夾網屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計算簡化模型研究

竇 龍，劉自力，秦德淳，呂全洲

(63956部隊，北京 100093)

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夾網屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計算簡化模型研究

竇 龍，劉自力，秦德淳，呂全洲

(63956部隊，北京 100093)

為了減少夾網屏蔽玻璃在電磁場數值計算中剖分的網格數量，基于時域有限差分周期結構譜算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)仿真了單層夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理論提取出金屬網的等效電導率，應用CST電磁仿真軟件建立了一種屏蔽玻璃仿真簡化模型，解決了細微結構屏蔽材料難以仿真計算的難題。仿真結果表明，等效電導率方法具有很高的計算精度，為計算具有細微結構屏蔽材料的機箱、方艙等結構的屏蔽效能提供了有效途徑。

夾網屏蔽玻璃；SFDTD；等效電導率；仿真簡化模型

0 引言

傳統的屏蔽材料主要是金屬板材，屏蔽體的物理性能受到金屬材料本身屬性的限制。為了滿足特殊應用場合的功能需求，新型屏蔽材料常常通過構建材料內部細微復雜的物理結構來實現材料的特殊性能。夾網屏蔽玻璃因其良好的透光性能和屏蔽效能，是制造防信息電磁泄密、防電磁干擾的機箱表盤及屏蔽體采光窗的關鍵材料[1-3]。夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能主要取決于玻璃板間所夾金屬網的材料、結構、層數，金屬網內部金屬網孔近似于矩形腔體，使夾網屏蔽玻璃具有一定的頻率選擇性，其屏蔽效能隨頻率變化，可視為一種色散媒介。由于金屬網具有十分之一毫米級的網狀結構，若將夾網屏蔽玻璃和設備機箱進行一體化整體仿真，將導致計算機仿真計算量巨大、計算時間漫長，甚至無法計算。

基于時域有限差分周期結構譜算法(Spectral Finite-Difference Time-Domain, SFDTD)[4-6]可以采用周期結構邊界條件，利用材料結構的周期性變化，以單個周期結構來替代無限大材料的電磁場數值仿真，從而達到簡化計算的目的。典型的周期結構電磁場數值算法能夠準確計算無限大周期結構材料的屏蔽效能，但當周期結構材料用于具體結構時，仿真計算上難以進行，例如，夾網屏蔽玻璃應用在屏蔽方艙上，求屏蔽方艙整體屏蔽效能十分困難。

為解決上述問題，本文提出了一種針對夾網屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計算的簡化模型。首先，該模型基于周期結構SFDTD算法仿真計算了典型夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能，然后，基于Schelkunoff屏蔽理論[7]提取出夾網屏蔽玻璃的等效電導率，最后，利用提取的等效電導率，在CST仿真軟件中將材料等效為均勻板材，從而極大減小了仿真計算材料屏蔽效能時的網格剖分量。該模型同樣適用于其他具有周期性細微結構的屏蔽材料屏蔽效能仿真分析。

1 屏蔽玻璃SFDTD算法計算模型建立

1.1 三維模型建立

夾網屏蔽玻璃的電磁防護能力主要與所夾金屬網的結構、材料參數有關，在實際應用中編織金屬網所用的金屬絲多數是圓柱體，本文為簡化網格剖分，將圓柱體結構簡化為立方體結構，金屬網的編織結構選擇十字交叉結構，選擇市場上主流的目數標準，基于SFDTD法建立金屬網計算模型。

40目、60目、100目、120目、160目金屬網的結構尺寸見表1。金屬網單個周期模型如圖1所示。

表1 金屬網的結構尺寸 (mm)

由于金屬網的網孔尺寸較小，FDTD網格剖分時將產生巨量的空間步長，本文采用周期結構SFDTD算法，對金屬網取單個周期，在長寬方向上采用周期邊界條件，在厚度上采用16層PML吸收邊界條件，程序采用Fortran語音編寫。周期邊界條件使金屬網單個周期結構的計算便可模擬無限大平面金屬網。

圖1 金屬網單個周期模型

1.2 屏蔽效能表達式

計算屏蔽材料的頻域屏蔽效能表達式為

(1)

式中：E0為入射波的頻域電場強度，EZ為透射波的頻域電場強度。

1.3 激勵源選取

計算采用高斯脈沖[8]，高斯脈沖函數時域形式為

(2)

頻域表達式為

(3)

2 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真結果

圖2為采用最高頻率為20 GHz的高斯脈沖(場強1 V/m)照射時，100目和160目純銅網的透射電場時域波形。圖3為40目、60目、100目、120目、160目純銅網的屏蔽效能對比圖。

圖2 透射電場時域波形

圖3 單層純銅網的屏蔽效能對比圖

對結果進行分析可以發現：(1)由于單層銅網具有等尺寸的近似矩形網孔，對入射波頻率具有選擇特性，高頻入射波更容易穿透狹小孔洞，因此單層銅網屏蔽效能隨入射波頻率的增大而減小。(2)金屬網目數越高網孔孔徑越小，網孔密度越大，屏蔽效能越高。

3 屏蔽玻璃屏蔽效能仿真簡化模型建立

本節通過建立屏蔽玻璃屏蔽效能仿真簡化模型，將具有細微網狀結構的夾網屏蔽玻璃等效成電導率隨頻率變化的平板材料，既可保證屏蔽效能計算的準確性，又可大幅度減少網格剖分，有效地縮短仿真計算時間。

