脉冲激光发射模块电磁屏蔽效能仿真分析

孙文东，霸书红，陈慧敏

（1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.北京理工大学 机电动态控制重点实验室，北京100081）

现代战争中，以电子武器装备作为作战基础，武器平台等应用场景越来越密集地使用电子设备。同时，电磁攻击武器的发展，多样化的电磁干扰方式对信息化武器装备构成巨大威胁[1]。脉冲激光发射模块由半导体激光器、激光驱动电路、光学系统组成，其在激光引信有着重要应用，通常利用发射模块发出的激光束探测目标，并引爆导弹战斗部。为防止工作时与其他电子设备相互干扰，以及在恶劣电磁环境下工作，需要进行电磁兼容性研究[2]。电磁兼容（EMC）分为电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS），是指电子设备在设计的电磁辐射环境下正常工作，同时又不影响其他电子设备或系统正常工作的能力。目前电子装置电磁兼容设计主要有3 种方法：滤波、接地、屏蔽。其中屏蔽技术采用屏蔽结构来吸收、反射电磁波，将屏蔽区域与其他区域隔离开来。屏蔽技术因其方便、高效而备受关注[3]。

针对电子装置电磁屏蔽问题，国内外学者对其进行了广泛研究。Sevgi[4]证明了材料屏蔽效能的主要限制是由于无法避免接缝、孔洞和电缆穿透。Ren 等[5]、Basyigit 等[6]、Kubík 等[7]分别对穿孔屏蔽罩的屏蔽效能进行了数值模拟。Bachir 等[8]采用多层结构 Alepoxy-Ni 来减少屏蔽层的厚度。Chien 等[9]得出六边形波导、蜂窝状波导或者双层屏蔽可提高屏蔽体的屏蔽效能。何勇等[10]得出采用45 号钢组合屏蔽机制，可有效抑制电磁干扰。冯颖等[11]、宋定宇[12]对屏蔽体的电磁辐射问题进行了研究。张郑等[13]、于海波等[14]采用 HFSS 软件对孔缝箱体进行了仿真分析。宋航等[15]得出有孔双层屏蔽腔体屏蔽效能随着频率的增加总体上呈下降趋势。胡叶青等[16]利用场论方法推导了圆柱壳双层铁磁屏蔽体屏蔽效能的计算公式。张岩等[17]得出双层腔体屏蔽效能随内外层重叠面积的减小而增加。吴刚等[18]得出金属双层腔体的屏蔽效能要优于单层腔体。为了解决电磁安全问题，我国实行GJB 151B—2013[19]和GJB 573B—2020[20]，分别对电子设备电磁兼容设计目标提出要求。

综上所述，可见前人对双层腔体屏蔽效能研究较少，另外发现以高频宽带电磁波作为辐射源，对腔体屏蔽效能的相关研究也较少。在电磁敏感度方面，为防止模块意外工作或失效，模块需要具有抗高频电磁辐射性能。同时，在电磁干扰方面，为避免模块工作时影响同一系统下的其他电子设备正常工作，需要降低模块内部的低频电磁辐射发射。基于上述原因，利用HFSS 软件，建立脉冲激光发射模块单双层腔体模型，采用电磁波宽带扫频的方式，对腔体屏蔽效能进行仿真分析，为电磁兼容屏蔽设计及屏蔽腔体电磁波宽带扫频研究奠定基础。

1 腔体屏蔽效能理论分析

屏蔽效能（ηSE）是评价屏蔽体屏蔽效果的指标，等于屏蔽前后一点的电磁场强度之比，以分贝（dB）表示：

屏蔽模型分为单层屏蔽和多层屏蔽。单层屏蔽是最常用的屏蔽结构，材料的屏蔽效能由3 种机制影响，分别为反射、吸收和材料内部的多次反射（如图1 所示），可表示为式（2）[8,11,21]。

图1 单层屏蔽原理Fig.1 Single layer shielding principle

式中：R为表面反射损耗，dB；A为吸收损耗，dB；B为多次内反射损耗，dB。

式中：μr为相对磁导率；σr为相对电导率；d为屏蔽体厚度；f为频率；δ为趋肤深度；Zs为屏蔽阻抗；Z0为自由空间固有阻抗。

由式（3）—（5）可知，屏蔽低频磁场时，由于频率低，吸收损耗小，而且波阻抗低，导致反射损耗小，需要用磁导率高的材料提供磁通路实现屏蔽效果。屏蔽高频电磁波时，主要利用材料的吸收损耗，即金属导体的趋肤效应实现屏蔽效果，其主要机理是在屏蔽体表面产生抗磁涡反磁场抵消原有磁场。当电磁波辐照频率越高，材料趋肤效应就越明显，所需厚度就越低，此时屏蔽效能与材料的磁导率、电导率和材料厚度成正比。

