影响金属含窗腔体屏蔽效能因素的分析(电磁兼容)（小编推荐）_屏蔽效能分析

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影响金属含窗腔体屏蔽效能因素的分析

摘要：本文用时域有限差分法计算了含窗腔体的屏蔽效能，并且将计算结果与等效传输线结 果相对比，验证了时域有限差分法的有效性。最后，用时域有限差分法分析了影响含窗腔体的屏蔽效能的因素，即入射波的频率和窗口的大小。

1.引言

电磁分析和电磁预测的最终目的是分析系统中设备、电路的电磁特性，实现系统的电磁 兼容性。而电磁兼容性是靠周密有效的设计实现的，它是在设备、电路的电磁兼容性设计的 基础上进行的。设备、电路的电磁兼容性的一项重要内容就是防护设计，包括滤波、屏蔽、接地与搭接的设计，它们是抑制电磁干扰的主要技术手段。其中，屏蔽技术是现代电力、电子科学技术中应用较为广泛的一种方法，大的如变电站保护小室、小的如各种电子设备的机箱，都是根据电磁屏蔽原理研制的。它们绝大部分是用金属板材加工而成，由于在接缝处难免存在缝隙，有的还要在壳体上开口，这些结构绝大部分可归结为一个金属含窗腔体，而它的屏蔽效果由其屏蔽效能来评价，因此对它进行电磁屏蔽效能分析具有十分重要的理论价值和实际意义。

本文利用时域有限差分法计算金属含窗腔体的屏蔽效能，并分析影响金属含窗腔体的屏蔽效能的因素，即入射波的波长，窗口的大小。

2.时域有限差分法的基本原理

2.1 时域有限差分法的基本理论：

1966 年由Yee 提出的时域有限差分法利用二阶精度的中心近似把Maxwell 旋度方程：

中的电场和磁场的微分运算直接转换为差分运算，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。差分迭代公式如下：

2.2 吸收边界条件

从理论上讲，对于“开域”电磁问题，比如天线的电磁辐射，障碍物的电磁散射，甚至开放或半开放的微波电路等，它们所涉及的电磁波均分布在无限空间。很明显任何计算机不能储存无限大的数据，因此必须限制场的计算区域的大小。为了在有限的计算机资源下，在时域模拟这些问题，必须在适当的地方设置吸收边界条件来截断计算空间，在截断边界内数值模拟电磁波传播以及电磁波与媒质的相互作用，而不考虑截断边界以外区域的电磁模拟。

本文使用完全匹配层[9-10]作为吸收边界条件。

2.3 连接边界条件

在时域有限差分法应用中，要引入平面波激励源，采用最多的方式是建立在总场/散射场体系[9-10]上的。通常将计算区域划分成总场区和散射场两个区域。在两区的连接边界上，为保证场的正确性，可根据“总场＝散射场＋入射场”引入连接边界条件。

2.4 计算区域剖分

空间步长Δ和时间步长Δt的大小对时域有限差分法十分重要，其选取必须保证计算的准确性和计算机的计算负荷。为了保证计算的稳定性[9-10]，Δ和Δt的关系为Δ/2c0，c0为真空中光速。

3.时域有限差分法计算金属含窗腔体的屏蔽效能

屏蔽体的屏蔽效果由该屏蔽体对电磁场强度削弱的程度决定，通常用屏蔽效能来度量。屏蔽效能定义为在电磁场中同一地点无屏蔽体存在时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比，用SE 表示。

式中：E0、H0 为某点无屏蔽体时的电场强度和磁场强度；Es、Hs 为某点加屏蔽体时的电场强度和磁场强度。

对于置于空气中的厚度为t、相对电导率（相对于铜）为σr、相对磁导率为μr的无 限大单层金属板的屏蔽效能SE 为：

式中为δ 为趋肤深度，f 为入射波的频率。可以看出在相当宽的频率范围内，金属板都有非常好的屏蔽效能。分析保护小室内的场时可以忽略由金属板透射进去的部分，只考虑由孔径泄漏的场。

如图1，一个铝制长方体含窗腔体，其体积为40×30×30，窗口大小10×10，一个垂直极化的正弦平面波作为入射场，其极化方向沿z 轴方向。

图2 比较了用时域有限差分法（FDTD）和用等效传输线法（ETL）计算在频率为300MHz 正弦平面波作用下腔体内正对着窗孔的中心线上的电场屏蔽效能。

从图 2 中可以看到，除了孔附近几个点，二者的计算结果吻合得很好，说明时域有限差分法计算含窗腔体屏蔽效能的有效性。

4.影响金属含窗腔体屏蔽效能因素的分析

4.1 入射波频率的影响

如图1所示算例，作为入射场的正弦平面波的频率从100MHz以50MHz的间隔递增到1.5GHz，图3 画出了窗口宽度l=10cm不变，腔体中心点电场屏蔽效能随频率变化而变化的曲线。

可以看出：

（1）在频率相对较低时，电场的屏蔽效能很高，说明屏蔽效果很好，随着频率的增加，电场屏蔽效能几乎是线性下降，说明随着频率的增加，屏蔽效果越来越差。

（2）在频率较高时，随着频率的增加，电场的屏蔽效能不再是线性下降，而是一条有起伏的曲线，这是因为屏蔽腔体可认为是一个谐振腔，在它的谐振频率点及其周围，屏蔽效能比较小。谐振腔的谐振频率的理论值为：

式中，c0 为自由空间的波速，m、n、l 决定了不同波的场结构模式。但由于开口、激励源等原因，它还不完全是一个真正的谐振腔，因此不能按照式（10）所表示的谐振腔的谐振频率的计算公式来对比。

4.2 窗口大小的影响

如图1 所示算例，腔体体积为80×60×60，一个垂直极化的核电电磁脉冲作为入射场，其极化方向沿z 轴方向，表达式为：

使用时域有限差分法程序计算，将窗口大小从 1×1 cm2调到40×40 cm2，得出腔体内中心点的电场屏蔽效能随窗口宽度变化而变化的曲线，如图4 所示：

从图 4 中可以看到，窗口大小从1×1增加到40×40，电场屏蔽效能下降了了将近70 dB，说明窗口越大，屏蔽效果越差。

5.结论

本文用时域有限差分法计算了含窗腔体的屏蔽效能，并且分析了影响含窗腔体屏蔽效能的因素，即入射波的频率和窗口的大小。从结果看，在进行屏蔽设计的时候，不仅要注意到 影响含窗腔体的屏蔽效能的一般规律，而且还要计及含窗腔体的谐振频率。