船用电子设备VHF频段屏蔽结构设计与仿真研究＊

金华标 魏柳新 杨 伟 赵海鸥 喻方平

（武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063）

0 引 言

随着船舶电气自动化的程度的提高，仅在驾驶台这样一个狭小的空间内就分布各种船舶通信、导航、监测，以及控制等设备，电子设备间的电磁干扰越来越严重.文献［1］规定船舶电子设备必须满足电磁兼容性要求.船舶甚高频（very high frequency，VHF）通信设备是重要的船用电子设备，而且是易受到干扰的敏感设备.为此，IEC－60945《海上导航和无线电通信设备及系统一般要求、试验方法和要求的试验结果》中船用设备外壳端口辐射骚扰限值对其工作频段156～165MHz提出了更高要求［2］.

为了满足上述规范要求，本文提出了一种新型的VHF频段屏蔽装置进行船舶VHF的电磁兼容性设计.现行的技术手段主要是从VHF通信设备本身入手，提高其抗干扰能力，但前提是能够预先确定干扰瞬时频率的参数化模型，否则当干扰与参数模型失配时将不能有效抑制干扰.由于船舶电子设备的电磁环境非常复杂，精确的干扰瞬时频率参数化模型很难获取，因此这种方法具有一定的局限性［3－4］.本文提出从耦合途径入手，降低处于同一环境的其他船用设备的辐射骚扰水平，在干扰耦合的过程中进行VHF干扰的屏蔽滤除，因此不需要精确的干扰瞬时频率参数化模型，具有更强的适用性.

1 屏蔽材料的作用机理

电磁屏蔽理论［5］认为，电磁波传播到屏蔽材料表面时，通常通过3种不同机理进行衰减.

1）吸收损耗 电磁波在屏蔽材料中传播时，会在屏蔽材料中产生涡流，涡流会产生反磁场抵消原干扰磁场，同时产生热损耗.由涡流引起的这部分损耗称为吸收损耗.

2）反射损耗 由于空间阻抗和屏蔽材料的固有阻抗不匹配，当电磁波入射到屏蔽材料表面时，会发生反射，从而减弱进入屏蔽材料的电磁能量.由反射引起的这部分损耗称为反射损耗.

3）多重反射损耗 由于透射波通过内部衰减后，又碰到屏蔽层的另一侧，在这个侧面上又进行反射和透射，反射波再次通过内部，如此进行多次的反复反射，使能量迅速衰减.

这样总的衰减就包括这三部分之和，即

式中：SER为反射损耗；SEA为吸收损耗；SEM为多次反射损耗.

其中：μr为材料的相对于真空的磁导率；σr为材料相对于理想铜的电导率；f为电磁波的频率；t为屏蔽层厚度；δ为趋肤深度，δ＝（πfμσ）－1／2（μ，σ分别为材料的磁导率和电导率）.

2 屏蔽装置的结构设计

国内外已经开展了相关屏蔽理论和技术的研究，Wang等［6］设计了适用于大面积建筑的同心环结构的EMI屏蔽结构，卢俊等［7－8］研究了圆环单元，以及Y环单元的结构参数对频率选择表面频率响应特性的影响，舒楠等［9－10］提出了一种新型小型化频率选择表面，即在方环单元的内部空间中增加曲折线长度来增加谐振长度.在此基础上，本文提出了一种新型的VHF频段屏蔽装置进行船舶电子设备VHF的电磁兼容性设计，并利用三维电磁仿真软件CST进行建模仿真.

在CST中VHF屏蔽装置模型的三维视图见图1.

图1 VHF屏蔽装置模型三维视图

图1 中，基板由尺寸为250mm×250mm×0.2mm的FR4材料构成，相对介电常数为4.5，基板表面涂覆导电材料，白色圆环和深黑色方环是由导电材料构成，厚度为0.01mm，圆环半径为r（mm），方环的边长为d（mm），假设基板左下角坐标为（0，0），则圆心坐标为（62.5，62.5），方环中心坐标为（125，125）.

试验中使用1V／m的平面波激励.参考实际中屏蔽效能的测量，在软件中试验装置模拟布局间图2.激励源为无限远处的平面波，探针距离屏蔽装置表面中心为20mm.

图2 测试布局

3 影响因素仿真分析

3.1 圆环r的影响

图3为方环边长d＝240mm，导电材料电导率σ＝5.8×107S／m，相对磁导率μr＝1时，屏蔽装置有效屏蔽频段和屏蔽效能随圆环半径r的变化规律.从图中可以看出，随着圆环半径r的增加，屏蔽装置有效屏蔽频段，以及屏蔽效能都没有明显变化.

