基于场仿真的方舱电磁屏蔽设计

王屹炜 张海涛 于东旭 张洪伟

（江苏省南京市中电莱斯信息系统有限公司 江苏省南京市 210007）

随着战场上电子对抗技术的不断发展，对作战设备的抗电磁干扰能力提出了越来越严格的要求。提高作战设备的抗电磁干扰能力，就是最大程度上减少干扰源对敏感设备的电磁耦合，这里的干扰源包括方舱外部的电磁辐射以及方舱内部电子设备的电磁能量泄露。抑制电磁干扰的主要方式是接地和电磁屏蔽[1]。其中电磁屏蔽的方法能够有效解决大部分的空间电磁干扰问题。方舱以其良好的机动能力、快速的作战反应能力已经成为现代武器装备的重要组成部分。电磁仿真分析软件可以计算屏蔽体内厂的分布和屏蔽效能，为前期屏蔽方案的制定和后期电磁屏蔽检测提供指导依据。[2]

1 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽技术就是利用金属屏蔽材料将干扰源和敏感设备之间的辐射耦合途径隔离开，当电磁场对金属屏蔽体进行透射的时候，一部分电磁波被反射回去，一部分电磁波被吸收，剩下的才透射进屏蔽体内部。电磁波的反射，本质是媒质分界面上的平面波反射现象，反射的大小与分界面处空气的波阻有关[3]。辐射源的特性、辐射源的波长以及辐射源与空间某点d0的距离共同决定了该点的波阻大小。如果金属屏蔽材料是理想导体，则入射的磁场将完全被抵消。实际情况中，导体总是有电阻，部分电能被金属吸收转化成了热能，磁场因此被衰减。良导体材料可以对高频磁场起到很好衰减作用。电磁波场强振幅衰减到表面场强1/e 的深度称为趋肤深度，用δ 来表示。其中f 是电磁波的频率，μ 是金属屏蔽体的磁导率，σ是金属屏蔽体的电导率。

设电磁波在金属屏蔽板中的传播距离为t，则电磁场在板中的场强分布与传播距离的关系为。[3]在高频磁场中，金属屏蔽板通过吸收与反射两种方式对场强进行衰减，可得到屏蔽效果Ar如下式所示。[4]可见理想情况下的屏蔽效果与金属的电导率及磁导率有关，且在低频时金属屏蔽体的材料特性是影响方舱屏蔽效果的主要因素；而在高频区，方舱结构设计是影响屏蔽效果的主要因素。

2 电磁仿真分析

图1：HFSS 仿真模型

图2：不同开窗孔径对屏蔽效能的影响

图3：不同的开窗形式

图4：不同长度的缝隙

目前方舱一般采用“内外连续”的双层屏蔽结构，而大阪的双层结构在方舱舱门、采光窗、转接壁盒等地方均需开孔处理，这些局部的电不连续面会影响方舱的电磁屏蔽效能。在方舱设计阶段利用电磁场仿真软件对结构进行前仿真，并通过仿真结果去调整结构设计，能够极大的提高方舱电磁兼容设计的效率。按照国军标要求，方舱内外空间电磁波的信号强度应该相差40dB 以上，为了满足上述要求，在方舱的窗户、活动门、活动窗、通风窗等部位的缝隙处必须增加屏蔽金属条。但是方舱作为任务平台，承载的载荷是多样的，其中通讯设备系统不可避免具有舱内舱外两部分，舱外设备起到接收发射作用，舱内设备起到信号处理作用，舱内与舱外之间一般通过信号线进行连接。以外舱内外之间通过在舱壁开窗的方式进行连接，这种方式好处在于简单便于维护且不容易出错，缺点在于开窗面积一定大于线缆总横截面积，存在电磁泄露的风险。目前主流的是使用转接孔口方式实现方舱内外电源、信号的互联互通。转接孔口是在舱壁上预埋两头都是连接器的连接器底座，舱内和舱外均通过专用连接器连接到底座上。通过转接孔口的形式能够提高方舱整体的屏蔽性能，减少舱内电子设备对外的空间信号辐射，减弱外部空间电磁波对舱内设备工作的影响。连接器的屏蔽效果都是经过专业测试的，可以认为不存在电磁泄露的可能。因此转接孔口本身的形式很大程度上决定了方舱整体的电磁屏蔽性能。同时需要注意的是，舱外的空间辐射源信号一般为高频信号，此时舱体材料对屏蔽性能的影响较弱，孔缝本身的尺寸及形式主导了舱体的屏蔽能力。

