雙屏蔽箱體船用電子設(shè)備電磁屏蔽效能優(yōu)化研究*

羅名祺 金華標(biāo) 王 卓 喻方平

(武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

隨著船舶自動化程度的提高，越來越多的電子設(shè)備用于船舶通信、導(dǎo)航、監(jiān)測診斷及控制[1-3]，電磁環(huán)境更加惡劣.為了保證設(shè)備處于良好的電磁環(huán)境中，設(shè)備功能不至于降級，國內(nèi)外制定了相應(yīng)的公約條款對發(fā)射限值進(jìn)行了約束.其中CISPR 16-2-3無線電干擾和抗干擾測量儀器和方法，對電子設(shè)備的輻射發(fā)射限值進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，對156～165 MHz頻段提出了更高的要求，見圖1.

圖1 船用外殼端口輻射發(fā)射限值

船用通信設(shè)備具有高靈敏度的特點(diǎn)，易受到外部設(shè)備的電磁干擾[4-6].為保證船用電子設(shè)備良好的電磁兼容性，本文從單屏蔽箱體幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計、雙屏蔽箱體諧振特性分析和雙屏蔽箱體孔洞設(shè)計三方面，提出了使船用電子設(shè)備滿足船用外殼端口輻射發(fā)射限值要求的相關(guān)建議 .

1 單屏蔽箱體諧振機(jī)理分析

1.1 箱體諧振機(jī)理

屏蔽箱體諧振是引起端口輻射發(fā)射試驗(yàn)超標(biāo)的重要原因，分析箱體諧振特性可為箱體設(shè)計提供理論依據(jù).

分析諧振機(jī)理，電磁波進(jìn)入一個由導(dǎo)體制成的封閉空腔時，在腔內(nèi)將被連續(xù)反射，當(dāng)電磁波輻射發(fā)射頻率與腔體的諧振頻率重合時，形成駐波，發(fā)生諧振.根據(jù)波導(dǎo)理論[7-8]，諧振頻率計算公式為

(1)

式中：μ，ε為矩形腔體內(nèi)部空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率及介電常數(shù)；a，b，d分別為機(jī)箱的X軸、Y軸、Z軸的邊長；m，n，l分別為X軸、Y軸、Z軸的模數(shù).

基于以上公式進(jìn)行理論計算可知，箱體幾何尺寸越大，可在箱體內(nèi)部反射的電磁波頻率(箱體諧振頻率)越低，以TE101模諧振為例，當(dāng)a=d≥1 326 mm時箱體才可能在156～165 MHz頻段內(nèi)出現(xiàn)諧振頻點(diǎn).

1.2 本征模仿真

屏蔽箱體的本征模求解反應(yīng)了存在箱體內(nèi)部的電磁場結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的諧振頻率值，仿真結(jié)果可為屏蔽箱體的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考方案.

選擇更適合做寬頻帶、電大尺寸模型仿真的CST仿真軟件[9].首先在CST仿真軟件中建立屏蔽箱體模型，屏蔽箱體的結(jié)構(gòu)尺寸為：1 326 mm×500 mm×1 326 mm，壁厚2 mm，箱體材料為全密閉金屬PEC空腔，頻率范圍為0～2 GHz，邊界條件為電邊界，啟動本征模求解器開始求解.

仿真得到在0～2 GHz頻率范圍內(nèi)諧振頻點(diǎn)，以下列低頻模式下的諧振頻點(diǎn)為例，分別為160.348，253.519，320.675，322.739，342.077，358.492 MHz等.在模式一(即160.348 MHz)的電場分布，見圖2.

圖2 模式一，電場分布

由圖2可直觀地觀察到160.348 MHz諧振頻點(diǎn)箱體內(nèi)部的電場分布.因此，在設(shè)計屏蔽箱體時，為滿足船用通信頻段特殊限值要求，應(yīng)避免箱體尺寸a=d≥1 326 mm.

2 雙屏蔽箱體諧振特性分析

由上述諧振機(jī)理分析可知，屏蔽箱體結(jié)構(gòu)尺寸為a=d≥1 326 mm，船用電子設(shè)備在156～165 MHz頻段易輻射超標(biāo).添加的內(nèi)屏蔽箱體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了外屏蔽箱體結(jié)構(gòu)的諧振頻率轉(zhuǎn)移(雙屏蔽箱體諧振頻率主要由內(nèi)屏蔽箱體決定).

建立雙屏蔽箱體精簡模型，見圖3，內(nèi)屏蔽箱體與外屏蔽箱體之間的空間結(jié)構(gòu)稱為空隙結(jié)構(gòu)，屏蔽箱體的材料為鋁，內(nèi)、外屏蔽箱體的結(jié)構(gòu)尺寸分別為：200 mm×250 mm×100 mm，500 mm×550 mm×200 mm，厚度分別為2，3 mm， 縫長分別為150，200 mm，縫隙寬度均為2 mm，縫隙均平行于Y軸.以平面波為激勵，方向沿X軸負(fù)向，頻率范圍為0～2GHz，邊界條件為吸收邊界，在內(nèi)屏蔽箱體中心放置一個場強(qiáng)探針，內(nèi)屏蔽箱體與外屏蔽箱體的空隙腔內(nèi)放置七個場強(qiáng)探針，坐標(biāo)為：P1(250,275,100)，P2(100,275,100)，P3(400,275,100)，P4(250,275,25)，P5(250,275,175)，P6(250,100,100)，P7(250,450,100).