图3 屏蔽效能随r变化示意图

3.2 方环边长d的影响

图4 为圆环半径r＝50mm，导电材料电导率σ＝5.8×107S／m，相对磁导率μr＝1时，屏蔽装置有效屏蔽频段和屏蔽效能随方环边长d的变化规律.从图中可以看出，随着方环边长d的增加，屏蔽装置有效屏蔽频段降低，屏蔽效能随之增大.

图4 屏蔽效能随d变化示意图

3.3 电导率的影响

图5 为方环边长d＝240mm，圆环半径r＝50mm，导电材料相对磁导率μr＝400时，屏蔽装置有效屏蔽频段和屏蔽效能随电导率的变化规律.从图中可以看出，随着电导率的增大，屏蔽装置有效屏蔽频段并没有明显改变，当电导率σ＝5×106S／m时，屏蔽效能达到最大.

图5 屏蔽效能随σ变化示意图

3.4 相对磁导率μr的影响

图6 为方环边长d＝240mm，圆环半径r＝50mm，导电材料电导率σ＝2×106S／m时，屏蔽装置有效屏蔽频段和屏蔽效能随相对磁导率μr的变化规律.从图中可以看出，随着相对磁导率μr的增加，屏蔽装置有效屏蔽频段并没有明显改变，当相对磁导率μr＝2 000时，屏蔽效能达到最大.

图6 屏蔽效能随μr变化示意图

4 屏蔽装置优化设计

根据上述结论，电导率以及相对磁导率改变，屏蔽装置有效屏蔽频段并没有明显改变，且实际中对导电材料的电导率和相对磁导率进行精确控制难度较大，而Cu原料易得、应用广泛、加工简单，电磁参数稳定，因此选择Cu作为导电材料.在此基础上，通过改变方环边长及圆环半径大小使其有效屏蔽频段在目标频段156～165MHz.最后，通过大量仿真试验，设计了一种满足船用电子设备VHF频段特殊要求的屏蔽装置，其各参数为d＝245mm，r＝59mm，导电材料为Cu.图7为该屏蔽装置的屏蔽效能曲线.

5 结束语

研究表明，屏蔽装置的结构参数对屏蔽效果的影响大于电磁参数的影响，方环边长是影响屏蔽效果的主要因素，圆环半径，材料的电导率及相对磁导率是次要因素.

根据所得结论，利用三维电磁仿真软件CST进行优化，设计了圆环半径r＝59mm，方环边长d＝245mm，屏蔽体厚度t＝0.01mm，使用FR4基Cu材料的屏蔽装置.该装置屏蔽效果良好，在160.245Hz处的屏蔽效能为31.158dB.

图7 d＝245mm，r＝59mm，材料为Cu时的屏蔽效能

［1］IMO.Solas consolidated edition 2009［S］.ISBN 978－92－801－1505－5.

［2］BSI.BS EN60945－2002Maritime navigation and radio communication equipment and systems General requirement Methods of testing and required test results［S］.ISBN 0－580－40645－8.

［3］CHOI J W，CHO N I.Narrow－band interference suppression in direct sequence spread spectrum systems using a lattice iir notch filter［J］.IEEE International Conference on Acoustics Speech ＆Signal Processing，2001，4（4B）：2237－2240.

［4］朱海明.船载VHF通信系统抗干扰方案探讨［J］.无线电通信技术，2004（6）：55－58.

［5］何金良.电磁兼容概论［M］.北京：科学出版社，2010.

［6］WANG L B，SEE K Y，SALAM B，et al.Tri－band frequency selective band－stop shield using screen printing technique［C］.Electromagnetic Compatibility（APEMC），2012Asia－Pacific Symposium on IEEE，2012：661－664.

［7］卢 俊，陈新邑，汪剑波.圆环单元FSS对吸波材料特性的影响研究［J］.物理学报，2008，57（11）：7200－7203.

［8］李小秋，高劲松.Y环单元FSS结构参数对频率特性的影响［J］.光学精密工程，2006，14（6）：1070－1075.

［9］舒 楠，张 厚，李圭源，等.基于曲折线单元的小型化频率选择表面［J］.探测与控制学报，2010，32：87－89.

［10］张朝发，李焕喜，吕明云.吸波材料与FSS复合的隐身技术研究进展［J］.材料导报，2007（1）：55－58.