Ansoft HFSS在电磁屏蔽设计中的应用

白旭东

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

随着电子技术的迅速发展,电子设备内部的元器件和功率密度不断增加,再加上各种内外干扰源,使得电子设备的应用电磁环境变得极为恶劣。如何控制和消除电磁干扰成为电磁兼容领域研究的中心课题。对于电子设备的信息辐射泄漏或外部辐射的电磁干扰,屏蔽技术是最有效的一种手段[1]。同时,因为通风、散热等要求,系统的孔缝不可避免。通过对孔缝电磁耦合的数值仿真,计算屏蔽体内场的分布,有利于指导电路和器件的合理布局,使敏感器件避开场的峰值区域,提高电子设备的抗干扰能力。Ansoft HFSS软件是基于有限元方法原理编制的,可用于对孔缝电磁耦合的数值仿真,计算屏蔽体内场的分布和屏蔽体的屏蔽效能。

1 电磁屏蔽效能

屏蔽是用导电或导磁材料,或是既导电又导磁的材料,制成各种形状的屏蔽体,将电磁能量限制在一定空间范围内从而有效抑制辐射干扰的一种方法。

1.1 屏蔽分类

由于辐射干扰在各个频段均可能发生,而各频段的屏蔽原理却各不相同,因而要先对屏蔽加以分类。对于不同场源,其电场分量和磁场分量总是同时存在的,只是在较低的频率范围内,干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量,低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时,干扰趋于远场,此时其电场分量和磁场分量均不可忽略。对于上述3种情况的屏蔽分别称为:电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。

1.2 屏蔽效能

屏蔽体的屏蔽性能用屏蔽效能度量,屏蔽效能是指未加屏蔽时某一测点的场强E0和H0与同一测点加屏蔽时的场强ES和HS之比,当以dB为单位时,屏蔽体屏蔽效能的数学表达式为:

屏蔽效能表征了屏蔽体对电磁波衰减程度,其关系如表1所示。

表1 屏蔽效能与场强衰减的关系

1.3 孔缝对屏蔽效能的影响

没有任何孔洞和缝隙的连续金属板具有很高的电磁屏蔽效能。电磁辐射对电子设备的干扰主要通过电子设备上的孔缝耦合进入机壳内部[2]。对孔洞而言,影响其电磁能量泄漏的因素很多,其中最主要的是孔洞的面积和形状。实验证明,对于某一个固定场源,电磁泄漏随孔洞面积增加而增加,孔洞面积相同的情况下,矩形孔泄漏大于圆形孔。关于缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响,可从缝隙对入射电磁波的屏蔽作用入手来分析。缝隙的屏蔽作用由两部分构成:①由于缝隙开口处的阻抗与自由空间的阻抗不同而造成的反射损耗;②当电磁波投入缝隙后,在缝隙内传输时产生的传输损耗。

电磁波照射到屏蔽机壳的孔缝,会发生电磁散射和透射现象。为表征孔缝对微波的耦合特性,定义电场屏蔽效能:

2 有限元原理

当前流行的电磁仿真软件种类比较多,主要有HFSS、FEKO、EMC2000、CST[3]。采用的计算方法主要是有限元法、矩量法,时域差分法,有限体积法,物理光学,一致性绕射理论,以及一些混合算法。HFSS软件由美国Ansoft公司研制,采用的主要算法是有限元法。

由麦克斯韦方程组中的旋度方程可以得出无源空间中电场的波动方程。有限元法引入一个包围该物体的虚构面,将无限的区域截断为有限的体积。应用变分原理,得到波动方程的泛函。加入边界条件和源项后,把四面体棱边元作为子域划分的基本离散单元,建立方程组,最终求解得到电磁场的数值解。

有限元法的基本思想是将一个连续域离散化为有限个单元,并通过有限个结点相连接的等效集合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身可以有不同形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来,一个有限元分析的问题中,未知场函数在各个结点上的数值就成为新的未知量,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量,就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值。从而得到整个求解域上的近似解。如果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解。文献[4]中详细介绍了有限元法的计算求解过程。

HFSS软件主要应用于微波器件和微波天线设计中,也可仿真机箱机柜的屏蔽效能、谐振特性和PCB系统的辐射特性。

3 实例分析

下面给出了一个用HFSS软件仿真电子设备孔缝耦合的实例。通过这个算例,可以了解HFSS软件在电磁屏蔽分析中的具体应用。

电子设备所处的电磁环境和自身结构都比较复杂,所以在建立模型时,需要把握主要电磁泄漏和结构特征建立合理的数学模型。为了提高设计效率,应用电磁仿真软件HFSS进行建模。仿真分析的过程可分为五个步骤:选择求解类型、建立三维模型、求解设置、运行计算、数据后处理。