多层屏蔽机制是利用多层不同材料的反射损耗和吸收损耗，以及屏蔽材料之间的多次反射。多层结构屏蔽效能的理论模型是基于远场区域的发射波矩阵，如图2 所示。其中多层屏蔽反射损耗等于各层材料反射损耗之和，多层屏蔽的吸收损耗等于各层材料吸收损耗之和，多次反射损耗与屏蔽材料之间的距离有关[8,22-23]。

图2 多层屏蔽原理Fig.2 Multi-layer shielding principle

2 脉冲激光发射模块电磁敏感度仿真分析

电磁仿真技术的本质是利用麦克斯韦方程、场边界条件和介质的本构关系来求解电磁场分布。HFSS 软件基于有限元法，使用四面体网格单元来解决特定的电磁问题，利用计算机求解直至满足指定的收敛要求值。

2.1 脉冲激光发射模块腔体模型建立

由图3 所示，脉冲激光发射模块由脉冲尾纤半导体激光器、激光驱动电路、滤波器、屏蔽腔体组成。激光驱动电路PCB 尺寸为φ20 mm×20 mm，如图3a所示；半导体激光器尺寸为φ26 mm×10 mm，如图3b 所示。激光发射模块工作时，需要从外界引入电源线、信号线，模块内部需引出光纤，需要在腔体上开孔。在实际操作中，若电源线、信号线进出腔体未经过滤波，腔体的屏蔽效能将大大降低，因此需要在电源线、信号线输入端口安装滤波器。

图3 脉冲激光发射模块Fig.3 Internal parts of laser transmitting module:a)Laser drive circuit PCB; b)Laser embedded in PCB; c)Composition of transmitting module

在此基础上，在HFSS 软件中分别建立激光发射模块单层、双层腔体模型，尺寸为φ40 mm×80 mm。为保证模块具有良好的抗静电属性，屏蔽腔体采用金属良导体作为屏蔽材料。在腔体的上表面中心设置直径为1 mm 的孔洞，用于光纤引出，在腔体的下表面设置2 个直径为4 mm 孔洞，分别用于电源线、信号线的引入。考虑激光器和滤波器的安装位置后，在腔体内建立尺寸φ20 mm×20 mm 的PCB 板。模型建立后，在腔体外设置辐射边界条件。发射模块单双层屏蔽腔体模型如图4 所示。

图4 屏蔽腔体模型Fig.4 Shielded cavity model:a) single layer; b) double layer

电磁波入射激励源设置为平面波，大小为200 V/m。激励源设置为距离腔体下底面中心20 mm，平面波垂直于腔体底面照射，传播方向沿Z轴正半轴传播，电场矢量方向沿X正半轴传播。激励源位置与腔体内部观测点如图5 所示。平面波辐照频率设置为0.2～18 GHz，为保证仿真结果精度，采用离散式扫频，间隔为0.2 GHz，迭代次数为10 次，迭代精度为0.01。

图5 激励源位置与观测点Fig.5 Excitation source location and observation point

2.2 单层屏蔽腔体屏蔽效能仿真分析

为了探究腔体厚度对其屏蔽效能的影响，使用金属铜作为屏蔽材料，保证腔体内部尺寸不变，在不同厚度下，腔体屏蔽效能如图6 所示。由图6 可知，在电磁波频率为0.2～18 GHz 时，随着电磁波辐照频率的增大，腔体屏蔽效能逐渐减小。进一步分析得出，由于腔体设置的孔洞引起电磁泄露，导致腔体屏蔽效能极度降低。在某些频点处，腔体屏蔽效能达到极小值，此时腔体内部发生谐振效应，腔体孔洞形成耦合辐射源，使得腔体内部辐射场强迅速增强。还可得出，腔体的屏蔽效能与材料厚度呈正比关系。对于高频电磁波，屏蔽效能主要取决于屏蔽材料的吸收损耗，当屏蔽材料厚度增加时，吸收损耗增大。

图6 不同厚度下铜腔体的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of copper cavity with different thickness

