雙屏蔽箱體船用電子設備電磁屏蔽效能優化研究*

羅名祺 金華標 王 卓 喻方平

(武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

隨著船舶自動化程度的提高，越來越多的電子設備用于船舶通信、導航、監測診斷及控制[1-3]，電磁環境更加惡劣.為了保證設備處于良好的電磁環境中，設備功能不至于降級，國內外制定了相應的公約條款對發射限值進行了約束.其中CISPR 16-2-3無線電干擾和抗干擾測量儀器和方法，對電子設備的輻射發射限值進行了詳細的規定，對156～165 MHz頻段提出了更高的要求，見圖1.

圖1 船用外殼端口輻射發射限值

船用通信設備具有高靈敏度的特點，易受到外部設備的電磁干擾[4-6].為保證船用電子設備良好的電磁兼容性，本文從單屏蔽箱體幾何結構設計、雙屏蔽箱體諧振特性分析和雙屏蔽箱體孔洞設計三方面，提出了使船用電子設備滿足船用外殼端口輻射發射限值要求的相關建議 .

1 單屏蔽箱體諧振機理分析

1.1 箱體諧振機理

屏蔽箱體諧振是引起端口輻射發射試驗超標的重要原因，分析箱體諧振特性可為箱體設計提供理論依據.

分析諧振機理，電磁波進入一個由導體制成的封閉空腔時，在腔內將被連續反射，當電磁波輻射發射頻率與腔體的諧振頻率重合時，形成駐波，發生諧振.根據波導理論[7-8]，諧振頻率計算公式為

(1)

式中：μ，ε為矩形腔體內部空氣介質的磁導率及介電常數；a，b，d分別為機箱的X軸、Y軸、Z軸的邊長；m，n，l分別為X軸、Y軸、Z軸的模數.

基于以上公式進行理論計算可知，箱體幾何尺寸越大，可在箱體內部反射的電磁波頻率(箱體諧振頻率)越低，以TE101模諧振為例，當a=d≥1 326 mm時箱體才可能在156～165 MHz頻段內出現諧振頻點.

1.2 本征模仿真

屏蔽箱體的本征模求解反應了存在箱體內部的電磁場結構和對應的諧振頻率值，仿真結果可為屏蔽箱體的幾何結構設計提供參考方案.

選擇更適合做寬頻帶、電大尺寸模型仿真的CST仿真軟件[9].首先在CST仿真軟件中建立屏蔽箱體模型，屏蔽箱體的結構尺寸為：1 326 mm×500 mm×1 326 mm，壁厚2 mm，箱體材料為全密閉金屬PEC空腔，頻率范圍為0～2 GHz，邊界條件為電邊界，啟動本征模求解器開始求解.

仿真得到在0～2 GHz頻率范圍內諧振頻點，以下列低頻模式下的諧振頻點為例，分別為160.348，253.519，320.675，322.739，342.077，358.492 MHz等.在模式一(即160.348 MHz)的電場分布，見圖2.

圖2 模式一，電場分布

由圖2可直觀地觀察到160.348 MHz諧振頻點箱體內部的電場分布.因此，在設計屏蔽箱體時，為滿足船用通信頻段特殊限值要求，應避免箱體尺寸a=d≥1 326 mm.

2 雙屏蔽箱體諧振特性分析

由上述諧振機理分析可知，屏蔽箱體結構尺寸為a=d≥1 326 mm，船用電子設備在156～165 MHz頻段易輻射超標.添加的內屏蔽箱體結構實現了外屏蔽箱體結構的諧振頻率轉移(雙屏蔽箱體諧振頻率主要由內屏蔽箱體決定).

建立雙屏蔽箱體精簡模型，見圖3，內屏蔽箱體與外屏蔽箱體之間的空間結構稱為空隙結構，屏蔽箱體的材料為鋁，內、外屏蔽箱體的結構尺寸分別為：200 mm×250 mm×100 mm，500 mm×550 mm×200 mm，厚度分別為2，3 mm， 縫長分別為150，200 mm，縫隙寬度均為2 mm，縫隙均平行于Y軸.以平面波為激勵，方向沿X軸負向，頻率范圍為0～2GHz，邊界條件為吸收邊界，在內屏蔽箱體中心放置一個場強探針，內屏蔽箱體與外屏蔽箱體的空隙腔內放置七個場強探針，坐標為：P1(250,275,100)，P2(100,275,100)，P3(400,275,100)，P4(250,275,25)，P5(250,275,175)，P6(250,100,100)，P7(250,450,100).

