雙層加載電路板屏蔽腔屏蔽效能研究

摘 要： 為了提高設備中電子元件抵御來自外界和內部其他元件的電磁干擾，根據傳輸線理論，將雙層加載電路板屏蔽腔體模型轉換為電路圖，利用電路圖推導出腔體中心屏蔽效能的等效公式。利用Matlab生成傳輸線法屏蔽效能曲線，并通過仿真軟件CST建模仿真，仿真結果與Matlab輸出曲線良好吻合，驗證了公式的正確性。運用CST研究了一些因素如電路板大小、數量、放置方式以及距孔縫的距離對屏蔽效能的影響。為了更加貼合實際，采用加載集成運算放大電路的印制電路板來研究腔體屏蔽效能以及腔體對電路板功能的影響，最后提出了一些提高屏蔽效能的方法。

關鍵字： 雙層屏蔽腔； 電磁屏蔽效能； 印制電路板； 傳輸線法

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0005?05

0 引 言

電子設備通常用機殼來屏蔽外界電磁場的干擾，機殼外部通常會開孔來提供通風性、可見性，而這樣的開孔會使外部的電磁場通過孔縫耦合到設備機殼內部，從而在機殼內部的設備或印刷電路板上感應出電流和電壓，降低設備或元件的性能，嚴重時會對內部設備造成損壞。因此，研究有空屏蔽腔對電磁干擾的電磁屏蔽效能有重要的實際意義和價值。從以往的研究看，提高屏蔽效能的方法有很多，如相同面積下，孔陣的屏蔽效能優于單孔的屏蔽效能，雙層孔的屏蔽效能優于單層的屏蔽效能[1]，也研究了很多因素對屏蔽效能的影響，如孔的大小，形狀，孔間距，電磁波極化方向[2?4]等。本文主要推導出雙層加載電路板屏蔽腔屏蔽效能公式，并運用CST仿真驗證，研究電路板大小、位置、數量等因素對后腔中心點屏蔽效能的影響。

1 理 論

平面波垂直照射雙層有矩形孔加載電路板的屏蔽腔的模型如圖1所示。一般情況下，由孔縫耦合進入屏蔽腔的能量要比穿透腔體壁進入屏蔽腔的能量要多，因此只考慮耦合能量[5]。

本文采用材料為銅的雙層屏蔽腔模型，分前腔和后腔兩部分。[a]，[b] 是屏蔽腔的寬和高，前腔長度為[d1]，后腔長度為[d2]；[w]，[l]為腔體上開孔的長和寬；[p]為后腔的中心觀測點；[q]為內層孔到PCB板的距離；PCB板厚度為[t′]；腔體厚度為[t]。

根據M.P.Robinson提出的傳輸線理論[2?6]，孔縫等效為兩端短路的共面帶狀傳輸線，矩形機殼等效為終端短路的波導。該模型等效電路圖如圖2所示。

2 仿真結果分析

為了驗證理論結果的正確性，用電場強度為[1 V?m-1]的平面電磁波照射厚度為1 mm的矩形屏蔽殼，腔體尺寸為[300 mm×120 mm×600 mm]，其中前腔長[300 mm]，后腔長[300 mm]，孔縫尺寸為 [80 mm×][20 mm]，介質板尺寸為[300 mm×120 mm×1 mm]，安裝在距離第二層孔縫[100 mm]處，仿真頻率為[200 MHz～1 GHz]。

介質板中心與開孔中心以及觀測點在一條直線上，當屏蔽腔內有介質板時，入射波耦合進入腔體，遇到介質板，發生介質損耗，電磁波能量主要分為三部分：一部分透過介質板進一步傳播，一部分反射，還有一部分通過介質板與腔體的縫隙發生繞射，介質板還會吸收能量。由于電磁波的透射和繞射，在介質板之后的空間還存在電磁場。

圖3是采用等效傳輸線法和CST仿真方法在后腔中心點屏蔽效能的對比，可以看出兩種方法的結果在低頻有部分差異，但在300 MHz以后較好吻合。且腔體在707 MHz出現諧振現象。

下面討論因素對屏蔽效能的影響。

2.1 改變介質板大小對屏蔽效能的影響

圖4中內層孔到加載PCB板的距離q=100 mm，采用三種不同大小的介質板，分別為500 mm×10 mm，100 mm×40 mm和200 mm×80 mm。可以看出，在給定頻率范圍內，介質板越大，腔體屏蔽效能越高，這是因為介質板越大，其介質損耗越大，諧振點的場強越小，屏蔽體的屏蔽效能越大。

2.2 介質板與第二層孔縫之間的距離對屏蔽效能的

影響

介質板尺寸不變為300 mm×120 mm×1 mm。內層孔到加載PCB板的距離q變化。在這里q分別取50 mm，100 mm和290 mm，最后和沒有PCB板的情況做對比。

由圖5可知，在給定頻率范圍內，介質板離第二層孔縫越遠，屏蔽效能越低。當介質板離第二層孔縫50 mm的時候，大部分耦合場發生反射，耦合出腔體，因此第二層腔體中心場強是最小的，屏蔽效能是最大的，隨著距離的增大，腔體中心場強也逐漸增大，當增加到290 mm的時候，腔體中心場強達到最大值，與無介質板時的場強接近，屏蔽效能也與無介質板時接近。