探究了高电导率材料和高磁导率材料作为屏蔽材料的屏蔽效果，当使用金属铝、金属铁作为屏蔽材料，厚度设置为1.0 mm 时，腔体屏蔽效能如图7 所示。由图7 可知，当腔体厚度为1.0 mm 时，铜的屏蔽效能高于铝。这是由于铜的电导率高于铝，高电导率材料具有较强的趋肤效应，同时也具有较高的吸收损耗效能。相较于铜和铝，铁的屏蔽效能较低。根据理论分析，金属铁具有高磁导率的特点，屏蔽高频电磁辐射也应具有良好的屏蔽效果，但随着电磁波的频率逐渐增大时，铁的磁导率越来越小，逐渐失去屏蔽效果[24-25]。由图7 中还可得知，铁腔体与铜、铝腔体的谐振频率有所区别，这是因为腔体的谐振频率与腔体内部磁导率、介电常数和腔体尺寸有关[26]。

图7 1.0 mm 厚度不同材料下腔体屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of cavity under 1.0 mm thickness with different materials

由于腔体设置的孔洞随着电磁波频率增大，腔体屏蔽效能越来越低，在特定频率下发生的谐振反应，使腔体屏蔽效能不足10 dB。另外，高电导率材料对低频电磁辐射屏蔽效果较差。为进一步提高腔体的屏蔽效能，本文利用双层屏蔽的机理对腔体屏蔽效能进行仿真分析。

2.3 双层屏蔽腔体屏蔽效能仿真分析

当腔体实现高低频段电磁屏蔽时，通常在高磁导率材料表面电镀高电导率材料或使用双层屏蔽机理。在图4b 基础上，建立外层铜，内层铁的腔体模型，每层厚度均为0.5 mm，并保持上下层平行，之间间距0.5 mm 分别设置为空气和环氧树脂，腔体内部尺寸为φ40 mm×80 mm，其他参数设置不变。当电磁波频率0.2～18 GHz 时，腔体的屏蔽效能如图8 所示。

图8 双层腔体屏蔽效能Fig.8 Double-layer cavity shielding effectiveness

对比图6、图8 可知，当腔体厚度为1.5 mm 时，双层屏蔽的屏蔽效能高于单层屏蔽，且双层材料之间的介质层为环氧树脂时，腔体的屏蔽效能较高。通常来说，当腔体使用双层屏蔽时，屏蔽效果并不能达到理想效果。这是由于电磁波穿过第1 层屏蔽材料时，剩余电磁波会在2 层材料之间发生多次反射，内层屏蔽材料多次遭受电磁侵扰，导致腔体屏蔽效能降低。在2 层屏蔽材料之间填充环氧树脂是为了改善材料之间的多重反射。当电磁波辐照双层屏蔽腔体时，第1 层金属铜对该电磁波进行吸收损耗，部分电磁波穿过屏蔽，在传播过程中，绝缘物质环氧树脂具有高渗透率的特点，剩余电磁波被第2 层金属铁吸收。由于存在阻抗不匹配特性，双层屏蔽可以衰减更多的电磁波。故选择外层0.5 mm 厚度铜，内层0.5 mm 厚度铁，间距0.5 mm 填充环氧树脂作为脉冲激光发射模块屏蔽腔体。

由2.2 节得出，由于孔洞的设置导致腔体屏蔽效能急剧降低，为进一步增强腔体的屏蔽效能，通过连接器实现腔体内外电源信号的传输。母线连接器嵌入尺寸为8 mm×6 mm×3 mm，外围尺寸设置为12 mm×10 mm×3 mm。为了耦合公线连接器，在母线连接器上设置8 mm×6 mm×3 mm 孔洞，将连接器材质设置为钢，其他参数设置不变，建立激光发射模块屏蔽腔体模型，如图9 所示。模型建立后，其他参数设置不变。当电磁波辐照频率为0.2～18 GHz 时，腔体的屏蔽效能如图10 所示。

图9 发射模块屏蔽腔体模型Fig.9 Model of the transmitting module’s shielding cavity

图10 发射模块屏蔽腔体屏蔽效能Fig.10 Effectiveness of the transmitting module's shielding cavity

由图10 可知，当电磁波辐照频率在0.2～18 GHz时，腔体屏蔽效能达到47 dB。由于连接器的设置，使得腔体表面孔洞面积减少，有效解决了由于孔洞引起的电磁泄露现象。与图8 对比可知，当腔体添加电缆连接器后，屏蔽效能增加约26 dB，腔体内部观测点场强如图11 所示。当电磁波辐照频率为12.8、17.2 GHz 时，腔体内部PCB 板的场强如图12 所示。

