艦載機箱的磁場屏蔽特性仿真

陳節貴 方重華

1中國艦船研究院，北京100192 2電磁兼容性國防科技重點實驗室，湖北 武漢430064

艦載機箱的磁場屏蔽特性仿真

陳節貴1方重華2

1中國艦船研究院，北京100192 2電磁兼容性國防科技重點實驗室，湖北 武漢430064

以往針對機箱電場屏蔽特性的研究較多，而對其磁場屏蔽特性的研究較少。然而，電場和磁場的屏蔽特性并不完全一樣。因此，針對艦載機箱所受到的電磁輻射和干擾的威脅特征，基于有限積分技術對典型艦載機箱結構開展了磁場屏蔽特性仿真研究。獲取了重要的機箱內部磁場屏蔽效能、箱內磁場分布和電流分布等仿真結果。而且屏蔽效能的仿真結果與IEEE文獻中測試與計算結果吻合得很好，充分驗證了仿真的有效性。最后，對磁場屏蔽效能、內場分布和表面電流分布進行了分析。特別是對機箱非正面的電流分布給出了合理解釋，主要原因是與入射場的極化相關。研究成果對機箱的電磁防護設計提供了有力的技術支撐。

艦載機箱；屏蔽結構；電磁防護；屏蔽效能；仿真

1 引言

在現代戰爭中，抗電磁打擊能力是電子裝備在戰場生存的重要保證。對于現代艦船而言，為了減小艦船上通信系統遭受電磁武器攻擊，金屬屏蔽結構常被用來作為對應的防護措施，如圖1所示。一般而言，金屬結構的屏蔽性能采用屏蔽效能（SE）來衡量［1－2］。在現實情況中，為了連接信號線、饋電線以及用于觀測和散熱等，我們需要在金屬屏蔽結構的壁上開一些縫、孔甚至觀測窗口等。但正是這些孔縫等成為外部電磁能量進入裝備系統內部的耦合路徑，造成腔體內部諧振，降低電磁屏蔽效能。近年來，許多學者致力于提出相關理論和開展相關的實驗來研究不同的金屬屏蔽結構，把握其屏蔽特性及機理，以提高電子設備的屏蔽效能［3－4］。

圖1 典型金屬外殼屏蔽結構

然而，以往的屏蔽效能研究主要集中于電場屏蔽效能方面，而少有文獻涉及磁場屏蔽效能方面。因此，本文主要針對典型艦載機箱的磁場屏蔽特性開展研究，基于有限體積法（FIT）對機箱的磁場屏蔽效能、內場分布和電流分布進行了仿真和比對驗證，獲取了有助于提高艦載電子裝備防護能力的結論。具體內容組織如下：第二部分介紹屏蔽效能的定義；第三部分介紹了有限體積法基本原理和研究對象；第四部分給出電磁波照射時的典型機箱的磁場屏蔽效能以及電流分布，并分析得出相應的機理。

2 屏蔽效能定義

在絕大多數文獻中，屏蔽效能的定義如下：

式中，Eint和Hint分別是未作屏蔽時的電場強度和磁場強度，Eext和Hext分別是屏蔽后的電場強度和磁場強度；SEE和SEH分別是電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能。對同一個機箱而言，一般有下述關系：

由此可見，在磁場的屏蔽效能研究上是不能照搬電場屏蔽效能的研究結論的。因此，有必要對機箱的磁場屏蔽特性單獨加以研究。

3 研究方法和對象

眾所周知，有限體積法是一種用來分析電磁波與復雜結構相互作用的數值全波方法，已被廣泛地用于三維金屬結構屏蔽效能的研究。有限體積法由Weiland教授首先提出［5］。該數值方法提供了一種通用的空間離散化方案，可用于解決各種電磁場問題，從靜態場計算到時域和頻域的高頻應用與其他的許多數值方法不同，有限體積法將下列積分形式的麥克斯韋方程離散化，而不是離散化微分形式的麥氏方程：

其離散化的數學過程以方程（4）為例來作簡單說明（圖2），首先將Faraday定律應用在單個六面體網格（晶格）之上，然后將方程（4）左邊的表達式嚴格地展開為晶格的4條邊上電壓之和，而將方程右邊定義為4條邊所形成的曲面的磁通量隨時間的導數。不斷重復這一邊程，即可得到問題對應的線性方程組。

圖2 FIT技術細節

4 建模與仿真結果

在本節中，我們建立了典型機箱的幾何模型和電磁模型，分別如圖3和圖4所示。機箱的材質采用的是理想導體，厚度為1 mm。這一尺寸足以滿足我們所關心頻段的趨膚深度，所以電磁波對機箱壁的穿透是可以忽略的。對于縫隙這樣的特殊位置則采用了子網格技術來模擬其特殊的幾何特征，如圖4所示。子網格技術的使用既可以保證孔縫這類精細結構的電磁特性被有效表征，又不會增加大量的網格數。

