带孔缝窗的箱体屏蔽效能仿真研究

杨有维 代俊安 何挺 刘明星

【摘  要】屏蔽是抑制电磁干扰的有效方法之一，不仅对辐射干扰有良好的抑制效果，而且对包括静电干扰，容性耦合和感性耦合在内的传导干扰也具有明显的抑制效果，是实现电子设备的电磁兼容特性的重要手段之一。影响屏蔽体屏蔽效能的主要因素包括屏蔽体上的散热孔阵、缝隙和观测窗口，本文然后利用电磁仿真软件对具有一般特點的屏蔽箱体进行了建模和仿真计算，计算了屏蔽体谐振效应对屏蔽效能的影响，定量分析了屏蔽体散热孔阵、缝隙和观察窗口对屏蔽效能的比例关系，并计算了屏蔽效能随关键参数变化的规律。

【关键词】屏蔽箱体;全局屏蔽效能;谐振

ABSTRACT： Shielding is one of the efficient methods to suppress electromagnetic interference. As a key approach to achieve electromagnetic compatibility， it has obvious resistibility not only to the radiated interference， but also to the electronic statistic discharge， capacitive and inductive coupling. The main factors that affect the shielding effectiveness include cooling hole array， slot and the observation window on the shielding enclosure. In this paper， a shielding box with general characteristic was modeled in the electromagnetic simulation software. The resonance of the box and its effect were analyzed， and one key parameter of hole array， slot and window is analyzed quantitatively for its influence to the shielding effectiveness.

KEYWORDS：Shielding box; global shielding effectiveness （GSE）; resonance

引言

由于各种工业设施带来的电磁干扰日益严重，对电子产品的可靠性提出了更高的要求。箱体结构是核电厂电子设备的常见形式，箱体结构的设计不仅要提供必要的物理支撑、安全隔离和美观效果外，还常常起到电磁屏蔽体的作用。使用密闭结构件可以有效隔离恶劣的电磁环境，降低对电子元器件应用等级的要求，与此同时还具有良好的抗振动冲击能力，对于延长电子设备的使用寿命，降低故障发生率具有重要的作用。

屏蔽通常是指将电子产品或产品的一部分完全封闭的金属外壳。屏蔽一方面是为了防止产品外的电子电路或部分电子电路辐射发射到产品边缘外面，另一方面是为了仿真外部的辐射发射耦合到产品内部的电子电路。与此同时，对屏蔽体屏蔽效能的预测也变得越来越重要。

屏蔽体电磁屏蔽特性设计的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体应该是一个完整的、连续的导电体。完全密封的良导体无疑会起到良好的屏蔽作用，但实际中不可避免地存在为了通风散热和观测目的开的孔、洞，包括显示窗口、操作器件的开口、通风口等;结构件的设计必然会有活动面板，活动面板与其它部分之间形成了缝隙，结构件之间加工和装配也不可避免地存在缝隙。屏蔽体设计的重点就是在保证结构件美观、散热、可维护性的同时，尽量提高屏蔽体的屏蔽效能。

屏蔽体的屏蔽效能通常是由反射损耗、吸收损耗和再反射损耗三部分组成，电磁屏蔽的性能一般以屏蔽效能（SE：Shielding Effectiveness）度量，其定义为：在距源给定观测点，没有屏蔽体时的场强E1与有屏蔽体后的场强E2之比。

目前对于屏蔽等电磁兼容问题的方法主要包括以下几种方法：理论解析、数值仿真和试验测试。解析算法基于电磁场理论，对设备的几何模型、边界条件等进行简化和等效，经计算后得到近似解，但其适用条件比较苛刻，只适合模型比较简单的情况;数值仿真则线设置相应的边界和约束条件，将包含计算模型的空间划分为诸多计算网格，分别对每个网格内的电磁场进行精确计算，从而可以得到设备的电磁兼容特性;试验方法根据屏蔽效能的定义和各类标准定义的测试方法进行测试。