3.1 求解类型的选择及模型的建立

HFSS软件有3种求解类型:模式驱动求解、终端驱动求解和本征模求解。模式驱动求解与终端驱动求解的区别在于S矩阵的表示形式不同,前者采用入射和反射能量的形式,而后者采用电压和电流的形式。该工程主要分析场,所以采用模式驱动求解的形式。

电子设备矩形金属机壳的尺寸为300mm×120 mm×300 mm,壁厚2mm,为理想导电体。PCB板的面积为120 mm×60 mm,厚度为3 mm,结构如图1所示。将PCB板放置在机壳内部,PCB板与XOY平面平行。以图1的方式建立坐标系,在机壳的XOY面开孔缝,孔缝尺寸为100 mm×10 mm,且孔缝中心位于壳体表面的中心。金属机壳按理想导体考虑,即不考虑电磁能量对腔体的直接穿透。设定入射波为平面波,沿缝隙面即Z轴负方向垂直入射。平面波电场强度为1 000(V/m),沿着Y轴正向极化。

图1 平面波入射开缝机壳模型

3.2 求解设置计算

启动HFSS软件求解器开始解算之前,要先求解设置。HFSS软件有3种求解算法:离散、快速和插入。离散可在频率范围内特定频率点上产生场解,快速为每一个小频率范围产生唯一的全场解,插入用来评估全部频率范围内的解。设置起始频率0.1 GHz,终止频率1 GHz,步长2.5,扫频方式设为离散。收敛的迭代次数为6次,计算精度0.02。迭代次数越多,计算越精确,占用计算机内存越大,计算时间越长。在满足计算精度条件下,选取适当次数即可。

3.3 数据后处理

求解结束后,要想获得电场屏蔽效能曲线,查看具体的电场分布以及电流分布等,就需要进行后处理。HFSS软件具有强大的后处理功能。完成对输出变量的设置后,如图2所示,系统会生成如图2虚线部分的电场屏蔽效能曲线。设置参数分析,改变孔缝的宽度值,来观察屏蔽机壳中心的屏蔽效能随宽度的变化情况。图2实线部分的电场屏蔽效能曲线是孔缝宽度设定为3 cm时得到的。分别设定频率为0.5 GHz、0.7 GHz,对机壳内电场分布进行比较,图3为显示结果。平面波入射到PCB板上,PCB板上的微带线会有感应电流产生,在0.55 GHz时电流密度分布图如图4所示。

图2 电场屏蔽效能曲线显示结果

图3 机壳内电场分布图

图4 0.55GHz PCB板微带线电流密度分布图

3.4 结果分析

图2表明随着频率的增加,外壳的屏蔽效能减小。因为越接近孔隙E场电平就越高,屏蔽效能随着离开孔隙的距离而增加。在PCB上的敏感电路应尽可能放置在远离孔隙的位置。外壳大约在0.7 GHz谐振,此时屏蔽效能是负的,即场得到加强,影响电子设备的正常工作,这是由于外壳对电磁波的反射造成的。图2还表明孔缝宽度由1 cm增加到3cm时,屏蔽效能下降约10 dB,孔缝宽度的改变对谐振频率的影响并不明显。图3可直观表明在外壳的谐振频点处.腔内场强显著增加,而在0.5 GHz处腔内场强微弱,屏蔽效能明显。图4表明平面波入射到PCB板上,PCB板上的微带线在0.55 GHz会有感应电流产生。

因此,适当改变孔缝的尺寸可以提高低频段屏蔽效能,对于机壳内的不同位置,应该根据实际情况,放置不同的元件或电子设备。敏感元件或设备既要离孔缝较远.还要考虑屏蔽体反射等因素。若反射比较大,则应适当远离屏蔽体。但是要尽力避免使电子设备工作在谐振频率附近。

4 结束语

上述实例的建模、分析及优化过程,完整的展现了利用Ansoft HFSS软件进行电子设备屏蔽效能分析的过程,为电子设备的电磁兼容仿真提供了参考。同时,也体现了在产品设计阶段利用现有电磁仿真软件对壳体的屏蔽效能和电磁特性进行分析的好处。可以在早期发现电磁兼容问题并低成本进行设计方案修改和选择,缩短产品研发周期。摆脱以往工程中更多依赖于对设备的电磁兼容测试来发现问题,或采用经验公式进行粗略估算的局限性。所以,对电子设备机壳进行电磁屏蔽仿真是提高系统电磁兼容性能的一种有效方法,是电子设备行业必然的趋势。

[1]韦斯顿.电磁兼容原理与应用[M].王守兰,杨自佑,译.北京:机械工业出版社,2006.

[2]刘 韬,章 蕾.孔缝对电磁屏蔽效能的影响[J].电子元器件应用,2010(7):90-92.

[3]肖卫东,潘 涵.国外电磁兼容仿真软件发展概述[J].装备环境工程,2010(2):55-60.

[4]曹善勇.Ansoft HFSS磁场分析与应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2010.