高频状态下的圆孔屏蔽效能经验公式★

卢 伟，王俊元

（中北大学 机械工程与自动化学院， 山西太原 030051）

0 引言

随着国家电力的负担越来越大，电力设备的安全问题就越显得突出，用电子装置对电力设备热点的监测就显得尤其重要。但是电力设备周围充斥的感应电磁，干扰了电子设备的正常运行，因此电子设备必须具有良好的抗干扰能力。为确保这些设备在工作时不会受到外界电磁场的干扰，同时不对该环境中其他设备造成不允许的电磁干扰，必须对电子设备进行电磁屏蔽，对设备外壳的电磁屏蔽性能提出了很高的要求。在设备的外壳的材料选择为冷轧钢以后，屏蔽效能明显提高。但是电子设备的外壳上不可避免的存在为了散热、通风、操作等实际需要所设置的孔缝，成为电子设备屏蔽效能下降的一个主要原因。因此，研究孔洞直径的大小对电子设备的屏蔽效能的影响就显得格外重要。

1 孔洞对金属屏蔽外壳效能的影响

带孔洞的金属外壳内侧的总的传输系数T总应为金属导体本身的穿透传输系数T1与孔洞的传输系数Tnh之和，即T总=T1+Tnh，考虑孔洞影响后的屏蔽体得屏蔽效能式（1）为：

对于磁场，在低频时，屏蔽体总的传输系数取决于金属板本身的传输系数，而在高频时，则决定于孔洞的穿透传输系数，因而对磁场的屏蔽效能随着频率的增加而增加。

2 电磁屏蔽体设计要求

一般的电子设备外壳可以选择轻便的塑料外壳或者合金外壳，但此处由于处在感应磁场中，所以电磁屏蔽体应采用高导电率的良导体制作。根据实际的电子设备外壳的材料的选择，此处选择屏蔽体材料为冷轧钢，该种材料在实际工程中比较常用，其具有屏蔽效能大、抗腐蚀能力等优点。电磁屏蔽体的厚度，从理论上讲，屏蔽材料越厚越好，但是，对于工程而言，只要屏蔽材料的厚度是需要屏蔽的屏蔽进入材料厚度的1.5倍就够了，此处选择的频率应该为比较的典型的高频频率，所以此处频率选择为1.5 GHz，μr、σr为冷轧钢相对铜的磁导率和电导率分别为μr=180、σr=0.17。所以频率进入材料的厚度（4）为：所以屏蔽材料的厚度可选为10 mm。考虑到工程需要，设计一般的电子设备的壳体结构图如图1，体积为100×100×100 mm3。

图1 金属屏蔽外壳结构图

3 对孔洞屏蔽效果的仿真

为了被屏蔽对象(设备、单元电路和元器件等)能够接受外界的信号，必须在屏蔽体上开设孔洞,电磁能量经导线孔洞泄漏进入腔体，这是使屏蔽效能下降的一个重要原因。

1)影响屏蔽体的屏蔽效能的结构因素

孔洞泄漏与多种因素有关，如场源的特性、离开场源的距离、电磁场的频率、孔洞面积和孔洞形状等，此处我们研究高频状态下孔径和屏蔽效能的关系。

2) ANSYS屏蔽效能仿真

在周围的环境中，高频电磁波的屏蔽成为非常重要的问题，所以在建立单层金属板模型时，选取取厚度d=10 mm，电磁激励频率f=1.5 GHz，在金属壳体板上有单圆孔，并且孔洞面积逐渐增大，屏蔽体的电磁屏蔽仿真图如图2-5所示。

图2 壁厚为10 mm，无孔洞时电磁波矢量图

图3 壁厚10 mm，孔半径2 mm电磁波矢量图

图4 壁厚为10 mm，孔半径为4 mm 电磁波矢量图

图5 壁厚为10 mm，孔半径为10 mm电磁波矢量图

由ansys仿真图经计算得出在孔洞半径8 mm时屏蔽效能随频率变化图如图6所示。半径随屏蔽效能的关系图如图7所示。

图6 随频率变化的屏蔽效能图

图7 圆洞直径递增屏蔽效能

由上面的图表曲线可拟合成公式为：

SE=92-60lgR。

由理论屏蔽效能公式得知，在高频时，屏蔽效能计算公式为：

结合本工程所建立的模型，S=πR2，屏蔽板面积等于A=100×100 m2=10 000 m2。

带入上式化简得出屏蔽效SE=93-60lgR。绘制成图如图8所示。

由图可以看出，实际仿真结果符合理论公式要求。由相对误差公式值，如表1所示。

图8 屏蔽效能比较图

表1 孔洞屏蔽效能误差值

从表1中可以看出，仿真得出的数据和理论值相差不大，基本符合要求。

可以看出，在频率为1 500 MHz的电磁波下，圆孔的直径从1 mm增大到16 mm时，屏蔽效能逐渐降低，屏蔽效能逐渐减小。由实际的工程需求，屏蔽体内的电子设备工作要求，屏蔽效能达到中级屏蔽效能30 dB以上就可以满足一般屏蔽要求，所以小孔的半径在10 mm以下就能满足要求。并由此得出该屏蔽效能经验公式为：SE=93-60lgR。

4 结论

通过ANSYS建立模型，分析出在高频时，实体屏蔽中材料的厚度和种类已经不是电磁屏蔽效能提高的主要问题，当选择孔洞为小圆形孔时，应当尽量减小孔洞的面积来减小电磁泄漏，提高屏蔽体的屏蔽效能。并由实际仿真的结果得出经验公式符合理论公式SE=93-60lgR。当孔洞的半径在10 mm以下时，屏蔽效能达到30 dB以上，满足实际工程要求的屏蔽效能要求。

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