圖3 標準機箱尺寸及入射波

圖4 機箱的網格模型（包含子網格）

相關計算信息如下：

計算頻率： 0.1～2 GHz

正六面體網格數： 73 600

網格尺寸： 1／10×最小波長

電磁波的入射和極化方向如圖3所示。

圖5和圖6分別給出的是典型機箱內磁場屏蔽效能的仿真結果和IEEE文獻［1］的測試與計算結果。從圖中可以看出，機箱內3個不同位置的磁場屏蔽效能值均吻合得較好 （尤其是機箱中心處），驗證了仿真方法的正確性和有效性。而且，都在700 MHz附近觀察到了顯著的諧振峰。這與機箱的第一諧振頻率（707 MHz）是非常接近的，說明此頻點的磁場屏蔽效能下降主要是由機箱的諧振引起的。圖7則給出的是在2 GHz時，機箱縫隙處沿x、y、z軸的磁場分布云圖。在沿x軸的縫隙處切面的云圖顯示，整個機箱被電磁波照射的表面上磁場很小，僅僅在兩個窄邊邊緣較大。沿y和z軸的縫隙處切面的云圖顯示出該機箱對磁場較好的屏蔽效果。機箱內外的磁場場強相差非常明顯，即使在縫隙處的場強也較小。而且，值得注意的是，機箱內的磁場也基本上是呈準諧振分布狀態。而機箱的表面電流分布則如圖8所示。由圖可見，由于是正面照射，感應電流主要分布在機箱的正面，其次是圖中的上下表面，而兩側相對較小。非正面的電流分布主要取決于入射波的極化方向。由于兩側的法矢量與入射磁場平行，根據J→= n×，故對應的電流值極小。只有在邊緣處，受邊緣效應的影響才略有部分電流分布。

圖5 機箱內不同位置的磁場屏蔽效能仿真

圖6 IEEE文獻的測試與計算結果

圖7（a） 機箱的x方向截面磁場場強云圖（與縫隙表面平行，頻率2 GHz）

圖7（c） 機箱的z方向截面磁場場強云圖（與縫隙長邊平行，頻率2 GHz）

圖8 機箱的表面電流分布（頻率2 GHz）

5 結束語

本文采用有限積分技術對典型艦載機箱的磁場屏蔽特性進行了仿真研究。獲取并分析了屏蔽效能、內場分布以及表面電流等重要結果。而且結合入射波的極化特點，對機箱非正面的電流分布給出了合理的解釋。

研究艦載機箱在外部電磁波輻射下的磁場屏蔽效能以及內部磁場等分布是極富于工程應用價值的。本文的研究方法和結果對于提高電子設備抗電磁武器打擊的防御能力，保障通信、雷達和導航等設備的正常工作具有重要指導和借鑒意義。

［1］ROBINSON M P，BENSON T M，CHRISTOPOULOS C，DAWSON J F，GANLEY M D，MARVIN A C，PORTER S J，THOMAS D W P.Analytical formulation for the shield鄄ing effectiveness of enclosures with apertures［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，1998，40（3）：240-248.

［2］POUHE D，MONICH G.Assessment of shielding effective鄄ness of gaskets by means of the modified Bethe's coupling theory［J］.IEEE Trans，Electromagn，Compat，2008，50（2）：305-315.

［3］LI M，DREWNIAK J L，RADU S，NUEBEL J，HUBING T H，DUBROFF R E，VAN DOREN T P.An EMI estimate for shielding－enclosure evaluation ［J］.IEEE Trans on Electromagn Compat，2001，43（3）：295-304.

［4］FANG C G，ZHENG S Q，TAN H，XIE D G，ZHANG Q.Shielding effectiveness measurements on enclosures with various aperture by both mode－tuned reverberation cham鄄ber and stem cell methodologies［J］.Progress In Electro鄄magnetics Research B，2008，2：103-114.

［5］CST GmbH，CST MICROWAVE STUDIO.user’s Manual 2009［M］.Darmstadt，Germany CST-Computer Simulation Technology AG，2008.

Simulation of Magnetic Shielding Effectiveness of the Enclosures on Ships

Chen Jie-gui1Fang Chong-hua2
1 China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China 2 The National Key Laboratory of Science and Technology of EMC，Wuhan 430064，China

Previous studies mainly focus on electrical field shielding effectiveness，but rarely touch upon the magnetic field shielding effectiveness.Actually magnetic field shielding effectiveness is different from electrical field shielding effectiveness.According to minatory characteristics of EM radiation and EMI which the ship's enclosures were exposed to，and based on the finite integration technique （FIT），the simulation research of magnetic shielding character of classic enclosures were conducted.Many important results were obtained，such as magnetic shielding effectiveness，magnetic field distribution and current distribution.In addition，the simulated results were in good agreement with the measured and calculated data from IEEE Transaction.Finally，magnetic shielding effectiveness，magnetic field distribution and current distribution were analyzed.In particular，the paper revealed that the current distribution on the non－front face was mainly due to the polarization of incident wave.The research results will provide effective technical support for electromagnetic protection design of enclosures on ship.

shielding enclosure；electromagnetism protection；shielding effectiveness；simulation

TN955

A

1673－3185（2009）06－75－04

2009-09-28

陳節貴（1978－），男，碩士研究生。研究方向：艦船電磁兼容。E鄄mail：aiweng＠yeah.net

方重華（1980-），男，博士，工程師。研究方向：艦船電磁兼容、電磁干擾與仿真分形電動力學