基于CST泡沫鋁通風窗屏蔽性能的有限元模擬*

王錄才，張淑凱，王艷麗，張樹玲，王 芳

(太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

基于CST泡沫鋁通風窗屏蔽性能的有限元模擬*

王錄才，張淑凱，王艷麗，張樹玲，王 芳

(太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

針對通風窗屏蔽材料進行了分析研究，運用三維電磁場仿真軟件 CST (computer simulation technology)仿真了幾種常用通風窗結構的屏蔽效果，經對比發現，多孔泡沫材料在屏蔽效果上具有一定優勢。研究了頻率、孔徑和孔棱對多孔泡沫材料屏蔽效果的影響，為高孔隙率泡沫金屬在電子設備和屏蔽室等方面的研究及應用提供了參考。從模擬角度出發，運用三維電磁場仿真軟件CST，研究了泡沫鋁多孔材料的屏蔽性能，并將開孔泡沫鋁與蜂窩截止波導通風窗進行了仿真對比，研究發現，在兩者尺寸參數相差不大的情況下，開孔泡沫鋁與蜂窩截止波導通風窗的屏蔽性能相差不大；然而，開孔泡沫鋁具有更好的防塵效果以及成本上的優勢。研究了頻率、孔徑和孔棱對泡沫鋁屏蔽性能的影響，結果顯示，其在0～1 GHz頻段的屏蔽性能逐漸減小，同時孔徑和孔棱尺寸都會影響泡沫鋁的屏蔽性能。

多孔泡沫金屬；CST仿真；孔徑；孔棱

隨著人們對計算機運算頻率和存儲能力的要求越來越高，芯片和元器件的工作頻率也不斷增加，不斷提升的時鐘頻率使得電磁輻射污染成為了繼大氣污染、水污染和噪聲污染之后的第四大公害。電磁波輻射可擾亂人體的自然生理節律，導致免疫力下降，造成神經衰弱等；甚至可以誘導細胞變異，造成細胞癌變以及胎兒畸形等。電磁輻射的輻射源還會對電子設備的正常工作產生干擾，尤其是對于計算機、精密儀器、儀表以及智能化儀器設備等造成影響和危害。夾帶著信息的電磁輻射還可能會造成電磁信息的泄露，從而威脅到國家的信息安全。

采用屏蔽技術是解決電磁輻射問題的一個重要手段，但屏蔽體在阻隔電磁能量的同時，也不可避免地成為了阻礙氣流暢通的屏障，其可使熱量積聚，芯片和元器件溫度升高，從而影響工作性能[1-2]；因此，電磁屏蔽在結構設計和散熱熱設計上存在沖突點。

開孔泡沫金屬材料的出現為解決電磁屏蔽應用中出現的問題提供了另外一條思路。微孔三維泡沫金屬的結構是三維網狀結構，具有良好的通風效果，電磁信息通過泡沫金屬時產生反射、極化、吸收和衰減等電磁現象。從泡沫金屬的截面來看，其為金屬絲網結構；從厚度方向看，其可形成風的通道。

1 常用通風窗的屏蔽原理及分類

目前，大多采用金屬網、穿孔金屬平板和截止波導通風窗對通風窗進行電磁屏蔽[3]。金屬網和穿孔金屬平板的屏蔽效果較低，對一些精密儀器來說，不能滿足其要求。截止波導通風窗的電磁屏蔽效果雖然很好，但其體積較大，不便安裝于精密儀器及一些便于攜帶的電子儀器設備中；同時，其直孔的特點也導致了無法阻隔灰塵等一些對電子設備會產生巨大危害的顆粒物。為滿足精密儀器的高電磁屏蔽性能和高透氣散熱要求，筆者對發泡金屬電磁屏蔽材料進行了研究，取得了良好的研究結果。

1.1 通風波導屏蔽原理

根據波導理論，波導管存在一個截止頻率，當信號頻率高于截止頻率時，波導管是導通的；當頻率低于截止頻率時，電磁波被截止或衰減而不能傳輸，波導管實質上是高通濾波器。作為截止波導管，其長度比橫截面直徑或最大線性尺寸至少要大3倍。利用這個原理，可以設計出相對于某一頻率的截止波導管，使得干擾信號的頻率落在波導的截止區內，這樣干擾信號就不能穿過波導，即波導起到了電磁屏蔽的作用。工作在截止區的波導稱為截止波導。單根截止波導管的橫截面有矩形、圓形和六角形。截止波導板是由許多截止波導管依次排列組成的波導管陣。屏蔽性能 (shielding effectiveness,簡稱SE)由吸收損耗SZmin(l)、反射損耗Zmax(l)與多次反射損耗B等3個部分組成,通常吸收損耗SZmin(l)和反射損耗Zmax(l)占主要部分，B項可以忽略不計[4]。

