非線性磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊，周 暢，張 星，魏世樂，張建國

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非線性磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊1，周 暢2，張 星2，魏世樂2，張建國2

（1. 海軍駐719所軍代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響，基于CST EM工作室，結(jié)合工程實(shí)際，建立電纜三維仿真模型，對不同非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對比分析，研究結(jié)果表明，仿真計(jì)算的結(jié)果比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果更加貼近實(shí)際，理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小，而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大，其中1008鋼的整體屏蔽效能較高，鐵的屏蔽效能在低頻段隨頻率上升下降較慢，但是整體屏蔽效能較低。

電磁兼容 磁屏蔽 非線性

0 引言

艦艇作為集成了大量高新技術(shù)的武器平臺，艇上的電磁環(huán)境，尤其是低頻電磁環(huán)境越來越復(fù)雜[1-3]。相比一般頻段，低頻磁場屏蔽更為困難，對艦船的很多重要設(shè)備如聲納等有著重大的影響。為確保艦艇復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)斗力的正常發(fā)揮，低頻磁場的屏蔽一直很受重視[4-5]。

低頻磁場的屏蔽，最常采取的方法是用磁性材料制成屏蔽層包裹于強(qiáng)電電纜外圍，對強(qiáng)電電纜發(fā)射的低頻磁場進(jìn)行直接屏蔽，磁性材料本身的性質(zhì)、屏蔽層的厚度、屏蔽電纜所處的環(huán)境、屏蔽信號對應(yīng)的頻率直接關(guān)系到屏蔽層的屏蔽效果及其保護(hù)的敏感設(shè)備的正常工作，因此對于磁性材料屏蔽效能的定量預(yù)估十分關(guān)鍵，很多論文對磁性材料的低頻磁屏蔽效能進(jìn)行了分析和研究，并取得了一些結(jié)果。然而，以往的研究基本局限于孤立的試驗(yàn)或者仿真計(jì)算[6-8]，單純的試驗(yàn)雖然能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但是需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，而仿真計(jì)算則主要基于理想模型，對于與實(shí)際情況密切相關(guān)的非線性磁性材料屏蔽效能的仿真和計(jì)算研究較少。

本文針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響?；贑ST EM工作室，結(jié)合工程實(shí)際，建立電纜三維仿真模型，對理想磁性材料和不同種類的非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對比分析。

1 仿真模型及初始理論分析

本文的仿真計(jì)算利用CST EM Studio模塊，結(jié)合工程實(shí)際建立實(shí)體模型，如圖1所示的電纜模型。

（a） （b）

其中銅導(dǎo)線直徑為D1，絕緣層直徑為D2，磁屏蔽材料厚度為T1，整個電纜長度為L，磁屏蔽層的工作原理在于，磁屏蔽效能的定義公式如下：

式中，0為未加裝磁屏蔽材料時(shí)的磁場強(qiáng)度，1為加裝磁屏蔽材料之后的磁場強(qiáng)度，SE為磁場屏蔽能效，通過改變磁屏蔽層的材料并加以仿真計(jì)算，可以對不同材料在低頻頻段的屏蔽效能進(jìn)行定量分析，此外通過對經(jīng)驗(yàn)公式的對比，可以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 電纜磁場三維仿真及分析

按圖1和圖2設(shè)置CST EM模塊仿真模型，1=1.6 mm，2=10 mm，1=1 mm，=5 m，發(fā)射電纜傳輸信號幅度為0.001~1 A，頻率為500 Hz~100×103Hz，發(fā)射電纜邊界條件設(shè)置如圖2所示。

電纜正下方為金屬大地，前后方設(shè)置為電邊界，其它方向?yàn)榭諝饨缑妗＠硐氪判圆牧翔F和1008鋼的屬性設(shè)置按照CST EM Studio中的非線性材料庫中的設(shè)置進(jìn)行。

圖2 CST EM Studio電纜邊界條件設(shè)置

模型建立完成后，利用CST EM Studio中的低頻算法計(jì)算結(jié)果，如圖4為發(fā)射電纜傳輸信號幅度為0.0069 A，頻率為10 kHz時(shí)，非屏蔽電纜及加裝了鐵屏蔽材料的電纜三維仿真結(jié)果。

圖3電纜磁場分布仿真結(jié)果

從圖3（a）可以看出，在未加裝磁屏蔽層電纜的周圍空間中存在著較強(qiáng)的磁場，距離電纜20 mm以內(nèi)磁場強(qiáng)度大于10-8Vs/m2，隨著距離電纜越近，其磁場分布越強(qiáng)，由于電纜并非出于絕對的理想空間，電纜下方5 mm為金屬地面，因此磁場的分布較為復(fù)雜，在距離電纜較遠(yuǎn)的位置，靠近地面的區(qū)域磁場更強(qiáng)。從圖3（b）可以看出，加裝了磁屏蔽層以后，整個電纜磁屏蔽層外部的磁場大大減弱，磁場基本被限制在磁屏蔽層內(nèi)部及靠近此屏蔽層的有限區(qū)域內(nèi)部。

