雙層磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊，周 暢，王曉川

雙層磁性材料屏蔽效能研究

熊鵬俊1，周 暢2，王曉川3

（1. 海軍駐武漢第三軍代表室，武漢 430064；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064；3. 華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院）

為更有效消除船上敏感設(shè)備受到的低頻電磁干擾，研究了雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能。利用CST有限元計算軟件，建立強(qiáng)電電纜計算模型，對不同層間距情況下雙層磁性屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽效能進(jìn)行仿真計算。對比分析表明，在屏蔽材料總厚度一定的情況下，雙層磁性屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽效能隨外部屏蔽層直徑的增大而增大；當(dāng)屏蔽材料總厚度及外部屏蔽層直徑一定時，屏蔽效能隨內(nèi)部屏蔽層直徑的增大，屏蔽效能先增大，后降低，最高差距可達(dá)27 dB。

電磁兼容 雙層磁屏蔽 優(yōu)化

0 引言

現(xiàn)代艦艇作為綜合性作戰(zhàn)平臺，集成了聲納、通信等大量敏感信號類設(shè)備，為保證這些低頻敏感信號類設(shè)備正常工作，需要有效控制和消除其附近空間中的低頻電磁干擾。低頻電磁干擾主要以磁場耦合為主。降低低頻磁場耦合的方法較多，總體上采取合理的電纜分類敷設(shè)措施、對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行區(qū)域性布置確能取得一定的效果[1-2]，但是艦艇內(nèi)部空間極為寶貴，有限的空間無法完全按照磁場防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電纜和設(shè)備布置。因此采用屏蔽材料對關(guān)鍵部位進(jìn)行磁屏蔽成為電磁兼容設(shè)計師的必然選擇[3-6]。

由于低頻磁場對于一般銅、銀等非磁性、低磁性材料具有較強(qiáng)的穿透能力，因此低頻電磁干擾抑制較為困難。主流的電磁干擾抑制手段為在強(qiáng)電設(shè)備或電纜外加裝磁性屏蔽材料，對于磁性屏蔽材料的制造、安裝工藝等相關(guān)技術(shù)研究較多，并取得一定的成果[7-12]。但是考慮加工及安裝難度，單層屏蔽材料厚度不宜過厚，屏蔽效能有限，為抑制空間低頻磁場干擾，往往需要使用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。但是雙層屏蔽結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，影響因素較多，尤其是對交流狀態(tài)下雙層屏蔽結(jié)構(gòu)效能分析的研究報道相對較少[13-14]。本課題對雙層屏蔽結(jié)構(gòu)效能開展了研究。

1 仿真模型及機(jī)理分析

為有效模擬雙層磁性屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能，本文基于CST EM靜磁仿真模塊建立仿真雙層屏蔽電纜模型如圖1所示。

圖1 雙層屏蔽電纜CST EM模型

雙層磁性屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)屏蔽層外徑為1，厚度為1，外部屏蔽層外徑為2，厚度為2，內(nèi)外磁屏蔽材料磁導(dǎo)率均為，假設(shè)屏蔽區(qū)域無屏蔽層時磁場強(qiáng)度為0，加裝磁性屏蔽結(jié)構(gòu)后磁場強(qiáng)度為1，則磁屏蔽效能滿足

其中磁屏蔽效能可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，其中雙層圓柱型磁性屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽效能經(jīng)驗(yàn)公示如下：

經(jīng)驗(yàn)公式可以使設(shè)計人員快速對磁性屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能進(jìn)行估算。但是磁性屏蔽效能受屏蔽層結(jié)構(gòu)、外部邊界條件、材料自身非線性等各種因素影響較大，經(jīng)驗(yàn)公式無法對復(fù)雜情況進(jìn)行精確計算，利用CST有限元計算軟件對模型進(jìn)行參數(shù)化建模和仿真計算，可以對復(fù)雜模型進(jìn)行定量分析，確保計算快速，結(jié)果準(zhǔn)確。

2 電纜磁場三維仿真及分析

按圖1設(shè)置三維仿真模型參數(shù)，其中設(shè)定內(nèi)屏蔽層外徑為R，厚度為T，外部屏蔽層外徑為R，電纜長度=5 m，電纜信號強(qiáng)度為0.001 A-1 A，頻率為100×103Hz，發(fā)射電纜邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 雙層屏蔽電纜CST EM邊界條件設(shè)置

考慮到雙層屏蔽電纜周圍磁場分布的特異性，分別在電纜周圍均勻選取9個磁場強(qiáng)度監(jiān)測點(diǎn)，其位置如下圖所示：

圖3 磁場強(qiáng)度監(jiān)測點(diǎn)分布圖

圖3中L=2.5 m，L=1.2 m，L=60 mm，L=80 mm，L=100 mm。首先計算無屏蔽層時，各個監(jiān)測點(diǎn)屏蔽磁場強(qiáng)度，然后計算加載屏蔽層后各個監(jiān)測點(diǎn)屏蔽磁場強(qiáng)度，根據(jù)式（1）即可換算得到屏蔽層的屏蔽效能。

