基于HFSS在有孔矩形金屬腔體中電磁屏蔽效能的應用

郭 超

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710071）

0 引言

近年來隨著電子戰的興起，各種軍用、民用電子設備成為電磁干擾的對象，而屏蔽腔體作為保護和隔離電磁干擾的設備，為適應通風、散熱的需要，通常需要在腔體上開孔，破壞了腔體的完整性。因此，研究帶孔金屬屏蔽腔體的屏蔽效能是具有十分重要的意義。通過HFSS軟件對孔縫電磁耦合的數值仿真，分析各種不同形狀的孔對屏蔽體屏蔽效能的影響，使有孔金屬屏蔽腔體抗電磁干擾的能力達到最大。

1 電磁屏蔽效能的計算方法

電磁屏蔽就是為了抑制電磁干擾，一般是通過隔斷電磁能量在空間的傳播路徑來實現的。為了描述和定量分析屏蔽體的屏蔽效果，通常采用屏蔽效能表示屏蔽體對電磁干擾的屏蔽能力和效果[1]。

屏蔽效能是指未加屏蔽腔體時某一點的場強E0和H0與在同一測試點加屏蔽腔體時的場強ES和HS的比值。

通常在工程上以dB 為單位，屏蔽效能的表達式為：

一般情況下，屏蔽腔體的屏蔽效能受到材料特性、厚度、形狀、屏蔽體上孔縫的形狀、尺寸、數量和排布方式，屏蔽體內部的模塊印制板，以及干擾源的頻率、入射角、干擾源到屏蔽體的距離和極化形式等顯著影響[2-4]。

2 仿真結果及分析

本文以一個帶孔的金屬機殼作為研究對象來分析帶孔金屬屏蔽腔體的屏蔽效能，尺寸為a×b×d＝300mm×120mm×300mm。運用HFSS軟件的仿真結果來討論各種因素對有孔矩形屏蔽腔體屏蔽效能的影響，有孔矩形屏蔽腔體在HFSS 中建立的模型如圖1 所示。

圖1 屏蔽腔體在HFSS 中的模型

2.1 腔體厚度對屏蔽效能的影響

金屬屏蔽腔體上孔縫的尺寸為l×w=150mm×20mm，矩形金屬屏蔽腔體的壁厚分別為0.1mm、1mm 和2mm。觀察點位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。HFSS 軟件仿真得出的結果如圖2 所示。

從圖2 可以看到，在大多數情況下，金屬屏蔽腔體的厚度越厚，透射入金屬屏蔽腔體的電磁能量越少，金屬腔體的電磁屏蔽效能越大。但是在金屬腔體厚度的有限范圍內，金屬腔體的厚度對屏蔽效能的影響是有限的。

圖2 不同厚度的金屬屏蔽腔體的屏蔽效能

2.2 腔體壁上孔縫的大小對屏蔽效能的影響

金屬屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w＝150mm×20mm（孔縫一）、l×w＝100mm×10mm（孔縫二）和l×w=50mm×5mm（孔縫三）。矩形金屬屏蔽腔體的壁厚為1mm。觀察點位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。得到的屏蔽效能結果如圖3所示。從圖3 可以得到，腔體上孔縫越大，外界電磁能量耦合進腔體的能量就越多，在相同頻率下屏蔽效能越低。

圖3 不同的孔縫下屏蔽腔體的屏蔽效能

2.3 等面積不同形狀的孔縫對屏蔽效能的影響

取孔縫的總面積為3000m2，屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w=54.77mm×54.77mm（孔縫一）﹑l×w=75mm×40mm（孔縫二）和l×w=150mm×20mm（孔縫三）。觀察點位于金屬屏蔽腔體的中心即就是距離孔縫150mm 處。仿真得到的屏蔽效能曲線如圖4 所示。

圖4 等面積不同形狀的孔縫對屏蔽效能的影響

從上圖中可以得到，在腔體上孔縫面積相同的情況下，如果孔縫的長和寬的比值越小，耦合進屏蔽腔體內的電磁能量越少，其屏蔽效能越好。當孔縫為正方形時，一般情況下屏蔽效能最好。所以在屏蔽腔體上一般開孔時，通常使用正方形孔縫，使屏蔽效能達到最大。

