孔缝对电子设备机箱屏蔽效能影响的分析

摘 要：电子设备机箱由于散热及外接其他设备等原因需要开有各种孔缝，从而导致其电磁屏蔽效能降低。采用时域有限差分（Finite Difference Time Domain， FDTD）算法，仿真分析了不同开孔形状、开孔尺寸、开孔数量及开孔间距的孔缝对电子设备机箱屏蔽效能的影响。为电子设备机箱提高屏蔽效能工程设计提供依据，同时也为散热结构设计提供电磁兼容方面参考。

关键词：时域有限差分算法 屏蔽效能 孔缝耦合 电磁脉冲

中图分类号：TJ760.3

Analysis of Influence of Enclosure Holes on Shielding Effectiveness of Electronic Equipment Cabinet

LI Lei

Southwest Institute of Electronic Technology， Chengdu， Sichuan Province， 610036 China

Abstract： Due to heat dissipation and connection with external equipment， electronic equipment cabinet needs to have various holes and slots， which leads to the reduction of its electromagnetic shielding effectiveness. The Finite Difference Time Domain （FDTD） algorithm was used to simulate and analyze the effects of different shapes， sizes， numbers and spacings of enclosure holes on the shielding effectiveness of electronic equipment cabinet. It provides a basis for the engineering design of electronic equipment cabinet to improve shielding effectiveness， and also provides a reference of heat dissipation structure design for the electromagnetic compatibility.

Key Words： Finite Difference Time Domain Algorithm; Shielding Effectiveness; Hole Coupling; Electromagnetic Pulse

电磁脉冲可由诸如核爆炸、电磁脉冲炸弹、高功率微波武器等多种方法生成，且能对电子设备造成巨大损害[1]。电磁脉冲耦合进入电子设备的途径主要分为前门耦合与后门耦合。前门耦合是指电磁能量被天线或其他线缆等耦合进入电子系统内[2]；后门耦合是指电磁能量穿过目标上的散热孔洞或接缝等进入电子系统内[3]。屏蔽机箱可以有效降低电磁脉冲对其内部电路的危害，逐渐成为了减少后门耦合的一种重要手段。因此，关于电子设备机箱的屏蔽特性分析研究成为近年来的研究热点。理想的屏蔽机箱必须把敏感电路全部包围，不能有任何破坏屏蔽效果的如电缆连接等穿透，而实际工程中由于散热、安装等因素，机箱上存在很多孔缝，使得外部干扰源通过孔缝耦合到其内部，并与内部的电路进一步耦合产生电压干扰和电流干扰[4]。因而，孔缝对电子设备机箱屏蔽效能影响的研究具有现实意义。针对上述问题，本文通过FDTD算法仿真分析了孔缝的形状、尺寸、数量、间距对电子设备机箱屏蔽效能的影响，为电子设备机箱屏蔽措施提供设计指导。

1 问题分析与建模

屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）是用来表征屏蔽体对电磁波衰减程度的物理量，单位为dB，其表达式如下[5]：

式（1）中：为未屏蔽时某一观测点的场强，为屏蔽时该位置的场强。如果在屏蔽效能计算中使用的是磁场，则称为磁场屏蔽效能；如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。屏蔽效能的值越大表示屏蔽效果越好；反之表示屏蔽效果越差。

研究机箱屏蔽效能，实际就是求解电磁场问题，而电磁脉冲作为一种瞬态电磁现象，通过时域数值算法仿真便具有先天优势。时域算法可通过一次仿真模拟，获得整个空间的时域响应并通过Fourier变换，就可以在很宽的频率范围内，获得其对应的频域响应。已有的各种时域计算方法中，FDTD算法因其适应性广的优点，成为了电磁场模拟仿真中最重要方法之一。其直接求解Maxwell方程组的两个旋度方程，不需要进行其他转化，因而直接反映电场和磁场之间的物理规律[6]。

FDTD算法的主要原理为将Maxwell旋度方程转化为差分方程，将整个空间和时间网格划分为离散的采样值，如图1所示。在给定了激励源后，随着时间步的迭代，电场和磁场交替更新，从而模拟了各种现实中的电磁现象。通过观测这些网格中电磁场值，便可获得整个计算空间的时域电磁信息。

为了分析开有孔缝的电子设备机箱在电磁脉冲辐照下的屏蔽效能，本文以某型金属机箱为研究对象，机箱材料设为理想导体，尺寸为300 mm´200 mm´240 mm。入射电磁脉冲以平面波形式正对孔缝垂直入射，入射波为垂直极化波，并在设备机箱的中心设置观测点，如图2所示。