固定內(nèi)屏蔽層外徑為R=6 mm，外屏蔽層外徑R變化范圍從10 mm-26 mm，完成仿真計算，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)磁性屏蔽效能與外屏蔽層外徑R的關(guān)系圖如下；

圖4 磁場強(qiáng)度及屏蔽效能與外部屏蔽層外徑關(guān)系圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著外屏蔽層外徑2的增大，各磁場強(qiáng)度監(jiān)測點(diǎn)磁場強(qiáng)度不斷降低，這說明在內(nèi)外磁屏蔽層厚度，內(nèi)屏蔽層外徑等其它各項參數(shù)一定的情況下，外屏蔽層外徑越大，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的磁性屏蔽效能越強(qiáng)。其原因在于，內(nèi)外屏蔽層之間間隙增加，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)形成的低磁阻通路范圍增大，可以將內(nèi)部強(qiáng)電電纜發(fā)射的低頻磁場更加有效的禁錮于屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)部。同時，隨著外部屏蔽層外徑增大，屏蔽效能增強(qiáng)的趨勢變緩，這說明屏蔽層外徑增加到一定程度后，其帶來的屏蔽效能增益會慢慢降低。

考慮到磁屏蔽結(jié)構(gòu)的尺寸、成本及施工難度，雙層磁屏蔽結(jié)構(gòu)外屏蔽層外徑并非越大越好，可以根據(jù)具體情況具體選擇。

固定外屏蔽層外徑為2=26 mm，內(nèi)屏蔽層外徑1變化范圍從6 mm-25 mm，完成仿真計算。雙層屏蔽結(jié)構(gòu)磁性屏蔽效能與內(nèi)屏蔽層外徑R的關(guān)系圖如下；

圖5 磁場強(qiáng)度及屏蔽效能與內(nèi)部屏蔽層外徑關(guān)系圖

由圖5可知，隨著內(nèi)屏蔽層外徑R的增大，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的磁性屏蔽效能先增大，這是因?yàn)椋?dāng)內(nèi)屏蔽層外徑較小時，內(nèi)屏蔽層距離強(qiáng)電電纜較近，其形成的低磁阻通路范圍較小，屏蔽效能較弱。隨著內(nèi)屏蔽層外徑R的進(jìn)一步增大，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)磁性屏蔽效能開始降低，這是由于內(nèi)屏蔽層外徑R增大到一定程度后，內(nèi)、外屏蔽層之間的間距降低，雙層屏蔽層整體磁通路減少，導(dǎo)致屏蔽結(jié)構(gòu)整體磁性屏蔽效能降低、

以上分析可知，當(dāng)雙層磁屏蔽結(jié)構(gòu)外屏蔽層外徑一定時，內(nèi)屏蔽層外徑存在最優(yōu)值。可以根據(jù)仿真計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在不改變雙層屏蔽結(jié)構(gòu)整體厚度的情況下，確保其具有最優(yōu)的屏蔽效果。

綜上所述，CST EM仿真計算可以快速精確得到計算結(jié)果。同單層屏蔽層相比，雙層屏蔽層屏蔽效能明顯更高。此外，雙層屏蔽層內(nèi)、外層直徑的選擇對于屏蔽層整體的屏蔽效能有較大的影響。

3 結(jié)論

本文基于CST仿真軟件，建立了雙層磁性屏蔽材料模型，引入強(qiáng)電電纜，對雙層磁性屏蔽材料在電纜周圍不同位置的磁場屏蔽效能進(jìn)行綜合分析。研究結(jié)果表明，對于100 kHz的典型頻率點(diǎn)，屏蔽材料厚度一定的情況下，雙層磁性屏蔽材料的屏蔽效能隨外部屏蔽層的外徑增加而增大；而在外部屏蔽層外徑保持一定的情況下，屏蔽效能隨著內(nèi)部屏蔽層外徑的增加，先增大后減小，最大差距可達(dá)27 dB。由此可見，在保持雙層磁性屏蔽結(jié)構(gòu)整體尺寸的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計，可以有效的指導(dǎo)屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高屏蔽結(jié)構(gòu)的整體屏蔽效能。電纜屏蔽層是電纜電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵所在，基于CST設(shè)計軟件對電纜屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和整體仿真計算，可以快速、準(zhǔn)確完成復(fù)雜屏蔽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效增強(qiáng)艦船關(guān)鍵電纜電磁防護(hù)水平，提高設(shè)計效率。

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The Research on the Shielding Effectiveness of the Double-layer Magnetic Material

Xiong Pengjun1, Zhou Chang2, Wang Xiaochuan3

(1. The Third Naval Military Representativ Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 3. School of Optics and Electonic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430072, China)

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O482.54

A

1003-4862（2019）09-0006-04

2019-05-14

國防科工局JSCG2016110B006

熊鵬俊（1986-），男，高級工程師。研究方向：船機(jī)電、電磁兼容設(shè)計與研究。E-mail: rabbite6@126.com