2.4 相同面積下孔縫數量對屏蔽效能的影響

取孔縫的總面積為900mm2，孔縫的尺寸分別為30mm×30mm 的單孔﹑單孔面積為10mm×10mm 的3×3 孔陣以及單孔面積為6mm×6mm的5×5 的孔陣?？谆蛘呖钻嚨闹行奈挥谒_孔面的中心。觀察點位于金屬屏蔽腔體的中心。得到的屏蔽效能曲線如圖5 所示。

圖5 孔陣數量對屏蔽腔體屏蔽效能的影響

從圖5 可以得到，在孔縫面積相同的條件下，通常情況下在屏蔽腔體上開孔陣要比開單孔的屏蔽效能要好，而且孔陣的數量越多，其屏蔽效能越高。因此在屏蔽腔體上面開孔時盡量開數量較多的孔陣，使屏蔽腔體的屏蔽效能盡量達到最優的效果。

2.5 腔體大小對屏蔽效能的影響

屏蔽腔上孔縫位于所開孔面的中心，其尺寸分別為l×w＝50mm×5mm，屏蔽腔體的壁厚為2mm。屏蔽腔體的尺寸大小分別為a×b×d=480mm×120mm×480mm（腔體一）﹑a×b×d=300mm×120mm×300mm（腔體二）和a×b×d=100mm×120mm×100mm（腔體三）。觀察點位于屏蔽腔體的中心得到的屏蔽效能曲線如圖6 所示。

圖6 屏蔽腔體大小不同時的屏蔽效能

從圖6 以得到，在0.2G-1.0G 頻率范圍內，腔體一出現了三次諧振現象；腔體二發生一次諧振現象；根據腔體諧振頻率計算公式[5]

其中c 為光速，a,b,d 分別為矩形屏蔽腔體的長寬高，m,n,p 為分別為沿腔體的三個方向的駐波半波束。由于該矩形金屬屏蔽腔體的主傳輸模式為TE10，所以由公式（3）計算可得，在0.2G-1.0G 頻率范圍內，腔體一在442MHz（TE101）、699MHz(TE201)和988MHz（TE301）出現三次諧振現象；腔體二在707MHz（TE101）出現了一次諧振現象；通過計算，腔體三在2.12GHz（TE101）出現諧振現象，所以在下圖觀察不到腔體三出現諧振現象。通過圖6 可以看到，計算的結果和仿真出來的結果很接近。由此可見，當屏蔽腔體越小時，腔體出現諧振的諧振頻率越高。

3 結束語

通過運用HFSS 分析了影響金屬屏蔽腔體屏蔽效能的因素，可以得出：對于單孔來說，屏蔽腔體越厚，孔縫的尺寸越小，屏蔽效能越高；屏蔽腔體越小，屏蔽腔體的諧振頻率越高；在開孔面積一定的條件下，應盡量多開孔陣，并且所開孔形狀越接近正方形，其屏蔽效能越好。通過HFSS 仿真得出的結論對于指導屏蔽體的設計以及電路和器件的合理布局有著重要的意義。

［1］崔楊.矩形金屬腔體屏蔽效能分析[D].西安：西安電子科技大學，2011.

［2］Rodolf Araneo，Giampiero Lovat.An efficient MoM formulation for the evaluation of the shielding effectiveness of rectangular enclosures with thin and thick apertures[J].IEEE transactions on Electromagnetic Compatibility，2008，50(2)：294-304.

［3］何林濤.基于HFSS 的孔陣機殼近場屏蔽效能分析[J].工程設計學報，2011，18(4)：255-259.

［4］Antonio Ciccomancini Scogna，Martin Schauer.EMC simulation of complex PCB inside a metallic enclosure and shielding effectiveness analysis[C]//18thInt.Zurich symposium on Electromagnetic Compatibility.Munich：2007：91-94.

［5］鄒澎，周曉萍.電磁兼容原理、技術和應用[M].清華大學出版社，2007.