船用電子設(shè)備VHF頻段屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究＊

金華標(biāo) 魏柳新 楊 偉 趙海鷗 喻方平

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

隨著船舶電氣自動(dòng)化的程度的提高，僅在駕駛臺(tái)這樣一個(gè)狹小的空間內(nèi)就分布各種船舶通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)，以及控制等設(shè)備，電子設(shè)備間的電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重.文獻(xiàn)［1］規(guī)定船舶電子設(shè)備必須滿足電磁兼容性要求.船舶甚高頻（very high frequency，VHF）通信設(shè)備是重要的船用電子設(shè)備，而且是易受到干擾的敏感設(shè)備.為此，IEC－60945《海上導(dǎo)航和無(wú)線電通信設(shè)備及系統(tǒng)一般要求、試驗(yàn)方法和要求的試驗(yàn)結(jié)果》中船用設(shè)備外殼端口輻射騷擾限值對(duì)其工作頻段156～165MHz提出了更高要求［2］.

為了滿足上述規(guī)范要求，本文提出了一種新型的VHF頻段屏蔽裝置進(jìn)行船舶VHF的電磁兼容性設(shè)計(jì).現(xiàn)行的技術(shù)手段主要是從VHF通信設(shè)備本身入手，提高其抗干擾能力，但前提是能夠預(yù)先確定干擾瞬時(shí)頻率的參數(shù)化模型，否則當(dāng)干擾與參數(shù)模型失配時(shí)將不能有效抑制干擾.由于船舶電子設(shè)備的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，精確的干擾瞬時(shí)頻率參數(shù)化模型很難獲取，因此這種方法具有一定的局限性［3－4］.本文提出從耦合途徑入手，降低處于同一環(huán)境的其他船用設(shè)備的輻射騷擾水平，在干擾耦合的過(guò)程中進(jìn)行VHF干擾的屏蔽濾除，因此不需要精確的干擾瞬時(shí)頻率參數(shù)化模型，具有更強(qiáng)的適用性.

1 屏蔽材料的作用機(jī)理

電磁屏蔽理論［5］認(rèn)為，電磁波傳播到屏蔽材料表面時(shí)，通常通過(guò)3種不同機(jī)理進(jìn)行衰減.

1）吸收損耗 電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)，會(huì)在屏蔽材料中產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)產(chǎn)生反磁場(chǎng)抵消原干擾磁場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生熱損耗.由渦流引起的這部分損耗稱為吸收損耗.

2）反射損耗 由于空間阻抗和屏蔽材料的固有阻抗不匹配，當(dāng)電磁波入射到屏蔽材料表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，從而減弱進(jìn)入屏蔽材料的電磁能量.由反射引起的這部分損耗稱為反射損耗.

3）多重反射損耗 由于透射波通過(guò)內(nèi)部衰減后，又碰到屏蔽層的另一側(cè)，在這個(gè)側(cè)面上又進(jìn)行反射和透射，反射波再次通過(guò)內(nèi)部，如此進(jìn)行多次的反復(fù)反射，使能量迅速衰減.

這樣總的衰減就包括這三部分之和，即

式中：SER為反射損耗；SEA為吸收損耗；SEM為多次反射損耗.

其中：μr為材料的相對(duì)于真空的磁導(dǎo)率；σr為材料相對(duì)于理想銅的電導(dǎo)率；f為電磁波的頻率；t為屏蔽層厚度；δ為趨膚深度，δ＝（πfμσ）－1／2（μ，σ分別為材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率）.

2 屏蔽裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)屏蔽理論和技術(shù)的研究，Wang等［6］設(shè)計(jì)了適用于大面積建筑的同心環(huán)結(jié)構(gòu)的EMI屏蔽結(jié)構(gòu)，盧俊等［7－8］研究了圓環(huán)單元，以及Y環(huán)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)頻率選擇表面頻率響應(yīng)特性的影響，舒楠等［9－10］提出了一種新型小型化頻率選擇表面，即在方環(huán)單元的內(nèi)部空間中增加曲折線長(zhǎng)度來(lái)增加諧振長(zhǎng)度.在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的VHF頻段屏蔽裝置進(jìn)行船舶電子設(shè)備VHF的電磁兼容性設(shè)計(jì)，并利用三維電磁仿真軟件CST進(jìn)行建模仿真.

在CST中VHF屏蔽裝置模型的三維視圖見(jiàn)圖1.

圖1 VHF屏蔽裝置模型三維視圖

圖1 中，基板由尺寸為250mm×250mm×0.2mm的FR4材料構(gòu)成，相對(duì)介電常數(shù)為4.5，基板表面涂覆導(dǎo)電材料，白色圓環(huán)和深黑色方環(huán)是由導(dǎo)電材料構(gòu)成，厚度為0.01mm，圓環(huán)半徑為r（mm），方環(huán)的邊長(zhǎng)為d（mm），假設(shè)基板左下角坐標(biāo)為（0，0），則圓心坐標(biāo)為（62.5，62.5），方環(huán)中心坐標(biāo)為（125，125）.