圖3 雙屏蔽箱體縫隙精簡模型

單獨(dú)對內(nèi)屏蔽箱體和雙屏蔽箱體進(jìn)行仿真分析，對比探針獲取的場強(qiáng)曲線，見圖4.

圖4 各屏蔽箱體諧振曲線

對諧振曲線分析，雙屏蔽箱體與內(nèi)屏避箱體(單屏蔽箱體)諧振曲線相比，諧振幅值明顯降低；空隙結(jié)構(gòu)的諧振特性對雙屏蔽箱體諧振特性的影響幾乎可以忽略(由諧振幅值對比可知).根據(jù)以上分析，與單屏蔽箱體相比雙屏蔽箱體提高了屏蔽效能，雙屏蔽箱體諧振特性由內(nèi)屏蔽箱體決定.

3 內(nèi)屏蔽箱體孔洞對雙屏蔽箱體諧振特性的影響

屏蔽箱體的屏蔽效果一般由電場屏蔽效能來衡量.在本文中選擇兩個頻點(diǎn)的場強(qiáng)值來計算雙屏蔽箱體的屏蔽效能.

(2)

式中：Eo為屏蔽前的電場強(qiáng)度；Es為屏蔽后的電場強(qiáng)度.本節(jié)中所有仿真均是用CST默認(rèn)的激勵幅度，即屏蔽前空間各點(diǎn)上的場均為1 V/m(0 dB V/m)，用此值減去仿真幅值結(jié)果即得到機(jī)箱屏效.

3.1 孔洞大小的影響

箱體結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性如上例所述設(shè)置，建立模型.在內(nèi)、外屏蔽箱體右側(cè)中心均開一個方形孔，外屏蔽箱體孔尺寸為20 mm×20 mm.以內(nèi)屏蔽箱體方形孔洞邊長為變量參數(shù)建立大量的仿真模型.以邊長為10 mm仿真得到的諧振曲線，見圖5.

圖5 雙屏蔽箱體諧振曲線

根據(jù)雙屏蔽箱體諧振曲線，以0.960和1.954 GHz兩個極易引起端口輻射發(fā)射測試超標(biāo)的諧振頻點(diǎn)為基準(zhǔn)，雙屏蔽箱體在不同邊長下的諧振幅值，見圖6.

圖6 諧振點(diǎn)幅值

由圖6可知，內(nèi)屏蔽箱體孔洞尺寸在邊長20 mm時兩個諧振頻點(diǎn)的諧振幅值皆達(dá)到極大值；孔洞邊長變大，諧振幅值整體不斷變大.在工程設(shè)計中，內(nèi)屏蔽箱體孔洞邊長小于10 mm，能夠有效提高屏蔽效能.

3.2 孔洞數(shù)量的影響

箱體結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性如上所述設(shè)置，同樣地，建立模型，外屏蔽箱體右側(cè)中心開一個方形孔，孔尺寸為20 mm×20 mm，分別在內(nèi)屏蔽箱體的右側(cè)中心沿著Z軸負(fù)方向10 mm開一個孔(孔A)、Z軸正方向10 mm開一個孔(孔B)、Y軸正方向10 mm開一個孔(孔C)及Y軸負(fù)方向開一個孔(孔D)，孔尺寸都設(shè)置為10 mm×10 mm，模型見圖7.分別在保留孔A、保留孔AB、保留孔ABC及保留孔ABCD仿真，諧振曲線見圖8.

圖7 開4個孔的屏蔽箱體

圖8 不同數(shù)量孔洞的諧振曲線

進(jìn)一步分析，ABCD四個孔的內(nèi)屏蔽箱體模型與20 mm×20 mm的內(nèi)屏蔽箱體模型孔洞面積一樣，分析其諧振特性，諧振曲線見圖9.

圖9 同面積孔洞諧振曲線對比

以0.960和1.954 GHz兩個極易引起端口輻射發(fā)射測試超標(biāo)的諧振頻點(diǎn)為基準(zhǔn)，對比諧振幅值，見表1～2.

由表1可知，內(nèi)屏蔽箱體孔洞數(shù)量的增多不利于保證良好的屏蔽效能，內(nèi)屏蔽箱體中的小孔洞與大孔洞相比，屏蔽效能提高很多.在相同開孔面積條件下，可通過將內(nèi)屏蔽箱體的大孔洞分散成小孔洞以提高箱體屏蔽效能.

表1 0.960 GHz諧振點(diǎn)幅值及屏效

表2 1.954 GHz諧振點(diǎn)幅值及屏效

4 結(jié) 束 語

在設(shè)計屏蔽箱體時，為滿足船用通信頻段特殊限值要求，應(yīng)避免箱體尺寸a=d≥1 326 mm；與單屏蔽箱體相比雙屏蔽箱體顯著提高了屏蔽效能，且雙屏蔽箱體實(shí)現(xiàn)了對外屏蔽箱體的諧振頻率轉(zhuǎn)移；在外屏蔽箱體孔洞邊長20 mm時，內(nèi)屏蔽箱體孔洞邊長小于10 mm能有效提高屏蔽效能；相同開孔面積條件下，內(nèi)屏蔽箱體的分散小孔洞設(shè)計與大孔洞設(shè)計相比，能有效提高屏蔽效能.