基于HFSS在有孔矩形金属腔体中电磁屏蔽效能的应用

郭 超

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710071）

0 引言

近年来随着电子战的兴起，各种军用、民用电子设备成为电磁干扰的对象，而屏蔽腔体作为保护和隔离电磁干扰的设备，为适应通风、散热的需要，通常需要在腔体上开孔，破坏了腔体的完整性。因此，研究带孔金属屏蔽腔体的屏蔽效能是具有十分重要的意义。通过HFSS软件对孔缝电磁耦合的数值仿真，分析各种不同形状的孔对屏蔽体屏蔽效能的影响，使有孔金属屏蔽腔体抗电磁干扰的能力达到最大。

1 电磁屏蔽效能的计算方法

电磁屏蔽就是为了抑制电磁干扰，一般是通过隔断电磁能量在空间的传播路径来实现的。为了描述和定量分析屏蔽体的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能表示屏蔽体对电磁干扰的屏蔽能力和效果[1]。

屏蔽效能是指未加屏蔽腔体时某一点的场强E0和H0与在同一测试点加屏蔽腔体时的场强ES和HS的比值。

通常在工程上以dB 为单位，屏蔽效能的表达式为：

一般情况下，屏蔽腔体的屏蔽效能受到材料特性、厚度、形状、屏蔽体上孔缝的形状、尺寸、数量和排布方式，屏蔽体内部的模块印制板，以及干扰源的频率、入射角、干扰源到屏蔽体的距离和极化形式等显著影响[2-4]。

2 仿真结果及分析

本文以一个带孔的金属机壳作为研究对象来分析带孔金属屏蔽腔体的屏蔽效能，尺寸为a×b×d＝300mm×120mm×300mm。运用HFSS软件的仿真结果来讨论各种因素对有孔矩形屏蔽腔体屏蔽效能的影响，有孔矩形屏蔽腔体在HFSS 中建立的模型如图1 所示。

图1 屏蔽腔体在HFSS 中的模型

2.1 腔体厚度对屏蔽效能的影响

金属屏蔽腔体上孔缝的尺寸为l×w=150mm×20mm，矩形金属屏蔽腔体的壁厚分别为0.1mm、1mm 和2mm。观察点位于金属屏蔽腔体的中心即就是距离孔缝150mm 处。HFSS 软件仿真得出的结果如图2 所示。

从图2 可以看到，在大多数情况下，金属屏蔽腔体的厚度越厚，透射入金属屏蔽腔体的电磁能量越少，金属腔体的电磁屏蔽效能越大。但是在金属腔体厚度的有限范围内，金属腔体的厚度对屏蔽效能的影响是有限的。

图2 不同厚度的金属屏蔽腔体的屏蔽效能

2.2 腔体壁上孔缝的大小对屏蔽效能的影响

金属屏蔽腔上孔缝位于所开孔面的中心，其尺寸分别为l×w＝150mm×20mm（孔缝一）、l×w＝100mm×10mm（孔缝二）和l×w=50mm×5mm（孔缝三）。矩形金属屏蔽腔体的壁厚为1mm。观察点位于金属屏蔽腔体的中心即就是距离孔缝150mm 处。得到的屏蔽效能结果如图3所示。从图3 可以得到，腔体上孔缝越大，外界电磁能量耦合进腔体的能量就越多，在相同频率下屏蔽效能越低。

图3 不同的孔缝下屏蔽腔体的屏蔽效能

2.3 等面积不同形状的孔缝对屏蔽效能的影响

取孔缝的总面积为3000m2，屏蔽腔上孔缝位于所开孔面的中心，其尺寸分别为l×w=54.77mm×54.77mm（孔缝一）﹑l×w=75mm×40mm（孔缝二）和l×w=150mm×20mm（孔缝三）。观察点位于金属屏蔽腔体的中心即就是距离孔缝150mm 处。仿真得到的屏蔽效能曲线如图4 所示。