在屏蔽設計中，使用最多的是截面為六角形的截止波導構成的蜂窩狀通風孔，又稱蜂窩波導板(見圖1)。從加工技術上來看，方形和圓形截止波導較難成型，而六角形截止波導相對容易加工成型。從結構強度來看，六角形蜂窩結構具有較高的壓縮強度。從表面處理技術上來看，六角形蜂窩結構由于沒有成型死角，因而在表面處理時不會產生不均勻現象。

圖1 六角形的截止波導通風窗

六角形波導管是利用截止波導高通濾波原理對電磁波進行屏蔽，即截止波導對高于截止頻率的電磁波予以通過，而對于低于截止頻率的電磁波進行衰減。截止頻率為：

fc=15/W×109(Hz)

式中，W為六角形蜂窩的外接圓直徑。

1.2 常用的幾種通風窗

通風窗應兼有良好的通風特性和電磁屏蔽特性，通常選擇由許多六角形截止波導管構成的通風板。因截止波導管的屏蔽性能較高，而且每個波導管的管壁很薄，因此通風效果較好[5]。目前，市場上銷售的有鋁制、鋼制和銅制蜂窩式通風板，防塵屏蔽通風板和超薄型防塵屏蔽通風板等。

通風窗的選用及設計步驟如下：首先，確定波導管的截面形狀，要屏蔽的最高頻率fmax，以及波導管的截止頻率fc；然后，計算截止波導管的截面特性尺寸l；最后，根據要求的屏蔽性能SE確定截止波導管的長度t。

1.3 發泡金屬類通風窗

新型發泡金屬屏蔽通風板的特點是厚度薄、質量輕和屏蔽性能高[6-10]，它是由發泡金屬制成的新型屏蔽通風窗。由于發泡金屬的金屬微孔尺寸很小，可在有限厚度的前提下達到較高的寬帶屏蔽性能和濾塵性能。屏蔽通風產品性能對比見表1。

表1 屏蔽通風產品性能對比

2 CST屏蔽模擬

2.1 CST軟件介紹

本文采用電磁仿真的時域求解器對泡沫鋁的近似三維模型進行仿真研究。CST[11-13]是全球最大純電磁場仿真軟件公司出品的三維全波電磁場仿真軟件，時域求解器是CST的主流模塊，它采用時域有限積分法(finite integration technique,簡稱FIT)對空間網格進行離散。本文選取UG和CST公用格式為公用接口。CST MWS的用戶界面如圖2所示。

因為模型結構具有可周期拓撲性，選用CST unit-cell單元胞作為仿真對象，unit-cell可以根據用戶設定的幾何參數進行拓撲。本文中的仿真對象如圖3所示，運用unit-cell，只需要計算出圖3中粗線所環繞的胞與其他的胞體的拓撲結構即可，即如圖4所示的所需參數。

圖3 需要仿真的單元 圖4 需要計算的參數

通過幾何運算，得到：

S1(x)=2sqr(2)l

(1)

S1(y)=sqr(6)l

(2)

Gridangle=asind(sqr(2/3))

(3)

式中，l是孔棱長度，單位為mm。

將式1～式4輸入到unit-cell求解對話框中，即可得到拓撲圖形，如圖5所示。

圖5 unit-cell 模型

2.2 常用通風窗模擬

常用的截止波導通風窗包括方形、圓形和六角形蜂窩結構。當三者空占比相同時，其屏蔽性能也大致相同。

蜂窩材料的仿真模型及其在0～1 GHz頻段的屏蔽性能如圖6和圖7表示。為增強對比，這里使屏蔽性能值為負值。蜂窩材料尺寸為鏤空六邊形，蜂窩孔邊長為3 mm，孔深為12 mm，厚度為0.5 mm，孔隙率為70.3%。