試驗(yàn)中使用1V／m的平面波激勵(lì).參考實(shí)際中屏蔽效能的測(cè)量，在軟件中試驗(yàn)裝置模擬布局間圖2.激勵(lì)源為無(wú)限遠(yuǎn)處的平面波，探針距離屏蔽裝置表面中心為20mm.

圖2 測(cè)試布局

3 影響因素仿真分析

3.1 圓環(huán)r的影響

圖3為方環(huán)邊長(zhǎng)d＝240mm，導(dǎo)電材料電導(dǎo)率σ＝5.8×107S／m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝1時(shí)，屏蔽裝置有效屏蔽頻段和屏蔽效能隨圓環(huán)半徑r的變化規(guī)律.從圖中可以看出，隨著圓環(huán)半徑r的增加，屏蔽裝置有效屏蔽頻段，以及屏蔽效能都沒(méi)有明顯變化.

圖3 屏蔽效能隨r變化示意圖

3.2 方環(huán)邊長(zhǎng)d的影響

圖4 為圓環(huán)半徑r＝50mm，導(dǎo)電材料電導(dǎo)率σ＝5.8×107S／m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝1時(shí)，屏蔽裝置有效屏蔽頻段和屏蔽效能隨方環(huán)邊長(zhǎng)d的變化規(guī)律.從圖中可以看出，隨著方環(huán)邊長(zhǎng)d的增加，屏蔽裝置有效屏蔽頻段降低，屏蔽效能隨之增大.

圖4 屏蔽效能隨d變化示意圖

3.3 電導(dǎo)率的影響

圖5 為方環(huán)邊長(zhǎng)d＝240mm，圓環(huán)半徑r＝50mm，導(dǎo)電材料相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝400時(shí)，屏蔽裝置有效屏蔽頻段和屏蔽效能隨電導(dǎo)率的變化規(guī)律.從圖中可以看出，隨著電導(dǎo)率的增大，屏蔽裝置有效屏蔽頻段并沒(méi)有明顯改變，當(dāng)電導(dǎo)率σ＝5×106S／m時(shí)，屏蔽效能達(dá)到最大.

圖5 屏蔽效能隨σ變化示意圖

3.4 相對(duì)磁導(dǎo)率μr的影響

圖6 為方環(huán)邊長(zhǎng)d＝240mm，圓環(huán)半徑r＝50mm，導(dǎo)電材料電導(dǎo)率σ＝2×106S／m時(shí)，屏蔽裝置有效屏蔽頻段和屏蔽效能隨相對(duì)磁導(dǎo)率μr的變化規(guī)律.從圖中可以看出，隨著相對(duì)磁導(dǎo)率μr的增加，屏蔽裝置有效屏蔽頻段并沒(méi)有明顯改變，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝2 000時(shí)，屏蔽效能達(dá)到最大.

圖6 屏蔽效能隨μr變化示意圖

4 屏蔽裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述結(jié)論，電導(dǎo)率以及相對(duì)磁導(dǎo)率改變，屏蔽裝置有效屏蔽頻段并沒(méi)有明顯改變，且實(shí)際中對(duì)導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率進(jìn)行精確控制難度較大，而Cu原料易得、應(yīng)用廣泛、加工簡(jiǎn)單，電磁參數(shù)穩(wěn)定，因此選擇Cu作為導(dǎo)電材料.在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變方環(huán)邊長(zhǎng)及圓環(huán)半徑大小使其有效屏蔽頻段在目標(biāo)頻段156～165MHz.最后，通過(guò)大量仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種滿足船用電子設(shè)備VHF頻段特殊要求的屏蔽裝置，其各參數(shù)為d＝245mm，r＝59mm，導(dǎo)電材料為Cu.圖7為該屏蔽裝置的屏蔽效能曲線.

5 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，屏蔽裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)屏蔽效果的影響大于電磁參數(shù)的影響，方環(huán)邊長(zhǎng)是影響屏蔽效果的主要因素，圓環(huán)半徑，材料的電導(dǎo)率及相對(duì)磁導(dǎo)率是次要因素.

根據(jù)所得結(jié)論，利用三維電磁仿真軟件CST進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了圓環(huán)半徑r＝59mm，方環(huán)邊長(zhǎng)d＝245mm，屏蔽體厚度t＝0.01mm，使用FR4基Cu材料的屏蔽裝置.該裝置屏蔽效果良好，在160.245Hz處的屏蔽效能為31.158dB.

圖7 d＝245mm，r＝59mm，材料為Cu時(shí)的屏蔽效能

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