图4 等面积不同形状的孔缝对屏蔽效能的影响

从上图中可以得到，在腔体上孔缝面积相同的情况下，如果孔缝的长和宽的比值越小，耦合进屏蔽腔体内的电磁能量越少，其屏蔽效能越好。当孔缝为正方形时，一般情况下屏蔽效能最好。所以在屏蔽腔体上一般开孔时，通常使用正方形孔缝，使屏蔽效能达到最大。

2.4 相同面积下孔缝数量对屏蔽效能的影响

取孔缝的总面积为900mm2，孔缝的尺寸分别为30mm×30mm 的单孔﹑单孔面积为10mm×10mm 的3×3 孔阵以及单孔面积为6mm×6mm的5×5 的孔阵。孔或者孔阵的中心位于所开孔面的中心。观察点位于金属屏蔽腔体的中心。得到的屏蔽效能曲线如图5 所示。

图5 孔阵数量对屏蔽腔体屏蔽效能的影响

从图5 可以得到，在孔缝面积相同的条件下，通常情况下在屏蔽腔体上开孔阵要比开单孔的屏蔽效能要好，而且孔阵的数量越多，其屏蔽效能越高。因此在屏蔽腔体上面开孔时尽量开数量较多的孔阵，使屏蔽腔体的屏蔽效能尽量达到最优的效果。

2.5 腔体大小对屏蔽效能的影响

屏蔽腔上孔缝位于所开孔面的中心，其尺寸分别为l×w＝50mm×5mm，屏蔽腔体的壁厚为2mm。屏蔽腔体的尺寸大小分别为a×b×d=480mm×120mm×480mm（腔体一）﹑a×b×d=300mm×120mm×300mm（腔体二）和a×b×d=100mm×120mm×100mm（腔体三）。观察点位于屏蔽腔体的中心得到的屏蔽效能曲线如图6 所示。

图6 屏蔽腔体大小不同时的屏蔽效能

从图6 以得到，在0.2G-1.0G 频率范围内，腔体一出现了三次谐振现象；腔体二发生一次谐振现象；根据腔体谐振频率计算公式[5]

其中c 为光速，a,b,d 分别为矩形屏蔽腔体的长宽高，m,n,p 为分别为沿腔体的三个方向的驻波半波束。由于该矩形金属屏蔽腔体的主传输模式为TE10，所以由公式（3）计算可得，在0.2G-1.0G 频率范围内，腔体一在442MHz（TE101）、699MHz(TE201)和988MHz（TE301）出现三次谐振现象；腔体二在707MHz（TE101）出现了一次谐振现象；通过计算，腔体三在2.12GHz（TE101）出现谐振现象，所以在下图观察不到腔体三出现谐振现象。通过图6 可以看到，计算的结果和仿真出来的结果很接近。由此可见，当屏蔽腔体越小时，腔体出现谐振的谐振频率越高。

3 结束语

通过运用HFSS 分析了影响金属屏蔽腔体屏蔽效能的因素，可以得出：对于单孔来说，屏蔽腔体越厚，孔缝的尺寸越小，屏蔽效能越高；屏蔽腔体越小，屏蔽腔体的谐振频率越高；在开孔面积一定的条件下，应尽量多开孔阵，并且所开孔形状越接近正方形，其屏蔽效能越好。通过HFSS 仿真得出的结论对于指导屏蔽体的设计以及电路和器件的合理布局有着重要的意义。

［1］崔杨.矩形金属腔体屏蔽效能分析[D].西安：西安电子科技大学，2011.

［2］Rodolf Araneo，Giampiero Lovat.An efficient MoM formulation for the evaluation of the shielding effectiveness of rectangular enclosures with thin and thick apertures[J].IEEE transactions on Electromagnetic Compatibility，2008，50(2)：294-304.

［3］何林涛.基于HFSS 的孔阵机壳近场屏蔽效能分析[J].工程设计学报，2011，18(4)：255-259.

［4］Antonio Ciccomancini Scogna，Martin Schauer.EMC simulation of complex PCB inside a metallic enclosure and shielding effectiveness analysis[C]//18thInt.Zurich symposium on Electromagnetic Compatibility.Munich：2007：91-94.

［5］邹澎，周晓萍.电磁兼容原理、技术和应用[M].清华大学出版社，2007.