朱薇 陳業(yè)剛 時(shí)強(qiáng)
摘要:隨著系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率不斷提高,目前許多產(chǎn)品的內(nèi)部工作頻率已經(jīng)達(dá)到了數(shù)十吉赫茲。為了改善產(chǎn)品的電磁屏蔽性能,大多數(shù)產(chǎn)品使用了金屬機(jī)箱來屏蔽??紤]到散熱性能,金屬機(jī)箱上必須要有一些通風(fēng)孔。該文用全波仿真軟件CST仿真分析了在1~10GHz頻率范圍內(nèi),機(jī)箱面板上不同形狀通風(fēng)孔的屏蔽性能。比較了相同出風(fēng)面積下,不同孔洞形狀對(duì)屏蔽效能的影響。從而可以在滿足通風(fēng)散熱的要求下,快捷地設(shè)計(jì)出電磁屏蔽性能較好的通風(fēng)孔形狀。
關(guān)鍵詞:全波仿真軟件CST 通風(fēng)孔 屏蔽效能
中圖分類號(hào):TM937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2016)04(a)-0049-02
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,各種電子、電氣、信息設(shè)備的數(shù)量和種類越來越多,性能越來越先進(jìn),其使用場(chǎng)合和數(shù)量密度也越來越高。這就使得電子設(shè)備工作時(shí),常受到各種電磁干擾,包括自身干擾和來自其他設(shè)備的干擾,同時(shí)也對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在這種情況下,要保證設(shè)備在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作,則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就必須認(rèn)真考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)。如果忽視了這一問題,在新產(chǎn)品使用時(shí),干擾問題就會(huì)暴露出來。因此,及早地解決電磁干擾問題是機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要環(huán)節(jié)。由于機(jī)箱內(nèi)部電子器件需要與外部設(shè)備連接以及通風(fēng)散熱,屏蔽機(jī)箱不可避免地開有孔洞,如果孔洞的大小和形狀不合理就會(huì)造成嚴(yán)重的電磁能量泄漏。機(jī)箱機(jī)柜作為電子設(shè)備中工作單元,電子部件的載體,其電磁屏蔽效能(SE-Shielding Effectiveness)的高低對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行有重大的影響。因此,機(jī)箱屏蔽效能的測(cè)試分析也變得越來越重要。通過仿真軟件獲得機(jī)箱的屏蔽效能相對(duì)實(shí)際測(cè)試來說是一種既簡(jiǎn)便快捷又節(jié)約成本的有效途徑。更重要的是,軟件還能夠提供優(yōu)化機(jī)箱屏蔽效能的思路和相對(duì)直觀的洞察力。
1.機(jī)箱通風(fēng)孔模型設(shè)計(jì)
電磁屏蔽指的是使用金屬外殼來抑制或削弱電場(chǎng)和磁場(chǎng)。通常采用屏蔽效能定量分析和表示。其中,電場(chǎng)屏蔽效能,其定義如下:
SE=2010g(E1/E2)
式中:E1為入射平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度;E2為機(jī)箱內(nèi)部耦合電場(chǎng)的強(qiáng)度。
該文研究對(duì)象為相同通風(fēng)孔面積,金屬機(jī)箱面板上的方孔,圓孔,正六邊形孔的屏蔽效能。方孔邊長(zhǎng)為1 cm,圓孔半徑為0.56cm,正六邊形邊長(zhǎng)為0.62cm,厚度為1.2mm,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2.模擬結(jié)果及討論
在全波電磁仿真軟件CST中建模并仿真該機(jī)箱面板結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。用平面波來激勵(lì),邊界條件為周期邊界條件,仿真頻率為1~10GHz。
圖2為屏蔽效能的仿真模擬結(jié)果。由圖2可以看出,正六邊形孔機(jī)箱面板的屏蔽效能最好,其次是圓孔機(jī)箱面板,最差的是方孔機(jī)箱面板。
圖2結(jié)果是使用CST撒波工作室仿真得到的。CST微波工作室是基于FDlD(時(shí)域有限積分法)電磁場(chǎng)求解算法的仿真器,適合仿真電大尺寸寬帶頻譜結(jié)果。HFSS是基于FEM(有限元法)電磁場(chǎng)求解算法的仿真器,適合仿真電小尺寸三維復(fù)雜結(jié)果。
為了驗(yàn)證仿真的正確性和仿真軟件之間的一致性。用HFSS仿真同樣結(jié)構(gòu)的方孔機(jī)箱面板,屏蔽效能模擬結(jié)果如圖3所示。
由圖3可見,CST和HFSS的仿真結(jié)果的一致性很好。在設(shè)計(jì)機(jī)箱面板的通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)時(shí),機(jī)械工程師希望通風(fēng)孔盡量多、盡量大來滿足機(jī)箱散熱的要求,EMC工程師則希望通風(fēng)孔盡量小,來減少電磁輻射,滿足電磁兼容測(cè)試的要求。為了達(dá)到最優(yōu)結(jié)果,我們希望在通風(fēng)孔尺寸相同的情況下,優(yōu)化通風(fēng)孔的形狀,使得在相同的通風(fēng)面積下電磁泄漏最少。在機(jī)箱量產(chǎn)前,使用電磁仿真工具來模擬機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能,找出最優(yōu)機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu),是一種快速、便捷降低成本的方法。
3.結(jié)語
該文用全波仿真軟件CST模擬了不同形狀機(jī)箱面板通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。結(jié)果顯示在通風(fēng)面積相同的情況下,正六邊形通風(fēng)孔機(jī)箱面板的屏蔽效能最好。并使用仿真軟件HFSS仿真了相同形狀機(jī)箱面板的屏蔽效能,模擬結(jié)果一致。在機(jī)箱量產(chǎn)前,使用電磁仿真工具來模擬機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽效能,找出最優(yōu)機(jī)箱通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)是一種很快速、便捷、降低成本的方法。