3.1 屏蔽玻璃等效電導率提取方法

根據電磁脈沖屏蔽技術原理，當平面波垂直入射到無限大導體板時，如果板的厚度遠小于入射波波長，由Schelkunoff屏蔽理論，結合傳輸線理論[9]，可得出以下近似公式。

導體板的吸收損耗：

(4)

導體板表面反射損耗：

R=168+10lg(σr/μrf)(dB)

(5)

導體板材料多次反射修正項：

B=20lg (1-10-0.1A) (dB)

(6)

導體板的電磁屏蔽效能：

SE=(A+R+B) (dB)

(7)

式中t為導體板厚度，單位mm；f為入射波頻率，單位Hz；σr，μr為導體板相對于銅的相對電導率和相對磁導率。為簡化計算，建立屏蔽效能與電導率的直接聯系，μr值取1。于是

(8)

由式(8)可知無限大導體板材料電導率與屏蔽效能的對應關系，只要已知夾網屏蔽玻璃隨頻率變化的屏蔽效能，即可求出對應頻率變化的等效電導率，而夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能可采用前面所述的SFDTD算法計算結果。這里需要注意的是，求得的等效電導率包含了磁導率的變化，因此在計算材料屏蔽效能時，需將材料磁導率設為1，保證計算結果的有效性。

由于120目銅網屏蔽效能與100目結果相近，此處省略120目銅網電導率提取結果。圖5～8分別為提取40目、60目、100目、160目銅網隨入射波頻率變化的等效電導率。

圖5 40目銅網等效電導率

圖6 60目銅網等效電導率

圖7 100目銅網等效電導率

圖8 160目銅網等效電導率

3.2 仿真簡化模型建立

利用CST仿真軟件MWS工作室建立色散材料的功能，分別將40目、60目、100目、160目銅網的等效電導率及對應頻點輸入到色散材料的設置窗口，建立新材料M1、M2、M3、M4。對于建立的立方體，在X、Y方向設置周期邊界條件，厚度Z方向設置吸收邊界條件，激勵源與2.2節相同，該模型等效為無限大均勻平板材料。仿真求解器采用頻域求解器，簡化計算模型如圖9所示。

圖9 夾網屏蔽玻璃簡化計算模型

3.3 簡化模型仿真結果

應用新的等效材料M1、M2、M3、M4的簡化模型屏蔽效能仿真結果與周期結構SFDTD法仿真的銅網結果對比見圖10～13。

圖10 等效材料M1-40目銅網屏蔽效能仿真對比圖

圖11 等效材料M2-60目銅網屏蔽效能仿真對比圖

圖12 等效材料M3-100目銅網屏蔽效能仿真對比圖

圖13 等效材料M4-160目銅網屏蔽效能仿真對比圖

由屏蔽效能計算對比圖可以看出，簡化模型的計算結果與SFDTD法仿真的計算結果基本吻合，高頻部分存在1～2 dB誤差，計算結果可信度較高。

4 結論

通過本文的研究工作可得出以下結論：

(1)采用周期結構SFDTD方法可計算夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能。計算結果表明夾網屏蔽玻璃的屏蔽效能隨入射波頻率的增大而減小，金屬網目數越高屏蔽效能越好。

(2)根據SFDTD方法計算出的屏蔽效能，基于Schelkunoff屏蔽理論提取出夾網屏蔽玻璃的等效電導率，因此，可將夾網屏蔽玻璃等效為均勻色散介質平板。

(3)應用CST軟件MWS工作室建立簡化模型進行仿真。結果表明夾網屏蔽玻璃簡化模型的計算結果與周期結構SFDTD的計算結果基本吻合，高頻部分存在1～2 dB誤差，計算結果可信度較高。

(4)本文提出的簡化模型可將夾網屏蔽玻璃等金屬網材料等效為均勻板材，實現大尺寸網格剖分，大幅減小仿真計算量，使得在常規計算機計算速度條件下，可快速高效地實現夾網屏蔽玻璃和設備機箱一體化整體仿真。

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Study on the simplified simulation model of shielding window with metal mesh

Dou Long, Liu Zili, Qin Dechun, Lv Quanzhou

(63956 Unit of PLA, Beijing 100093, China)

In order to reduce the divided grids of shielding window with metal mesh electromagnetic calculation, the shielding effectiveness of the electromagnetic shielding window with metal mesh was simulated based on the periodic structures SFDTD (Spectral Finite-Difference Time-Domain ) method. According to the Schelkunoff shielding theory, the equivalent conductivity of the shielding glass was extracted and the simplified simulation model of shielding glass was established by the CST simulation software. This solved the problem that the shielding material with fine structures was difficult to simulation. The simulation results show that the equivalent conductivity method has high calculation precision and provides an effective way for calculating the shielding effectiveness of the object with the fine structure shielding materials, such as the case or the square cabinet etc.

shielding window with metal mesh; SFDTD; effective parameter; simplified simulation model

O441.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.003

竇龍，劉自力，秦德淳，等. 夾網屏蔽玻璃屏蔽效能仿真計算簡化模型研究[J].微型機與應用，2016,35(20)：13-16.

2016-05-19)

竇龍(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：電磁兼容性試驗。

劉自力(1963-)，男，博士，研究員，主要研究方向：目標特性、電磁兼容試驗評估。

秦德淳(1978-)，男，博士，工程師，主要研究方向：電磁兼容與電磁環境。