非線性磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊，周 暢，張 星，魏世樂，張建國

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非線性磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊1，周 暢2，張 星2，魏世樂2，張建國2

（1. 海軍駐719所軍代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點分析了磁導率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響，基于CST EM工作室，結合工程實際，建立電纜三維仿真模型，對不同非線性磁性材料的屏蔽效能進行定量計算和對比分析，研究結果表明，仿真計算的結果比傳統經驗公式計算的結果更加貼近實際，理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小，而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大，其中1008鋼的整體屏蔽效能較高，鐵的屏蔽效能在低頻段隨頻率上升下降較慢，但是整體屏蔽效能較低。

電磁兼容 磁屏蔽 非線性

0 引言

艦艇作為集成了大量高新技術的武器平臺，艇上的電磁環境，尤其是低頻電磁環境越來越復雜[1-3]。相比一般頻段，低頻磁場屏蔽更為困難，對艦船的很多重要設備如聲納等有著重大的影響。為確保艦艇復雜電磁環境下戰斗力的正常發揮，低頻磁場的屏蔽一直很受重視[4-5]。

低頻磁場的屏蔽，最常采取的方法是用磁性材料制成屏蔽層包裹于強電電纜外圍，對強電電纜發射的低頻磁場進行直接屏蔽，磁性材料本身的性質、屏蔽層的厚度、屏蔽電纜所處的環境、屏蔽信號對應的頻率直接關系到屏蔽層的屏蔽效果及其保護的敏感設備的正常工作，因此對于磁性材料屏蔽效能的定量預估十分關鍵，很多論文對磁性材料的低頻磁屏蔽效能進行了分析和研究，并取得了一些結果。然而，以往的研究基本局限于孤立的試驗或者仿真計算[6-8]，單純的試驗雖然能夠得到較為準確的結果，但是需要耗費大量的人力、物力和時間，而仿真計算則主要基于理想模型，對于與實際情況密切相關的非線性磁性材料屏蔽效能的仿真和計算研究較少。

本文針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點分析了磁導率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響。基于CST EM工作室，結合工程實際，建立電纜三維仿真模型，對理想磁性材料和不同種類的非線性磁性材料的屏蔽效能進行定量計算和對比分析。

1 仿真模型及初始理論分析

本文的仿真計算利用CST EM Studio模塊，結合工程實際建立實體模型，如圖1所示的電纜模型。

（a） （b）

其中銅導線直徑為D1，絕緣層直徑為D2，磁屏蔽材料厚度為T1，整個電纜長度為L，磁屏蔽層的工作原理在于，磁屏蔽效能的定義公式如下：

式中，0為未加裝磁屏蔽材料時的磁場強度，1為加裝磁屏蔽材料之后的磁場強度，SE為磁場屏蔽能效，通過改變磁屏蔽層的材料并加以仿真計算，可以對不同材料在低頻頻段的屏蔽效能進行定量分析，此外通過對經驗公式的對比，可以確保仿真結果的準確性。

2 電纜磁場三維仿真及分析

按圖1和圖2設置CST EM模塊仿真模型，1=1.6 mm，2=10 mm，1=1 mm，=5 m，發射電纜傳輸信號幅度為0.001~1 A，頻率為500 Hz~100×103Hz，發射電纜邊界條件設置如圖2所示。

電纜正下方為金屬大地，前后方設置為電邊界，其它方向為空氣界面。理想磁性材料鐵和1008鋼的屬性設置按照CST EM Studio中的非線性材料庫中的設置進行。

圖2 CST EM Studio電纜邊界條件設置

模型建立完成后，利用CST EM Studio中的低頻算法計算結果，如圖4為發射電纜傳輸信號幅度為0.0069 A，頻率為10 kHz時，非屏蔽電纜及加裝了鐵屏蔽材料的電纜三維仿真結果。

圖3電纜磁場分布仿真結果

從圖3（a）可以看出，在未加裝磁屏蔽層電纜的周圍空間中存在著較強的磁場，距離電纜20 mm以內磁場強度大于10-8Vs/m2，隨著距離電纜越近，其磁場分布越強，由于電纜并非出于絕對的理想空間，電纜下方5 mm為金屬地面，因此磁場的分布較為復雜，在距離電纜較遠的位置，靠近地面的區域磁場更強。從圖3（b）可以看出，加裝了磁屏蔽層以后，整個電纜磁屏蔽層外部的磁場大大減弱，磁場基本被限制在磁屏蔽層內部及靠近此屏蔽層的有限區域內部。

經對比，結合式（1）算得10 kHz時理想磁屏蔽層的屏蔽效能為43.1 dB，而經驗公式算得磁屏蔽層的屏蔽效能為37.8 dB，計算結果較為接近，但是略有區別，主要是因為經驗公式考慮的理想狀態下的磁性材料屏蔽效能，而實際環境中，電纜周圍環境受大地、設備、艙壁的影響，其屏蔽效果不可一概而論，電纜自身的性質也不完全相同，全部套用經驗公式必然會有一定的偏差，而使用三維電磁場分析軟件，在邊界條件設置準確、模型剖分充分、算法選擇合理的前提下，計算結果的準確性是有保障的。