对屏蔽体屏蔽效能已经有大量的研究工作：Li Bin等采用了理论解析算法计算了相邻两个面带有散热孔阵的矩形腔体的屏蔽效能;H. Herlemann采用GTEM暗室测量了屏蔽效能;Li Min等基于时域有限差分法（FDTD）和试验方法得到了在拐角处存在缝隙屏蔽体的屏蔽效能;Robinson等采用理论方法计算了带缝屏蔽体的屏蔽效能;Zdenek. K等采用数值仿真（FEM）和试验方法对比了带孔屏蔽体的屏蔽效能;Krzysztofik等考虑了屏蔽体电磁谐振对屏蔽效能的影响。但同时定量地考虑屏蔽体各因素和变化规律的却鲜见报道。

本文基于仿真软件建立了包含孔、缝、窗口三种电不连续因素的矩形箱式屏蔽体，采用全局屏蔽效能抵消大量观测点的影响，采用特殊的模型设置方法计算了单个情况下的全局屏蔽效能，从而得到各个因素对屏蔽效能影响的大小，并对每个因素的关键参数进行了扫描，得到了单个因素情况下全局屏蔽效能对各自因素变化的规律，对电子设备机箱的设计具有一定的指导意义。

1.模型设置

本文分析的屏蔽体为长宽高为Lx×Ly×Lz矩形箱体结构，如图1（a）所示，整个屏蔽体造成电磁泄漏的地方主要有三处：第一处是箱体前面板上的通风散热孔阵，如图1（b）所示，第二处是前面板与箱体之间的缝隙，如图1（c）所示，第三处是箱体前面板用于显示或观测的窗口，如图1（d）所示。通风散热孔阵由两部分组成，前面板上为5行12列的孔阵，侧面板5行6列的孔阵，单个孔半径为r，孔的深度为壁厚度d，相邻两个孔的间距为D;前面板和侧面板与其他结构体之间形成了三条缝隙，缝隙宽度为w，为了保持导电连续性，缝隙处添加了尺寸为w×w，导电率为σ的压接材料;前面板上的观测窗口长宽分别为w1和w2，厚度与壁厚度相同，窗口材料的相对介电常数为，磁导率为。

在机柜仿真模型内部关注的位置放置大量探针，获取探针点位的场强，在仿真模型中入射波为1V/m的均匀平面波，根据屏蔽体内部探针位置场强直接得到箱体的屏蔽效能。机柜各部分的尺寸和材料参数设置如表1所示。

2.数值模拟与分析

影响屏蔽体的屏蔽效能的因素众多，与外部干扰源、内部观测点、屏蔽体的结构、电磁参数都有关系，这为描述屏蔽效能带来了较多变量。为了消除外部干扰源的影响，统一采用幅值为1V/m的均匀平面波，则观测到的各点的幅值（用dBV/m表示）的负值即对应屏蔽体的屏蔽效能;从理论上讲，屏蔽体内部观测点的个数是无穷的，为了消除观测点的影响，我们借鉴了全局屏蔽效能（Global Shielding Effectiveness， GSE）的评估方式，全局屏蔽效能采用对屏蔽体内大量观测点求平均的方式评估机柜整体的屏蔽效能，以电场为例，全局屏蔽效能的定义为：

2.1箱体谐振特性

屏蔽体的谐振特性会影响其屏蔽效能，一般而言，有屏蔽体时的场比没有时要弱，但是由于谐振特性的存在，在某些频点观测点的场甚至比没有屏蔽体时还要强，导致屏蔽效能为负。对于几何尺寸为Lx×Ly×Lz（单位m）的长方体或箱体，其谐振频率为

2.2总体屏蔽效能

本文中分别计算了四种情况下屏蔽体内的全局屏蔽效能：同时考虑孔阵、缝隙、窗口的影响;只考虑孔阵的影响;只考虑缝隙的影响;只考虑窗口的影响。当只考虑一种情况的影响时，其它影响因素则设置为理想导体。计算结果如图3所示，从图中可以看出：当孔阵、缝隙、窗口均存在时，箱体全局屏蔽效能的最小值只有约20 dB;而且由于箱体存在谐振，在一系列谐振频点上四种情况的屏蔽效能都被不同程度地削弱;在目前的参数配置下，只考虑孔阵的屏蔽效能与同时考虑孔阵、缝隙、窗口影响的结果最接近，说明此时由于孔阵导致的电磁泄漏是最大的，窗口次之，缝隙的电磁泄漏最小。