經(jīng)對比，結(jié)合式（1）算得10 kHz時(shí)理想磁屏蔽層的屏蔽效能為43.1 dB，而經(jīng)驗(yàn)公式算得磁屏蔽層的屏蔽效能為37.8 dB，計(jì)算結(jié)果較為接近，但是略有區(qū)別，主要是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式考慮的理想狀態(tài)下的磁性材料屏蔽效能，而實(shí)際環(huán)境中，電纜周圍環(huán)境受大地、設(shè)備、艙壁的影響，其屏蔽效果不可一概而論，電纜自身的性質(zhì)也不完全相同，全部套用經(jīng)驗(yàn)公式必然會有一定的偏差，而使用三維電磁場分析軟件，在邊界條件設(shè)置準(zhǔn)確、模型剖分充分、算法選擇合理的前提下，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是有保障的。

按照以上方法，在500 Hz~100×103Hz頻段，對理想磁性材料、鐵和1008鋼的構(gòu)成的磁屏蔽層進(jìn)行仿真計(jì)算，其屏蔽效能如圖4所示：

圖4電纜收/發(fā)模型仿真結(jié)果

由圖4可知，理想磁性材料的屏蔽效能在整個頻段內(nèi)基本保持不變。這是因?yàn)槔硐氪判圆牧系拇艑?dǎo)率保持恒定，根據(jù)式（1）可知，在磁導(dǎo)率不變的情況下，磁性材料的屏蔽效能主要由電纜的內(nèi)徑和磁性材料的厚度決定，因此理想磁性材料屏蔽效能受頻率影響很小。1008鋼的初始屏蔽效能較高，基本與理想磁性材料持平，500 Hz時(shí)為32.2 dB。但是隨著頻率的增加，1008鋼的屏蔽效能迅速降低，5 kHz時(shí)1008鋼的屏蔽效能僅為10.6 dB，之后隨著頻率的增加，其屏蔽效能慢慢恢復(fù)。100 kHz時(shí)，1008鋼的屏蔽效能為18.7 dB。鐵的屏蔽效能較低，500 Hz時(shí)為19.2 dB，隨著頻率的提高繼續(xù)降低，5 kHz時(shí)僅為10 dB，之后隨著頻率的增大慢慢增加，100 kHz時(shí)，其屏蔽效能為20.2 dB。1008鋼和鐵的屏蔽效能變化很大，這是因?yàn)?008鋼和鐵作為非線性材料，其磁導(dǎo)率受頻率影響很大，在500 Hz左右的低頻，其磁導(dǎo)率處于巔峰值，之后迅速降低，在20 ~100 kHz左右，其磁導(dǎo)率有所恢復(fù)，因此1008鋼和鐵的屏蔽效能也隨著磁導(dǎo)率的變化迅速變化。

綜上所述，CST EM studio仿真計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比，較為接近，在電纜結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境完全相同的情況下，磁導(dǎo)率較為穩(wěn)定的理想磁性材料磁屏蔽效能隨頻率變化較小，而鐵、1008鋼等非線性材料的磁屏蔽效能受頻率影響較大。

3 結(jié)論

本文基于CST EM Studio仿真模塊，結(jié)合工程實(shí)際，針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點(diǎn)分析了磁導(dǎo)率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響，對不同非線性磁性材料的屏蔽效能進(jìn)行定量計(jì)算和對比分析，研究結(jié)果表明，對于理想材料構(gòu)成的模型，屏蔽效能的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較為接近，并且理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小，而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大，其中1008鋼的整體屏蔽效能較高，但是在某些頻段，屏蔽效能下降達(dá)20dB，鐵的屏蔽效能下降較慢，但是整體屏蔽效能較低。由于CST EM Studio仿真模塊可以對電纜輻射發(fā)射進(jìn)行精確的剖分和計(jì)算，在仿真模型足夠精確的基礎(chǔ)上，其計(jì)算結(jié)果相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式更加準(zhǔn)確，可以對非線性磁性材料在各個關(guān)鍵頻段的屏蔽效能進(jìn)行定量預(yù)估和對比分析，可以有效的指導(dǎo)艦船電纜磁屏蔽層的設(shè)計(jì)，對于確保艦船敏感設(shè)備正常兼容工作，降低設(shè)計(jì)和制造成本具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和借鑒意義。

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Research on the Shielding Effectiveness of the Nonlinear Magnetic Material

Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Zhang Xin2, Wei Shile2, Zhang Jianguo2

(1. Naval Representatives Office in 719 Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China )

TM27

A

1003-4862（2016）10-0020-03

2016-05-09

熊鵬?。?968-），男，高級工程師。主要從事船機(jī)電、電磁兼容設(shè)計(jì)與研究。