网格金属结构屏蔽电磁辐射效果

杨林峰,丁星星,王培培,杨子合,张景昌

(中原工学院理学院,河南郑州 450007)

网格金属结构屏蔽电磁辐射效果

杨林峰,丁星星,王培培,杨子合,张景昌

(中原工学院理学院,河南郑州 450007)

网格金属结构经常替代金属板进行电磁辐射的屏蔽和防护,利用电磁场理论和数值计算技术从理论和数值模拟2个方面对金属网格结构的屏蔽效果进行了深入研究.研究结果表明:金属网格结构具有优良的远场屏蔽效果,对于距离小于网格中2金属线间距的近场区域,电磁辐射的屏蔽质量较差.透过金属网格结构的电磁辐射在平行于金属网格的方向周期振荡,同时在垂直金属网格平面的方向快速衰减.该研究结果对电磁辐射的屏蔽和防护设计及屏蔽材料的选择具有理论指导意义.

电磁辐射;电磁屏蔽;网格金属结构

电磁辐射屏蔽技术是电磁兼容的一个重要组成部分,是抑制电磁辐射干扰的最有效手段.屏蔽就是用导电导磁材料制成的壳、板、套、筒等形状的屏蔽体,将电磁能限制在一定空间范围[1-3].考虑到使用金属板材屏蔽体的高昂的成本、必须承受的质量、加工工艺的难度等,在屏蔽要求不十分精密的情况下,常常应用金属栅极或金属网格替代金属板进行电磁屏蔽.下面我们研究金属网格的电磁屏蔽质量、它们和金属板材的差异、及其在什么条件下它们能够达到金属板材的屏蔽效果.

1 理论推导

电磁辐射的屏蔽过程是激励-响应的动态过程,直接的理论推导将非常复杂.因此,反过来计算带电屏蔽体所激励的电磁辐射,探讨该电磁场与导体板激发的电磁场的差异,再由电磁辐射定解的唯一性定理得到屏蔽体的屏蔽特性[4].根据电磁场的叠加原理,只需研究屏蔽体的1个侧面的屏蔽性质,而封闭屏蔽装置的屏蔽结果可由几个侧面的屏蔽叠加而得到.

设导体网格边长为a的正方形,屏蔽体外侧不存在自由电荷,则金属网格平面上方空间任一点满足自由空间的拉普拉斯方程作变换,因此Fm,n(z)有下列形式的解因此,导体网格平面激发的电势V将按照特征距离z0作指数式的下降,对于第一谐波(m=1,n=0或m=0,n=1),每当z增加1个栅间距a时,波幅将下降1个因子e-2π,高次谐波随z离开栅极时将下降得更快,远离栅极的电磁场是均匀场,因此我们下面的数值计算将集中在电磁辐射的低频谐波.

2 数值计算

图1 金属栅极上方横向电场的变化关系Fig.1 Variation of E x(y)versus position x

利用上述方法,就可以用数值方法精确地计算金属网格平面上方近场和远场情况下低频电场随空间位置的变化关系,从而得到金属栅极电场屏蔽的性质[5].在金属栅极上方的等高位置,即z为定值的平面上,分别计算了远场(较大的z值)和近场(较小的z值)的横向Ex与Ey以及纵向电场Ez随空间位置x,y的变化规律,计算结果如图1、图2所示.

在近场区域中,存在横向的电场强度Ex,Ey随空间位置的振荡.以周期a随x,y振荡.横向电场Ex,Ey随离金属栅极的距离更快地衰减到0,在距离为一个金属棒间距时,此时的横向电场只是纵向场强的0.3%,和纵向电场此时的波纹度相当.远场时横向电场可以忽略,从宏观上分析,这正是对称性的结果.

图2 金属栅极上方纵向电场的变化关系Fig.2 Variation of Ez versus position x

近场区域中,纵向电场Ez随x,y做周期振荡,振荡周期为栅极杆间距a,振荡幅度占平均场强E0的比例随z的增加而逐渐减少:z=0.3a时占30%,z=0.6时占5%,z=1.0a时占0.3%,z=2.0a时,几乎没有振荡成分,成为匀强电场,效果和金属板相同.

图3 金属栅极上方的电场分布Fig.3 Electric field over metal lattice

同时为了研究网格平面上方一给定点的电场强度随距离平面高度不同的变化关系,笔者还计算了固定x,y不变时纵向电场随变量z的变化规律.如图3所示:为了进行比较,选择y=0时,x=0,x=0.1a, x=0.2a,x=0.3a和x=0.4a5个典型位置,分别计算了Ex(y),Ez随变量z的变化曲线.从图3可以看出,对于不同的(x,y)的固定值,近场区域中Ex(y),Ez展现出了丰富的变化特征,但随着z的增加,Ex(y)逐渐衰减收敛于0,而Ez逐渐收敛于一匀强场,此极限匀强场正好等于大金属平板产生的电场.

图4 金属网格平面上面的电场分布Fig.4 Electric field over metal lattice

3 结论

金属网格平面的电场(图4),在近场区域(za)时电场的响应规律与大金属平板的响应规律相同,有与金属平板相当的电学性质,具有良好的电场屏蔽效果.

由电场的线性叠加原理可知,金属网格电极具有和金属板相似的性质,屏蔽设计中最好采用多层网格电极,一方面提高了屏蔽层次、另一方面更保证了使屏蔽对象处于远场区域,可大大提高电磁屏蔽质量:对于层间距为a的三层网格屏蔽体,近场z=0.3a的波纹度从30%降低为10.7%,较远场z= 1.0a的波纹度从0.3%降低为0.092%,远场的屏蔽效果会更好.

[1]刘尚合.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社,1999.

[2]米切尔·麦迪圭安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍,魏东兴,译.北京:机械工业出版社,2002.

[3]CLA YTON R P.Introduction to Electromagnetic Compatibility[M].John Wiley&Sons Inc Publication,2006.

[4]R P FEYNMAN,R B LEIGH TON,M SANDS.The Feynman Lectures on Physics[M].Vo lumeⅡ.Pearson Education Inc Publication,1989.

[5]D M SULL IVAN.Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method[M].New Yo rk:IEEE Press,2000.

Investigation on Results of Electromagnetic Radiation Shielding W ith Metal Lattice

YANGLin-feng,DING Xing-xing,WANG Pei-pei,YANG Zi-he,ZHANGJing-chang
(School of Science,Zhongyuan University of Techno logy,Zhengzhou 450007,China)

The metal lattices are used to rep lace the conducto r cover to screen electromagnetic radiation in actual life.The electromagnetic radiation shielding resultsof metal lattice by using electromagnetic field theo ry and numerical calculation method have been investigated.Our results showed that themetal lattice had great shielding effects in the far field zone but would show oscillations and damp s in the close field zone w hose distance was less than that of metal bars.The results could be used as the guide in electromagnetic radiation shielding design and screening material choosing

electromagnetic radiation;electromagnetic shielding;metal lattice

O 441

A

1000-1565(2010)05-0504-04

2010-01-20

国家自然科学基金资助项目(50977093;51077134)

杨林峰(1963—),男,河南平顶山人,中原工学院教授,博士,主要从事静电防护技术与凝聚态物理的研究.

(责任编辑:梁俊红)