波导通风窗在矿用方舱电磁屏蔽中的应用研究

庞 佳，熊书磊，陈贵华，段娜娜，韩卫鹓，单琳媛

（1.河南焦煤能源有限公司，河南 焦作 454150；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

引言

如今，大型方舱设备在军事、医疗、电力、矿业等领域已经应用较为广泛，为了更好地进行户外独立性作业，矿用方舱的舱内会携带多种电子设备，而矿场周围环境中复杂的电磁信号会对其正常工作产生干扰，导致设备数据紊乱等后果，因此方舱必须有良好的电磁屏蔽设计[1-3］。同时，方舱还有通风散热性能的要求，尽管舱体采用金属材料制作，安装缝隙和通风窗的存在也会引起干扰信号的孔缝泄漏[4］。此外，舱内的各种电子设备在工作中也会产生较多电磁干扰信号，会在其周围环境中产生电磁污染[5］。

1 截止波导及屏蔽效能

截止波导可以由铁、铝等金属材料制成，是一种空心管道式结构，由文献[6］可知，方形波导相比于矩形波导而言，不受电磁波极化方向的影响，本文以方形波导为例，如图1所示，电磁波可以在波导内部沿着z轴方向传播。

图1 方形波导Fig.1 Square waveguide

平面波是一种TEM 波，其在方形波导中沿着z轴传播时，电场和磁场可以分别表示为：

式（1）中的γ为传播常数，它满足：

传播常数γ决定了平面波在波导内部的传播特性，当时，传播常数γ为虚数，平面波沿着波导径向传播时不会有衰减；当时，传播常数γ为实数，平面波在波导内传播时将会随着距离的增大而衰减，若方形波导的截面内边长为a，则截止频率可以由式（3）来计算[7］：

其中，截止频率fc的单位为GHz，a的单位为mm。

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）是指在采用屏蔽措施前后某一观测点的电场或磁场强度的比值，公式（4）用于电场的屏蔽效能计算[8］。

其中，E0表示采用屏蔽措施之前的电场强度，Es表示采用屏蔽措施之后的电场强度。

2 方舱电磁屏蔽仿真分析

2.1 方舱模型

方舱壁板的材料为不锈钢，壁厚为2mm，尺寸大小为410mm×160mm×218mm。侧面安装有截止波导窗的方舱模型如图2所示。

图2 方舱三维结构Fig.2 Three-dimensional structure of the square cabin

如图3 所示，截止波导窗由完全相同的单个方形波导组成阵列的形式，安装位置位于侧面正中心，单个波导管厚度为1mm，管道长度为20mm，材料为铁。设置电场强度为1V/m、电场极化方向为x轴、沿着z轴负方向入射的平面波激励，场监测点位于舱体几何正中心，求解频段为0-20GHz。

图3 截止波导窗结构Fig.3 Structure of cut-off waveguide window

2.2 波导通风窗的屏蔽分析

2.2.1 开孔面积的影响

为研究在单个波导结构保持一致的情况下，波导窗的开孔面积对方舱电磁屏蔽的影响，如图4分别设置了数量为1×1、3×3和6×6的波导窗结构单个方形波导的尺寸为10mm×10mm×20mm，厚度为1mm。

图4 不同尺寸的波导窗Fig.4 Waveguide windows of different sizes

监测点得到的电磁场强度如图5所示。

图5 监测点处的电磁场强度及屏蔽效能Fig.5 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

图5（a）、5（b）中可以看出，随着波导窗开孔面积的增大，使得电磁场更容易进入到方舱内部，因此舱体中心的电场强度及磁场强度幅值都在增大。可以发现波导窗的截止频率都保持在14GHz附近，由公式（3）可知截止频率的理论值为15GHz，这是因为每个波导窗的元胞波导是尺寸完全一致的方形波导，而阵列波导的整体截止频率只取决于元胞波导的结构尺寸。由图5（c）可知屏蔽效能的变化并不明显。

2.2.2 开孔数量的影响

如图6所示，设置了3种不同的工况，波导窗的总面积保持一致，开孔数量分别为2×2、3×3 和4×4，元胞波导均为方形波导。

图6 不同开孔数量的波导窗Fig.6 Waveguide window with different openings

监测点得到的电磁场强度如图7所示。

图7 监测点处的电磁场强度及屏蔽效能Fig.7 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

图7（a）、7（b）中可以看出，当开孔数量增加时，电场强度和磁场强度的幅值都有较大的衰减，并且截止频率从数量为2×2时的6GHz上升到数量为4×4的18GHz，这是因为波导窗的面积不变，当元胞波导数量增加时其尺寸也在缩小，从而导致截止频率在增加。而图7（c）中，数量为4×4时的屏蔽效能在0-18GHz范围内都保持较高水平，大约为45dB。在18-20GHz范围内的屏蔽效能也高于其他两种情况。