圖3 雙屏蔽箱體縫隙精簡模型

單獨對內屏蔽箱體和雙屏蔽箱體進行仿真分析，對比探針獲取的場強曲線，見圖4.

圖4 各屏蔽箱體諧振曲線

對諧振曲線分析，雙屏蔽箱體與內屏避箱體(單屏蔽箱體)諧振曲線相比，諧振幅值明顯降低；空隙結構的諧振特性對雙屏蔽箱體諧振特性的影響幾乎可以忽略(由諧振幅值對比可知).根據以上分析，與單屏蔽箱體相比雙屏蔽箱體提高了屏蔽效能，雙屏蔽箱體諧振特性由內屏蔽箱體決定.

3 內屏蔽箱體孔洞對雙屏蔽箱體諧振特性的影響

屏蔽箱體的屏蔽效果一般由電場屏蔽效能來衡量.在本文中選擇兩個頻點的場強值來計算雙屏蔽箱體的屏蔽效能.

(2)

式中：Eo為屏蔽前的電場強度；Es為屏蔽后的電場強度.本節中所有仿真均是用CST默認的激勵幅度，即屏蔽前空間各點上的場均為1 V/m(0 dB V/m)，用此值減去仿真幅值結果即得到機箱屏效.

3.1 孔洞大小的影響

箱體結構尺寸、材料屬性如上例所述設置，建立模型.在內、外屏蔽箱體右側中心均開一個方形孔，外屏蔽箱體孔尺寸為20 mm×20 mm.以內屏蔽箱體方形孔洞邊長為變量參數建立大量的仿真模型.以邊長為10 mm仿真得到的諧振曲線，見圖5.

圖5 雙屏蔽箱體諧振曲線

根據雙屏蔽箱體諧振曲線，以0.960和1.954 GHz兩個極易引起端口輻射發射測試超標的諧振頻點為基準，雙屏蔽箱體在不同邊長下的諧振幅值，見圖6.

圖6 諧振點幅值

由圖6可知，內屏蔽箱體孔洞尺寸在邊長20 mm時兩個諧振頻點的諧振幅值皆達到極大值；孔洞邊長變大，諧振幅值整體不斷變大.在工程設計中，內屏蔽箱體孔洞邊長小于10 mm，能夠有效提高屏蔽效能.

3.2 孔洞數量的影響

箱體結構尺寸、材料屬性如上所述設置，同樣地，建立模型，外屏蔽箱體右側中心開一個方形孔，孔尺寸為20 mm×20 mm，分別在內屏蔽箱體的右側中心沿著Z軸負方向10 mm開一個孔(孔A)、Z軸正方向10 mm開一個孔(孔B)、Y軸正方向10 mm開一個孔(孔C)及Y軸負方向開一個孔(孔D)，孔尺寸都設置為10 mm×10 mm，模型見圖7.分別在保留孔A、保留孔AB、保留孔ABC及保留孔ABCD仿真，諧振曲線見圖8.

圖7 開4個孔的屏蔽箱體

圖8 不同數量孔洞的諧振曲線

進一步分析，ABCD四個孔的內屏蔽箱體模型與20 mm×20 mm的內屏蔽箱體模型孔洞面積一樣，分析其諧振特性，諧振曲線見圖9.

圖9 同面積孔洞諧振曲線對比

以0.960和1.954 GHz兩個極易引起端口輻射發射測試超標的諧振頻點為基準，對比諧振幅值，見表1～2.

由表1可知，內屏蔽箱體孔洞數量的增多不利于保證良好的屏蔽效能，內屏蔽箱體中的小孔洞與大孔洞相比，屏蔽效能提高很多.在相同開孔面積條件下，可通過將內屏蔽箱體的大孔洞分散成小孔洞以提高箱體屏蔽效能.

表1 0.960 GHz諧振點幅值及屏效

表2 1.954 GHz諧振點幅值及屏效

4 結 束 語

在設計屏蔽箱體時，為滿足船用通信頻段特殊限值要求，應避免箱體尺寸a=d≥1 326 mm；與單屏蔽箱體相比雙屏蔽箱體顯著提高了屏蔽效能，且雙屏蔽箱體實現了對外屏蔽箱體的諧振頻率轉移；在外屏蔽箱體孔洞邊長20 mm時，內屏蔽箱體孔洞邊長小于10 mm能有效提高屏蔽效能；相同開孔面積條件下，內屏蔽箱體的分散小孔洞設計與大孔洞設計相比，能有效提高屏蔽效能.