电磁脉冲波形采用美国Bell实验室提出的高空核爆电磁脉冲波形，其表达式为：

式（2）中：=1.05，=50 kV/m，=4.76´108 s-1，=4.0´106 s-1。其时域波形和频谱，分别如图3和图4所示。

2 屏蔽效能仿真分析

下面将以上述模型为例，分别针对孔缝的形状、尺寸、数量、间距对电子设备机箱屏蔽效能的影响进行仿真分析。

2.1 开孔形状

在保证开孔面积相同的条件下，分析开孔形状对机箱屏蔽效能的影响。分别设置正方形单孔边长为40 mm×40 mm，圆形单孔半径为40/πmm，矩形单孔边长为80 mm×20 mm。不同的开孔形状屏蔽效能仿真结果如图5所示。

由图5可见，950 MHz以下频段，圆形开孔的屏蔽效能最好；950～1 600 MHz频段，正方形开孔的屏蔽效能最好；1 600 MHz以上频段，正方形开孔与圆形开孔屏蔽效能基本相同，矩形开孔屏蔽效能较差。综合来看，开孔面积相同条件下，正方形和圆形开孔的屏蔽效能基本相当，矩形开孔的屏蔽效能最差。同时由图可见，3种开孔的屏蔽效能在802 MHz、1 626 MHz、1 700 MHz和1 934 MHz频点附近出现明显恶化的情况。根据腔体谐振理论分析可知，其主要由入射电磁脉冲引起机箱谐振导致的，4个谐振频率分别对应110、130、112及310谐振模式。

2.2 开孔尺寸

根据上节分析结果，正方形和圆形的屏蔽效果更好。本节以正方形开孔为例，分析开孔尺寸对机箱屏蔽效能的影响。分别设置正方形开孔边长尺寸为20 mm、30 mm和40 mm。不同的开孔尺寸屏蔽效能仿真结果如图6所示。

由图6可见，边长40 mm与边长20 mm的正方形开孔相比，屏蔽效能下降了约45 dB。因而可知，开孔形状相同的条件下，开孔越大，屏蔽效能越差。同时，对比图6中的腔体谐振频率点可知，开孔尺寸不会影响机箱内的场分布形式，只会引起场强的变化。

2.3 开孔数量

在开孔总面积相同的条件下，分析开孔数量对机箱屏蔽效能的影响。开孔总面积为1 600 mm2，开孔数量分别为单孔、2×2开孔和3×3开孔，开孔相邻两边间距2 mm。不同的开孔数量屏蔽效能仿真结果如图7所示。

由图7可见，2×2开孔相比单孔的屏蔽效能提高了约50 dB，3×3开孔比2×2开孔的屏蔽效能提高了约25 dB。由此可知，在开孔面积相同的条件下，增加开孔数量可以较大提高屏蔽效能。同时，对比图7中的腔体谐振频率点可知，改变开孔数量也不会影响机箱内的场分布形式，只会引起场强的变化。

2.4 开孔间距

在开孔总面积及开孔数量相同的条件下，分析开孔间距对机箱屏蔽效能的影响。开孔总面积为1 600 mm2，开孔数量为3×3开孔，开孔相邻两边间距分别为2 mm、4 mm和6 mm。不同的开孔间距屏蔽效能仿真结果如图8所示。

由图8看见，随着开孔间距增大，机箱屏蔽效能在1 600 MHz以下频段略有提高，而在1600MHz～950 MHz 950～1600 MHz频段略有下降。总体来说，开孔间距对屏蔽效能的影响不明显。对比图8中的腔体谐振频率点可知，改变开孔间距同样不会影响机箱内的场分布形式，对场强的影响也不大。

3 结语

本文采用FDTD算法，以孔缝对电子设备机箱屏蔽效能的影响为研究对象，分别仿真分析了开孔形状、开孔尺寸、开孔数量及开孔间距对屏蔽效能的影响。研究结果表明：在工程设计中应优先考虑采用圆形或正方形开孔；同时在开孔总面积不变的条件下，尽量增加开孔数量，减小单个开孔面积等措施来提高电子设备机箱的屏蔽效能。

参考文献

[1]聂坤林，赵玮，李鹏，等.某型车辆在高空核爆炸环境下的电磁脉冲耦合特性[J].兵工学报，2022，43（2）：372-382.

[2]鲍献丰，陈晓洁，李瀚宇，等.基于FDTD的时域混合方法及其在天线前门耦合数值模拟中的应用[J].强激光与粒子束，2021，33（12）：121-126.

[3]张龙，田明宏，宋正鑫，等.雷达装备强电磁脉冲防护现状及发展考虑[J].现代雷达，2020，42（5）：13-16.

[4]张郑，冯成德.基于HFSS的电源机箱屏蔽效能的仿真分析[J].机械，2020，47（7）：35-41.

[5]张玉廷，王振兴，董亚凯，等.卫星无线传能系统主动电场屏蔽效能分析[J].宇航学报，2021，42（5）：669-676.

[6]任书磊.基于FDTD的典型目标电磁散射计算方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.