高頻狀態(tài)下的圓孔屏蔽效能經(jīng)驗公式★

盧 偉，王俊元

（中北大學 機械工程與自動化學院， 山西太原 030051）

0 引言

隨著國家電力的負擔越來越大，電力設(shè)備的安全問題就越顯得突出，用電子裝置對電力設(shè)備熱點的監(jiān)測就顯得尤其重要。但是電力設(shè)備周圍充斥的感應(yīng)電磁，干擾了電子設(shè)備的正常運行，因此電子設(shè)備必須具有良好的抗干擾能力。為確保這些設(shè)備在工作時不會受到外界電磁場的干擾，同時不對該環(huán)境中其他設(shè)備造成不允許的電磁干擾，必須對電子設(shè)備進行電磁屏蔽，對設(shè)備外殼的電磁屏蔽性能提出了很高的要求。在設(shè)備的外殼的材料選擇為冷軋鋼以后，屏蔽效能明顯提高。但是電子設(shè)備的外殼上不可避免的存在為了散熱、通風、操作等實際需要所設(shè)置的孔縫，成為電子設(shè)備屏蔽效能下降的一個主要原因。因此，研究孔洞直徑的大小對電子設(shè)備的屏蔽效能的影響就顯得格外重要。

1 孔洞對金屬屏蔽外殼效能的影響

帶孔洞的金屬外殼內(nèi)側(cè)的總的傳輸系數(shù)T總應(yīng)為金屬導(dǎo)體本身的穿透傳輸系數(shù)T1與孔洞的傳輸系數(shù)Tnh之和，即T總=T1+Tnh，考慮孔洞影響后的屏蔽體得屏蔽效能式（1）為：

對于磁場，在低頻時，屏蔽體總的傳輸系數(shù)取決于金屬板本身的傳輸系數(shù)，而在高頻時，則決定于孔洞的穿透傳輸系數(shù)，因而對磁場的屏蔽效能隨著頻率的增加而增加。

2 電磁屏蔽體設(shè)計要求

一般的電子設(shè)備外殼可以選擇輕便的塑料外殼或者合金外殼，但此處由于處在感應(yīng)磁場中，所以電磁屏蔽體應(yīng)采用高導(dǎo)電率的良導(dǎo)體制作。根據(jù)實際的電子設(shè)備外殼的材料的選擇，此處選擇屏蔽體材料為冷軋鋼，該種材料在實際工程中比較常用，其具有屏蔽效能大、抗腐蝕能力等優(yōu)點。電磁屏蔽體的厚度，從理論上講，屏蔽材料越厚越好，但是，對于工程而言，只要屏蔽材料的厚度是需要屏蔽的屏蔽進入材料厚度的1.5倍就夠了，此處選擇的頻率應(yīng)該為比較的典型的高頻頻率，所以此處頻率選擇為1.5 GHz，μr、σr為冷軋鋼相對銅的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別為μr=180、σr=0.17。所以頻率進入材料的厚度（4）為：所以屏蔽材料的厚度可選為10 mm?？紤]到工程需要，設(shè)計一般的電子設(shè)備的殼體結(jié)構(gòu)圖如圖1，體積為100×100×100 mm3。

圖1 金屬屏蔽外殼結(jié)構(gòu)圖

3 對孔洞屏蔽效果的仿真

為了被屏蔽對象(設(shè)備、單元電路和元器件等)能夠接受外界的信號，必須在屏蔽體上開設(shè)孔洞,電磁能量經(jīng)導(dǎo)線孔洞泄漏進入腔體，這是使屏蔽效能下降的一個重要原因。

1)影響屏蔽體的屏蔽效能的結(jié)構(gòu)因素

孔洞泄漏與多種因素有關(guān)，如場源的特性、離開場源的距離、電磁場的頻率、孔洞面積和孔洞形狀等，此處我們研究高頻狀態(tài)下孔徑和屏蔽效能的關(guān)系。

2) ANSYS屏蔽效能仿真

在周圍的環(huán)境中，高頻電磁波的屏蔽成為非常重要的問題，所以在建立單層金屬板模型時，選取取厚度d=10 mm，電磁激勵頻率f=1.5 GHz，在金屬殼體板上有單圓孔，并且孔洞面積逐漸增大，屏蔽體的電磁屏蔽仿真圖如圖2-5所示。

圖2 壁厚為10 mm，無孔洞時電磁波矢量圖

圖3 壁厚10 mm，孔半徑2 mm電磁波矢量圖

圖4 壁厚為10 mm，孔半徑為4 mm 電磁波矢量圖

圖5 壁厚為10 mm，孔半徑為10 mm電磁波矢量圖

由ansys仿真圖經(jīng)計算得出在孔洞半徑8 mm時屏蔽效能隨頻率變化圖如圖6所示。半徑隨屏蔽效能的關(guān)系圖如圖7所示。

圖6 隨頻率變化的屏蔽效能圖

圖7 圓洞直徑遞增屏蔽效能

由上面的圖表曲線可擬合成公式為：

SE=92-60lgR。

由理論屏蔽效能公式得知，在高頻時，屏蔽效能計算公式為：

結(jié)合本工程所建立的模型，S=πR2，屏蔽板面積等于A=100×100 m2=10 000 m2。

帶入上式化簡得出屏蔽效SE=93-60lgR。繪制成圖如圖8所示。

由圖可以看出，實際仿真結(jié)果符合理論公式要求。由相對誤差公式值，如表1所示。

圖8 屏蔽效能比較圖

表1 孔洞屏蔽效能誤差值

從表1中可以看出，仿真得出的數(shù)據(jù)和理論值相差不大，基本符合要求。

可以看出，在頻率為1 500 MHz的電磁波下，圓孔的直徑從1 mm增大到16 mm時，屏蔽效能逐漸降低，屏蔽效能逐漸減小。由實際的工程需求，屏蔽體內(nèi)的電子設(shè)備工作要求，屏蔽效能達到中級屏蔽效能30 dB以上就可以滿足一般屏蔽要求，所以小孔的半徑在10 mm以下就能滿足要求。并由此得出該屏蔽效能經(jīng)驗公式為：SE=93-60lgR。

4 結(jié)論

通過ANSYS建立模型，分析出在高頻時，實體屏蔽中材料的厚度和種類已經(jīng)不是電磁屏蔽效能提高的主要問題，當選擇孔洞為小圓形孔時，應(yīng)當盡量減小孔洞的面積來減小電磁泄漏，提高屏蔽體的屏蔽效能。并由實際仿真的結(jié)果得出經(jīng)驗公式符合理論公式SE=93-60lgR。當孔洞的半徑在10 mm以下時，屏蔽效能達到30 dB以上，滿足實際工程要求的屏蔽效能要求。

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