按照以上方法，在500 Hz~100×103Hz頻段，對理想磁性材料、鐵和1008鋼的構成的磁屏蔽層進行仿真計算，其屏蔽效能如圖4所示：

圖4電纜收/發模型仿真結果

由圖4可知，理想磁性材料的屏蔽效能在整個頻段內基本保持不變。這是因為理想磁性材料的磁導率保持恒定，根據式（1）可知，在磁導率不變的情況下，磁性材料的屏蔽效能主要由電纜的內徑和磁性材料的厚度決定，因此理想磁性材料屏蔽效能受頻率影響很小。1008鋼的初始屏蔽效能較高，基本與理想磁性材料持平，500 Hz時為32.2 dB。但是隨著頻率的增加，1008鋼的屏蔽效能迅速降低，5 kHz時1008鋼的屏蔽效能僅為10.6 dB，之后隨著頻率的增加，其屏蔽效能慢慢恢復。100 kHz時，1008鋼的屏蔽效能為18.7 dB。鐵的屏蔽效能較低，500 Hz時為19.2 dB，隨著頻率的提高繼續降低，5 kHz時僅為10 dB，之后隨著頻率的增大慢慢增加，100 kHz時，其屏蔽效能為20.2 dB。1008鋼和鐵的屏蔽效能變化很大，這是因為1008鋼和鐵作為非線性材料，其磁導率受頻率影響很大，在500 Hz左右的低頻，其磁導率處于巔峰值，之后迅速降低，在20 ~100 kHz左右，其磁導率有所恢復，因此1008鋼和鐵的屏蔽效能也隨著磁導率的變化迅速變化。

綜上所述，CST EM studio仿真計算結果與經驗公式計算結果相比，較為接近，在電纜結構及周圍環境完全相同的情況下，磁導率較為穩定的理想磁性材料磁屏蔽效能隨頻率變化較小，而鐵、1008鋼等非線性材料的磁屏蔽效能受頻率影響較大。

3 結論

本文基于CST EM Studio仿真模塊，結合工程實際，針對幾種常用的磁屏蔽材料，重點分析了磁導率的頻譜非線性對于磁性材料屏蔽能力的影響，對不同非線性磁性材料的屏蔽效能進行定量計算和對比分析，研究結果表明，對于理想材料構成的模型，屏蔽效能的仿真結果與傳統經驗公式計算結果較為接近，并且理想磁性材料屏蔽效能受頻率變化影響很小，而鐵和1008鋼等非線性材料的屏蔽效能受頻率變化影響較大，其中1008鋼的整體屏蔽效能較高，但是在某些頻段，屏蔽效能下降達20dB，鐵的屏蔽效能下降較慢，但是整體屏蔽效能較低。由于CST EM Studio仿真模塊可以對電纜輻射發射進行精確的剖分和計算，在仿真模型足夠精確的基礎上，其計算結果相比傳統經驗公式更加準確，可以對非線性磁性材料在各個關鍵頻段的屏蔽效能進行定量預估和對比分析，可以有效的指導艦船電纜磁屏蔽層的設計，對于確保艦船敏感設備正常兼容工作，降低設計和制造成本具有相當的指導和借鑒意義。

參考文獻：

[1] 陳窮, 等. 電磁兼容性工程設計手冊[M]．北京: 國防工業出版社, 1993.

[2] FELIZIANI M, MARADEI F. Full-wave analysis of shielded cable configurations by the FDTD method[J]. IEEE Trans. On Magn. 2002, 38（2）:761-764.

[3] 周暢,等. 基于CST的多電纜耦合影響仿真分析[J]. 艦船科學技術, 2015, 10(37): 77-80.

[4] 閻毓杰, 等. 艦艇雙絞線電纜耦合影響預測與仿真[J]. 艦船科學技術, 2012, 9(34): 103-106.

[5] 周暢, 等. 基于CST的接地電阻對金屬編織網屏蔽效果影響仿真分析[J]. 船電技術, 2015, 11(35): 19-22.

[6] 王德強, 等. 艦船磁場數值計算方法發展綜述[J]. 艦船科學技術, 2014, 3(36): 1-6.

[7] 陳巨龍, 等. 艦艇設備的電磁屏蔽技術[J]. 船電技術, 2004, 3: 27-29.

[8] 陳節貴, 等. 艦載機箱的磁場屏蔽特性仿真[J]. 中國艦船研究, 2009, 6(4): 76-78.

Research on the Shielding Effectiveness of the Nonlinear Magnetic Material

Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Zhang Xin2, Wei Shile2, Zhang Jianguo2

(1. Naval Representatives Office in 719 Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China )

TM27

A

1003-4862（2016）10-0020-03

2016-05-09

熊鵬俊（1968-），男，高級工程師。主要從事船機電、電磁兼容設計與研究。