为了定量的描述电磁屏蔽的效果，引入电场屏蔽效能SEe 和磁场屏蔽效能SEm，其定义如式所示[5]。其中的Eo 和Es 分别代表空间某点屏蔽前后的电场强度；Ho 和Hs 分别代表空间某点屏蔽前后的磁场强度。[6]

转接孔口接合处的缝隙直径Dr以及间距Dn均会影响波阻，工程中常利用式进行螺钉间距的估计。[7]对宽带内信号的屏蔽效果的分析，需要利用电磁仿真软件进行场仿真，从而在机械结构设计之前，发现并解决电磁兼容问题[8]。

本文建立的模型如图1所示，为了简化计算复杂度同时控制变量，模型为长宽高均为200mm 的机箱，壁厚10mm，在机箱顶部设置了一个直径Dr的缝隙，厚度同样为10mm。机箱的材质选为钢。仿真频段选用GJB6785-2009 中包含的0.1GHz 至1.2GHz 之间。将Dr分别设为20mm、40mm、60mm，边界条件设为辐射条件，辐射边界尺寸为四分之一波长。激励选用平面电磁波，幅值为1V/m，入射方向沿Z 的负半轴方向，电场极化方向与Y 轴垂直。

仿真所得到的屏蔽效能如图2所示。从中可以发现，开孔的直径对方舱屏蔽性能有直接影响，随着开孔直径的增大，箱体的电场屏蔽效能SE 逐渐下降，而箱体本身的谐振点不受孔径的变化影响。

转接孔口接合缝隙可以有圆形、矩形、方形多种形式，如图3所示，在HFSS 软件中将开孔面积均设为706mm2。

平面波垂直极化情况下，在缝隙面积相同时，矩形孔的屏蔽效果优于方形孔大于圆形孔。在0.6GHz 频点处矩形孔的屏蔽性能比圆形孔高13dB 左右；平面波水平极化时，相同缝隙尺寸条件下，方形的屏蔽效果最好，矩形的效果最差，在0.6GHz 频点处方形孔的屏蔽性能比矩形孔高10dB 左右；由此可以看出，在辐射源极化方向确定的情况下，缝隙的平面最大线性尺寸不能与极化方向垂直。实际情况下空间中的电磁波极化方向不会唯一，因此理想情况下应保证转接壁盒的平面线性尺寸在各方向均较小，从而提高整体的屏蔽效能。

方舱在转接壁盒处不可避免会用到矩形的形式，以往矩形的长度受线径尺寸及接插件布局的影响，往往忽略了屏蔽性能的分析。现在HFSS 软件中建立模型如图4所示。通过改变缝隙的长度来研究缝隙长度对屏蔽效能的影响。设置的缝隙长度从20mm 至80mm，间隔10mm。通过前仿真可以发现，缝隙越长屏蔽性能越差。当电磁波在空间传播中遇到带有缝隙的金属屏蔽体时，将在金属体表面产生感应电流。

在感应电流周围又会产生感应电磁场，该电磁场的方向与空间电磁波的方向相反，理想情况下，在单位面积内的磁通量由于感应电磁场的存在反而减少了。但是缝隙的存在破坏了这种理想情况，金属的导电结构与完整的金属体不同，导致起到反向抑制作用的感应电磁场作用减弱，透射过缝隙的电磁波在金属层的另一面形成电压差，电压差的存在导致磁场能量的泄露。

3 结论

电磁场仿真能够在设计阶段提高方舱的电磁屏蔽效能。本文从电磁屏蔽的理论出发，利用HFSS 软件通过有限元法对转接壁盒处不同缝隙形状、大小、缝隙长度等参数进行场仿真，通过屏蔽效能定量分析其屏蔽效果。通过对开窗尺寸的仿真可以发现，船舱壁盒上的开窗尺寸越大，电磁泄漏就愈大，因此因尽量用多个小面积开窗形式代替单个大面积开窗结构；通过对开窗形状的仿真可以发现，为了保证开窗在垂直于电场极化方向上有较小线性尺寸，应当尽量开圆孔及方孔，少开矩形孔；通过对缝隙长度的仿真可以发现，应当用多个连续短缝隙替代整段长缝隙。为了提高方舱整体的屏蔽效能，必须在方舱设计之初结合有效的电磁场仿真手段，才能适应日益复杂的战场电磁环境，保证舱内电子设备的高效运行。