从图3可以看出，当孔阵、缝隙、窗口均存在时，在屏蔽体的谐振频率电，屏蔽效能明显降低，图中几个屏蔽效能突降的频点与前面谐振点的计算结果是一致的。

图4展示了在非谐振频点5 GHz和谐振频点9 GHz处屏蔽体内各观测点的屏蔽效能，图中的三维坐标对应着屏蔽体内观测点的位置，图中实心球的颜色代表了屏蔽效能的大小，从红色到蓝色由低到高，两幅图的屏蔽效能的相对大小不同。从图中可以看出，谐振频点处各点的屏蔽效能较非谐振频点弱很多，阈值范围从42 dB～78.4 dB降低到了15 dB～48 dB;与此同时，由于红色代表屏蔽效能低蓝色代表屏蔽效能高，在屏蔽體更“居中”的位置屏蔽效能更低，屏蔽效能与距离屏蔽体壁的距离存在着反比关系。

2.3通风散热孔的影响

出于实际原因，在很多情况下屏蔽体开孔是不可避免的，通常的原因是用于内部器件的散热。一般而言，多而小的孔更有利于提高屏蔽体的屏蔽效能，这里我们主要考虑散热孔半径对屏蔽效能的影响。

在观测的频率范围0 GHz到25 GHz内，通风散热孔的半径从0.2 mm增大到0.9 mm，步长为0.1 mm，图5展示了屏蔽体全局屏蔽效能的变化。从图中可以看出：随着孔径的增大，屏蔽体屏蔽效能急速降低，从四十多dB贝降低到了十几dB;与此同时，随着孔径的增大，屏蔽体的谐振特性也随之改变，品质因数的降低导致谐振点峰值的减弱，相对而言，整个频段的屏蔽效能曲线变得更加平滑。

2.4缝隙的影响

当电磁波入射到电子设备上时，在屏蔽体上将会感应出感应电流，若设备缝隙处不存在接缝，则感应电流在整个屏蔽体上是连续的，几乎所有的电磁波均被吸收和反射，显然，这样的机箱将提供很好的屏蔽，但由于设备结构及功能要求，不可避免地会产生导电不连续性，导致电磁耦合，降低了屏蔽体的屏蔽效能。为此，在屏蔽体缝隙处加入电磁屏蔽衬垫，尽量保持两个界面的导电连续性，能够有效地提高屏蔽体的屏蔽效能。

当有门板等存在时，门的四周不可避免地存在着缝隙，缝隙的作用类似于天线，即使缝隙很小，其产生的电磁辐射也可能相当大，缝隙的泄露程度通常用转移阻抗来衡量，转移阻抗越小，屏蔽效能越好。而金属压接的导电率与转移阻抗密切相关。

本文分析了缝隙材料不同导电率情况下屏蔽体全局屏蔽效能的变化，观测的频率范围0 GHz到25 GHz，缝隙材料的导电率从1到10000。

从图6中可以看出，随着缝隙材料导电率的增加，缝隙的转移阻抗随之减小，对应着屏蔽体屏蔽效能的增加。但在本文的情况中，由于缝隙的长度较短，故其导致的泄露不是减弱屏蔽体屏蔽效能的主要原因，即使缝隙的导电率降低到接近于零，屏蔽体依然保持了至少50dB的屏蔽效能。