圖6 蜂窩材料仿真模型

開孔泡沫鋁的屏蔽性能如圖8所示，其模型尺寸為：孔徑3 mm，孔棱1 mm，孔隙率84.1%。

從圖7和圖8可以看出，開孔泡沫鋁的屏蔽性能比蜂窩形截止波導通風窗稍差，主要是因為蜂窩材料的孔棱較厚，其固相體積分數遠大于多孔泡沫材料，所以其電導率較高，屏蔽性能較好。兩者屏蔽性能相差大約10 dB，由于差別較小，因此可滿足大多數屏蔽環境的需要。

圖7 蜂窩材料的屏蔽性能

圖8 開孔泡沫鋁的屏蔽性能

奧地利Aluligh公司測量的開孔泡沫鋁板材在0.1～1 GHz頻段的屏蔽性能[14]如圖9所示。該板材材質為AlSi10，厚度為12.5 mm。

圖9 開孔泡沫鋁的屏蔽性能測定值

從圖9可以看出，開孔泡沫鋁屏蔽性能實測值與仿真模型的模擬結果基本吻合，說明采用CST軟件進行建模和仿真計算是可行的。

考慮到通風性能，并且在屏蔽性能可以允許的范圍內，兼顧散熱和屏蔽2個因素，則開孔泡沫鋁性能優于蜂窩材料。另外，蜂窩材料孔洞為直孔，灰塵無法過濾，而多孔材料為三維網狀結構，灰塵可以很好地吸附在通風窗表面，清洗方便。

本文針對影響開孔泡沫鋁屏蔽性能的因素，對開孔泡沫鋁進行了模擬，分析了頻率、孔徑和孔棱對開孔泡沫鋁的屏蔽性能的影響。

3 開孔泡沫鋁結構對屏蔽性能的影響

3.1 頻率對泡沫鋁屏蔽性能的影響

結合電磁屏蔽的傳輸線理論解釋電磁屏蔽原理。電磁波向通孔泡沫鋁中傳播，當電磁波到達泡沫鋁表面時，部分電磁波被基體鋁導體反射，剩余的電磁波透過泡沫鋁的表層進入泡孔內部，經過一個泡孔直徑的距離到達泡孔的另一層泡壁，又有部分電磁波反射回入射泡壁，部分電磁波透過此泡孔進入相鄰泡孔，繼續發生反射和透射，直至泡沫鋁板的另一側。上述過程反復繼續。當泡沫鋁材料固定后, 其屏蔽性能主要由干擾電磁波頻率決定。

從圖8可以看出，隨著干擾頻率的升高，SZmin(1)和Zmax(1)越來越小，說明反射的電磁波越來越少，透過的電磁波越來越多。泡沫鋁的屏蔽性能隨著頻率的升高而減小，是因為隨著頻率的增加，電磁波的穿透能力增強，使開孔泡沫鋁的電磁屏蔽性能逐漸降低。

合肥工業大學的項蘋等[15]研究了厚度h=5 mm，孔徑d=1.75 mm，孔隙率p=63.0%的開孔泡沫鋁試樣的電磁屏蔽曲線，如圖10所示。測試結果顯示，在50～850 MHz頻段，隨著頻率的增加，試樣屏蔽性能下降；頻率>850 MHz時，試樣屏蔽性能小幅上升。檢測結果整體與CST軟件模擬結果較好地吻合。

圖10 頻率對泡沫鋁電磁屏蔽性能的影響

3.2 孔徑對泡沫鋁屏蔽性能的影響

本文選取3組不同孔徑、相同孔棱尺寸的泡沫鋁進行仿真，尺寸參數見表2，仿真結果如圖11所示。

表2 3組尺寸參數

圖11 3組不同孔徑的泡沫鋁模型的屏蔽性能

比較圖11中的曲線可知，電磁波頻率在0～1 GHz 時，1號試樣(即孔徑較小的泡沫鋁模型)表現出更好的屏蔽性能，其屏蔽性能比孔徑較大的泡沫鋁高約10 dB。

根據二維金屬網的屏蔽性能計算公式可知，對于結構參數相同的泡沫金屬來說，材料的孔徑越小，屏蔽性能越高。這是因為孔徑越小，材料的表面積就越大，電導率就越高，材料的吸收損耗以及反射損耗就會較大，屏蔽性能也就越好。

