允许时, 应尽量选用圆孔孔阵 ;

4)孔阵的孔距增加时, 近场屏蔽效能随之增加,但幅度较小且受到机壳外形尺寸限制.孔径的影响较大,在不影响散热性能的基础上,提高近场屏蔽效能最有效的方法是减小孔径 ,增大孔阵规模 .