2.5窗口的影响

有时为了方便观测屏蔽体内部的情况，在屏蔽体上开窗口是不可避免的，窗口的材料一般具有透光、平整的特点，而且一般是绝缘体。由于窗口材料的相对磁导率一般为1，故本文着重分析窗口材料介电常数的变化对屏蔽体屏蔽效能的影响，计算结果如图 所示，窗口材料的相对介电常数从1变化到5，观测频率范围从0 GHz到25 GHz。从图7中可以看出：在现有窗口介电常数的变化范围内，窗口的介电常数对屏蔽体的总体屏蔽效能几乎没有影响;屏蔽体的屏蔽效能只随着频率的增加而降低，在高频段降低到20～30 dB，这是因为窗口的存在类似于一个大的矩形波导，截止频率很低，高频信号很容易进入屏蔽体内部。

3.结论

本文对箱体的屏蔽效能进行了建模和仿真，箱体的屏蔽模型主要考虑了通风散热孔阵、缝隙和窗口三个因素，结合屏蔽体电磁谐振对屏蔽效能的影响，定量地计算了三个因素单独存在时的屏蔽效能，计算结果表明：在谐振点屏蔽体的屏蔽效能会大大减弱，与此同时，在本文给定的尺寸和电气参数下，散热孔阵造成的电磁泄漏时最主要的。对于散热孔阵而言，屏蔽效能与孔的半径成反比，在保证一定通风散热面积的情况下，一般会选择多而小的孔。缝隙的存在对于屏蔽体类似于天线，缝隙对于屏蔽体的屏蔽效能主要取决于缝隙的导电率，分析了屏蔽体全局屏蔽效能随缝隙导电率的变化。针对屏蔽体上的观测窗口，主要考虑了介电常数对屏蔽效能的影响，计算结果表明，窗口介电常数对全局屏蔽效能影响没有影响。

参考文献

[1] David A. Weston.电磁兼容原理与应用[M].杨自佑等译.北京：机械工业出版社.2015. 246-305.

[2] Clayton R. P.电磁兼容导论[M]，第二版，闻映红等译，北京：人民邮电出版社，2007，465-482.

[3] Robinson M. P.， Benson T. M.， Christopoulos C.， et. al.， Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures[J]. IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1998，40， 240-248.

[4] 周佩白.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术[M].北京：中国电力出版社，2006. 39-40

[5] Araneo R.， Lovat G.， Fast MoM analysis of the shielding effectiveness of rectangular enclosures with apertures， metal plates， and conducting objects[J]， IEEE transactions on Electro. Comp.， 2009，51（2）：274-283.

[6] Li Bin.， Zhao Zihua， Kang Ying， Analytically calculating the shielding effectiveness of rectangular enclosure with circular aperture arrays in two adjacent walls[C]， J. Phys， Conf. Ser. 1074， 012088

[7] Herlemann H.， Koch M.， Measurement of the transient shielding effectiveness of shielding cabinets[J]， Advances in Radio Science， 2008， 6：293-298.

[8] Li M， ， Ma K. P.， Hockanson D. M.， Numerical and experimental corroboration of an FDTD thin-slot model for slots near corners of shielding enclosures[J]， 1997，39（3）：225-232.

[9] Robinson M. P.， Benson T. M.， Christopoulos C.， et al. Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures[J]， IEEE Trans. Elec. Comp. 1998， 40， 240-248.

[10] Kubik Z.， Skala J.， Shielding effectiveness simulation of small perforated shielding enclosures using FEM[J]， Energies， 2016， 9， 129.

[11] Krzysztofik W. J.， Borowiec R.， Bieda B.， Some consideration on shielding effectiveness testing by means of the nested reverberation chambers[J]， Radio Eng.， 2011， 20（4）： 766-774.

作者簡介：杨有维（1989-），男（汉族），四川省达州市人，博士研究生，主要研究领域为核电厂仪控系统电磁兼容仿真研究。

作者简介：代俊安（1994-），男，汉族，四川宜宾人，学士，主要研究领域为核电厂仪控系统机械设计及制造。

何挺（1992-），男，汉族，四川巴中人，学士，主要研究领域为核电厂仪控系统模拟及数字电路设计。

刘明星（1986-），男，汉族，四川达州人，硕士研究生，核动力研究设计院仪控中心研发部部长，主要研究领域为核电厂仪控系统系统设计。