2.2.3 开孔倾角的影响

考虑到在户外工作时的恶劣环境，若将波导窗向上倾斜适当的角度，可以在保证通风性能和电磁屏蔽性能的基础上，避免雨水渗入到方舱内部。为研究不同倾斜角度对电磁屏蔽性能的影响，设置了3 种不同的角度，分别是30°、45°和60°，如图8 所示。波导窗采用数量为6×6 的尺寸结构，且元胞方形波导的尺寸为10mm×10mm×20mm，厚度为1mm。

图8 不同倾斜角度的波导窗（侧视图）Fig.8 Waveguide window with different tilt angles（side view）

监测点得到的电磁场强度如图9所示。

图9 监测点处的电磁场强度及屏蔽效能Fig.9 Electromagnetic field strength and shielding efficiency at monitoring points

图9（a）和图9（b）中，当开孔倾角为30°时，舱内监测点的电磁场强度要比倾角45°和60°时大很多；而开孔倾角为45°和60°时，电磁场强度的幅值几乎都趋于0，没有明显差别。图9（c）为以电场为例的屏蔽效能曲线，可以发现：当开孔倾角达到60°时，在频段0-14GHz频段内，其屏蔽效果相比倾角45°时在最大处的差别为10dB左右，在较高频段14-20GHz内的差别不大，但仍然优于后者。

图9（a）和9（b）中并不能明显地看出45°和60°两种情况的差别，这是因为，由公式（4）可以知道，屏蔽效能在本质上是将屏蔽前后的电磁场强度幅值取对数函数之后放大20倍的结果，因此屏蔽效能更能明确地表示不同情况下的屏蔽效果，这也是屏蔽效能这一概念的意义所在。

开孔倾角为60°时，在0-20GHz频段内的电磁场几乎都被有效地屏蔽，且屏蔽效能在0-12GHz频段内始终保持较高水平，达到了60dB。这是由于波导管自身的导波作用，电磁波沿着波导管的内壁传播，当倾斜一定角度时，进入方舱内部的电磁波会经过多次的折射和反射，当到达监测点时其幅值已经经过了多次衰减，因此达到了良好的屏蔽效果。

2.3 方舱电磁屏蔽的数值分析

现如今在分析带孔舱体的屏蔽效能问题时，常常会使用Dehkhoda等人提出的等效电路模型[9-12］，如图10所示。

图10 开孔舱体及其等效电路模型Fig.10 Open-hole cabin and its equivalent circuit model

将入射的平面波看作电压源激励，幅值为V0，内阻为Z0；开孔的等效阻抗为Zap，机箱的等效阻抗为Zg。从等效电路可以得出孔阵的阻抗：

式（5）中，n为小孔的总数量，d为方形孔的边长。孔阵的总面积S为：

由戴维南定理可以得出孔阵处的等效电压：

相应的阻抗：

从而观测点P的电压也能得出：

通过数值分析建立起的模型，电场屏蔽效能可以表示为：

由式（5）、（6）可知，当开孔面积固定时，增大开孔数量，会导致元胞孔的尺寸变小，从而孔阵的整体阻抗会变小；由式（7）到（10）可知，当孔阵阻抗变小时，屏蔽效能会增大，这一结论和上述仿真得到的保持一致。

2.4 方舱内部干扰源的屏蔽分析

本节考虑方舱内部的电子设备对其工作环境的电磁污染情况，以工作频率为3GHz的半波偶极子天线作为内部干扰源，图11 为半波偶极子天线示意图，实际总长度为48mm，横截圆面半径为0.1mm，中间端口施加1V的电压激励。

图11 半波偶极子天线Fig.11 Half-wave dipole antenna

将方舱外部一固定点设置为监测点，分别研究3种情况，得到该处的电场强度并计算出屏蔽效能，如图11所示，图例1表示没有任何屏蔽措施的情况，图例2表示采用6×6规格波导窗时的情况，图例3表示采用向上倾斜60°、6×6规格波导窗时的情况。

从图12可以看出，当不采用波导窗进行屏蔽时，偶极子天线产生的电场强度最高可达15V/m，而采用6×6规格的波导窗时，屏蔽效果十分明显，并且倾斜60°的波导窗，其电场的屏蔽效能在0-20GHz频段内始终保持在较高水平，这表明所设计的波导窗结构能够很好地屏蔽来自方舱内部的电磁干扰。

图12 监测点处的电场强度及屏蔽效能Fig.12 Electric field strength and shielding efficiency at monitoring points

3 结语

经过上述的对比研究可以发现，截止波导窗能有效的屏蔽来自方舱内外的电磁干扰，但是在实际设计时需要兼顾通风性能的要求。增大波导窗面积可以提升通风性能，但是会带来更多的电磁干扰；波导窗面积固定时，当波导孔的数量增大时，电磁屏蔽效果更好；可以根据方舱内部的设备安放位置，将波导窗适当倾斜一定角度，能够有效提升屏蔽效能，对设备的安全运行起到一定的保障作用。本文从理论和仿真的角度对截止波导窗结构进行了研究，对方舱结构的电磁屏蔽设计具有一定的指导意义。