图11 观测点场强Fig.11 Field intensity at observation point

图12 腔体内部PCB 板场强Fig.12 PCB field intensity inside the cavity

由图11、图12 可知，在电磁波频率为0.2～18 GHz时，腔体内部场强降低到1.5 V/m 以下，腔体内部得到有效屏蔽。另外，当有电缆直接穿入屏蔽腔体时，会导致腔体的屏蔽效能急剧降低。因此，在电磁兼容设计中，除要对模块的屏蔽腔体进行设计外，还需选用相应信号、电源滤波器，并与模块进行搭接，同时需考虑电路版的放置问题，避开腔内场强高的区域。

3 脉冲激光发射模块电磁干扰仿真分析

脉冲激光发射模块工作频率为1～100 kHz，当发射模块工作时，需要由PCB 板产生频率在1～100 kHz的脉冲电流，因此模块内部易产生1～100 kHz 电磁辐射，干扰同系统下的电子设备正常工作。在图9 所示屏蔽腔体模型的基础下，将腔体内部PCB 板设置为理想辐射激励源，方向沿Z轴负半轴传播，如图13所示。

图13 电磁波传播方向Fig.13 Electromagnetic wave propagation direction

将电磁波工作频率设置为1～100 kHz，扫频间隔为1 kHz，其他参数设置如上。为了探究双层屏蔽腔体材质不同对内外屏蔽效能的影响，在腔体外部设置电磁波激励源，工作频率设置为1～100 kHz，扫频间隔为1 kHz，腔体屏蔽效能如图14 所示。

由图14 可知，当电磁波频率在1～100 kHz 时，随着频率的增加，腔体的屏蔽效能逐渐变大。当辐射源在外部激励时，腔体屏蔽效能较高，为28 dB。此时，腔体外层为铜材料，内层为铁材料。进一步分析得出，当屏蔽幅值较高的低频电磁场时，金属铁易被饱和磁化，失去屏蔽效果，而金属铜不易饱和。当铜作为第1 层屏蔽材料时，可以进一步衰减电磁波，再由铁进一步吸收衰减。当电磁波辐照频率较低时，腔体屏蔽效能主要依靠材料反射损耗。电磁波频率越低，材料磁导率越高，反射损耗效能越高，此时主要由腔体内层金属铁屏蔽电磁波。当电磁波频率逐渐增大时，材料的反射损耗逐渐降低，吸收损耗逐渐增大，电磁波频率越高，材料磁导率、电导率越高，吸收损耗越大，此时腔体外层金属铜与内层金属铁对电磁波屏蔽均起良好作用。仿真结果表明，屏蔽腔体的设置可有效减弱激光发射模块工作时带来的电磁干扰问题。

图14 腔体屏蔽效能Fig.14 Cavity shielding efficiency

4 结论

为提高脉冲激光发射模块电磁兼容性能。本文基于HFSS 仿真软件，以电磁敏感度、电磁干扰2 个方面对脉冲激光发射模块腔体屏蔽效能进行仿真分析，主要得出以下结论：

1）当电磁波辐照频率为0.2～18 GHz 时，腔体屏蔽效能随频率的增大而减小。腔体使用单层屏蔽时，使用高电导率材料腔体屏蔽效能较高，屏蔽效能与腔体厚度成正比。当腔体厚度相等时，双层屏蔽的屏蔽效能高于单层屏蔽。孔洞是导致腔体屏蔽效能下降的主要原因，当使用连接器代替孔洞信号传输时，腔体屏蔽效能增加。

2）当电磁波辐照频率为1～100 kHz 时，腔体屏蔽效能随频率的增大而增加。当辐射源在外部激励时，双层屏蔽腔体使用外层铁内层铜屏蔽效能较高。

3）使用外层0.5 mm 厚度铜，内层0.5 mm 厚度铁，间距0.5 mm 填充环氧树脂作为脉冲激光发射模块屏蔽腔体，当电磁波辐照频率为1～100 kHz 时，腔体屏蔽效能达到28 dB；当电磁波辐照频率为0.2～18 GHz 时，腔体屏蔽效能达到47 dB。

该仿真结果对工程实践电磁兼容屏蔽腔体设计具有很好的参考价值与借鉴意义。在实际工程实践屏蔽腔体设计中，除了利用上述进行优化，还应考虑局部屏蔽、滤波、接地、板内合理布线等提高模块电磁兼容性。