3.3 孔棱對泡沫鋁屏蔽性能的影響

本文選取3組不同孔棱的泡沫鋁進行仿真，尺寸參數見表3，仿真結果如圖12所示。

表3 3組尺寸參數

圖12 3組不同孔棱的泡沫鋁模型的屏蔽性能

比較圖12中的曲線可知,電磁波頻率在0～1 GHz 時，3號泡沫(孔棱較大鋁模型)表現出更好的屏蔽性能,其屏蔽性能比孔棱較小的泡沫鋁高約10 dB。這是因為,從泡沫鋁結構上來看,當2種孔徑泡沫鋁的孔徑相等時,孔棱較粗的泡沫鋁相對于孔棱較細的泡沫鋁來說,其電導率相對較大, 材料的吸收損耗和反射損耗都會較大，屏蔽性能也隨之越好。

4 結語

運用三維電磁場仿真軟件CST，對開孔泡沫鋁模型與蜂窩截止波導通風窗進行屏蔽性能仿真。結果發現,在兩者尺寸參數相差不大的情況下，開孔泡沫鋁的屏蔽性能略小于蜂窩截止波導通風窗的屏蔽性能，但是開孔泡沫鋁的防塵效果以及成本優勢明顯。仿真研究了頻率、孔徑和孔棱對泡沫鋁屏蔽性能的影響,結果顯示,在0～1 GHz頻段，屏蔽性能逐漸減小，同時孔徑和孔棱尺寸也都會影響泡沫鋁的屏蔽性能。

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[14] http://www.ecka-granules.com/de/produkte/alulightr/.

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*山西省回國留學人員科研資助項目(2011-081)太原科技大學博士啟動基金資助項目(20102029)

責任編輯馬彤

工業機器人與機床制造形影不離

工業機器人的關鍵應用在于運動控制，而運動控制則是保證機床精度的一個重要因素。從這個角度來說，機床制造與機器人制造技術關聯度非常大；因此，近年來機床企業介入工業機器人制造的熱情愈發高漲。“精密”作為機床區別于其他機械的主要特征之一，一直是全球機床業不懈追求的目標。就像微納時代的出現離不開新興技術的扶持一樣，機床工具行業的智能化技術應用也碩果累累，機器人的出現更是進一步提升了機床微納的水平，內外工業機器人產業快速發展，已成為智能制造和工業自動化的關鍵技術和重要產品，也是數控機床走向自動化更高階段不可缺失的重要一環。我國機器人產業還很薄弱，機器人研究仍然任重而道遠，在某些關鍵技術上已經有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，尤其在自動控制、精加工和材料方面，具有中國知識產權的機器人很少，不少關鍵元器件至今尚不能自己生產或者性能不高，這些因素已經開始嚴重影響國產機器人做大做強的步伐。

——摘自中國機床網

SimulationofVentilationWindowShieldingPerformanceofAluminumFoambaseonCST

WANG Lucai, ZHANG Shukai，WANG Yanli，ZHANG Shuling，WANG Fang

(School of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technoloyy,Taiyuan 030024,China)

Shielding material of ventilation window was analyzed and studied in the paper, the shielding effect of several common ventilation window structure was simulated by the 3D electromagnetic field simulation software CST (computer simulation technology), and porous foam material has certain advantages in the shielding effect,which is found by comparison. The frequency, pore size and pore edges on shielding properties of porous material are studied then,which can provide help for the research and application of high porosity metal foam in electronic equipment, shielded room and so on. By simulant considerations, aluminum foam electromagnetic shielding performance is simulated by using electromagnetic simulation software CST. open-cell aluminum foams and Honeycomb cut-off waveguide of ventilation window are simulated and compared.With two dimensions of similar circumstances,the study found that difference between the shielding properties of open-cell aluminum foams and Honeycomb cut-off waveguide of ventilation window is not significant, but the open-cell aluminum foams has obvious advantages in terms of collection performance and cost. The frequency, pore size and pore edges on shielding properties of aluminum foam are studied, results show that the performance in 0～1 GHz band shielding decreases, while the pore size or pore edges will affect the shielding performance the foamed aluminum.

metal-foam, CST simulation, pore size, pore edges

TB 34

：A

王錄才(1965-)，男，教授，博士，主要從事新型金屬材料及特種鑄造工藝設備等方面的研究。

2014-08-04