2.3 介質板數量對屏蔽效能的影響

介質板大小均為300 mm×120 mm×1 mm，當只有一塊介質板的時候，放置在距第二層孔縫100 mm的地方，即圖1中q=100 mm的地方；當有兩塊介質板的時候，放置在距離第二層孔縫50 mm和100 mm的地方，即圖1中q=50 mm和q=100 mm的地方，當有三塊介質板的時候，放置在距離第二層孔縫50 mm，100 mm和150 mm的地方，即圖1中q=50 mm，q=100 mm和q=150 mm的地方。仿真結果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著介質板數量的增加，腔體中心位置的屏蔽效能有所增加。

2.4 介質板不同放置方式對屏蔽效能的影響

介質板大小不變，以下面三種不同的方式放置：與第二層孔縫平行，放置在距離地二層孔縫100 mm的位置；與側面平行，放置在垂直于孔縫長邊中央的位置；與地面平行，放置在垂直于孔縫短邊中央的位置。三種放置方式如圖7所示。

三種情況仿真結果如圖8所示。

由圖8可知，介質板平行與地面放置時屏蔽效能最差，其他兩種放置方式對屏蔽效能影響不大。

3 加載集成運算放大電路板對屏蔽效能的影響

實際的印制電路板和等效的宏觀介質板還是存在一定的差異，在這里，將宏觀介質板替換為集成運算放大電路板，如圖9所示。

對比介質板和電路板在屏蔽腔中對屏蔽效能的影響，設置介質板大小與電路板相同，均為75.59 mm×25.69 mm×0.711 2 mm，均將模型放置在屏蔽腔后腔中心距z軸原點-99.288 8 mm的位置，此處介質板為前面提到的電導率為[σ=0.22 S?m-1]介電常數為[εr=2.65]的宏觀介質板，印制電路板采用圖9所示的加載集成運算放大電路的電路板。運用CST，將電路板的PCB模型導入到CST的微波工作室中，經過仿真后，其結果如圖10所示。

由圖10可知，在大小、厚度、放置位置相同的情況下，宏觀介質板和印制電路板得到的屏蔽效能相差不大，即用宏觀介質板等效替代印制電路板誤差較小。

加載印制電路板后腔體屏蔽效能主要表現在電路板表面電場強度的變化和表面電流的不同，通過CST仿真，得到下述結果。

3.1 電路板表面電場

從由圖11和圖12可知，無屏蔽時最大場強為[11.070 7 V·m-1]，有屏蔽時最大場強為[0.164 V·m-1]，可見屏蔽腔對電路板起到了良好的屏蔽效果。并且相隔較近的導線之間容易引起高場強，如果沒有屏蔽，將會引起電路板的正常工作，嚴重時引起損壞。

3.2 電路板表面電流

圖13中，無屏蔽時電路板表面電流最大值為[0.014 93 A·m-1]，圖14中，有屏蔽時電路板表面電流最大值為[2.091 8e-005 A·m-1]，明顯比無屏蔽時減小許多，說明屏蔽腔對電路板起到了良好的屏蔽效果。

4 結 語

本文用傳輸線等效模型推出雙層加載電路板矩形腔體屏蔽效能的計算公式，通過仿真驗證了公式的正確性，并得出結論：在給定頻率范圍內，介質板越大，腔體屏蔽效能越高；介質板離第二層孔縫越近，屏蔽效能越高；介質板數量越多，屏蔽效能越高；介質板平行與地面放置時屏蔽效能最差，其他兩種放置方式對屏蔽效能影響差別不大。通過以上結論，在設計機殼時，可以通過對內部電路板的合理布局提高系統的屏蔽效能，同時，腔體內電路的響應頻率應當避開腔體的諧振頻率。

在本文中，為了更加貼合實際應用，將等效介質板替換為加載集成運算放大電路的印制電路板模型，通過CST仿真，驗證了宏觀介質板等效代替印制電路板的有效性和相似性，并且驗證了屏蔽腔體對內部電路板良好的屏蔽效果以及屏蔽腔體對電路板功能的影響。

參考文獻

[1] 宋航，陳潔，劉應剛.高次模傳輸線法分析有空雙層屏蔽腔體屏蔽效能[J].高電壓技術，2009，35（4）：877?882.

[2] ROBINSON M P ， BENSON T M ， CHRISTOPOULOS C D， et al. Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures [J]. IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility， 1998， 40（8）： 240?248.

[3] 路宏敏，劉國強，余志勇，等.加裝印刷電路板的圓孔陣矩形機殼屏蔽效能[J].強激光與粒子束，2009，21（1）：108?111.

[4] NIE Bao?lin， DU Ping?an， YU Ya?ting， et al. Study of the shielding properties of enclosures with apertures at higher frequencies using the transmission?line modeling method [J]. IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility， 2011， 53（1）： 73?81.

[5] 黃輝敏，張衛東，李繼琨，等.含有介質板的有空矩形腔體耦合特性分析[J].信息與電子工程，2012，10（2）：161?164.

[6] GUPTA K C， GARG R， BAHL I J. Microstrip lines and slot line [M]. Morocco： Norwood Artech House，1979.

[7] TOMAS D W P， KONEFAL T， BENSON T M， et al. Characterization of the shielding effectiveness of loaded equipment enclosures [C]//Proc of IEEE Electromagnetic Compatibility Conference. [S.l.]： IEEE，1999： 464?468.

[8] 汪柳平，高攸綱.裝有電路板孔陣矩形腔對快上升前沿電磁脈沖的屏蔽效能[J].強激光與粒子束，2008，20（1）：162?166.

[9] 宋航，饒育萍，張超，等.有空雙層屏蔽腔體的寬屏帶屏蔽效能[J].強激光與粒子束，2008，20（10）：1684?1687.

[10] 徐亮.縫隙對屏蔽效能的仿真[J].信息與電子工程，2008，6（3）：176?179.