基于場仿真的方艙電磁屏蔽設計

王屹煒 張海濤 于東旭 張洪偉

（江蘇省南京市中電萊斯信息系統有限公司 江蘇省南京市 210007）

隨著戰場上電子對抗技術的不斷發展，對作戰設備的抗電磁干擾能力提出了越來越嚴格的要求。提高作戰設備的抗電磁干擾能力，就是最大程度上減少干擾源對敏感設備的電磁耦合，這里的干擾源包括方艙外部的電磁輻射以及方艙內部電子設備的電磁能量泄露。抑制電磁干擾的主要方式是接地和電磁屏蔽[1]。其中電磁屏蔽的方法能夠有效解決大部分的空間電磁干擾問題。方艙以其良好的機動能力、快速的作戰反應能力已經成為現代武器裝備的重要組成部分。電磁仿真分析軟件可以計算屏蔽體內廠的分布和屏蔽效能，為前期屏蔽方案的制定和后期電磁屏蔽檢測提供指導依據。[2]

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽技術就是利用金屬屏蔽材料將干擾源和敏感設備之間的輻射耦合途徑隔離開，當電磁場對金屬屏蔽體進行透射的時候，一部分電磁波被反射回去，一部分電磁波被吸收，剩下的才透射進屏蔽體內部。電磁波的反射，本質是媒質分界面上的平面波反射現象，反射的大小與分界面處空氣的波阻有關[3]。輻射源的特性、輻射源的波長以及輻射源與空間某點d0的距離共同決定了該點的波阻大小。如果金屬屏蔽材料是理想導體，則入射的磁場將完全被抵消。實際情況中，導體總是有電阻，部分電能被金屬吸收轉化成了熱能，磁場因此被衰減。良導體材料可以對高頻磁場起到很好衰減作用。電磁波場強振幅衰減到表面場強1/e 的深度稱為趨膚深度，用δ 來表示。其中f 是電磁波的頻率，μ 是金屬屏蔽體的磁導率，σ是金屬屏蔽體的電導率。

設電磁波在金屬屏蔽板中的傳播距離為t，則電磁場在板中的場強分布與傳播距離的關系為。[3]在高頻磁場中，金屬屏蔽板通過吸收與反射兩種方式對場強進行衰減，可得到屏蔽效果Ar如下式所示。[4]可見理想情況下的屏蔽效果與金屬的電導率及磁導率有關，且在低頻時金屬屏蔽體的材料特性是影響方艙屏蔽效果的主要因素；而在高頻區，方艙結構設計是影響屏蔽效果的主要因素。

2 電磁仿真分析

圖1：HFSS 仿真模型

圖2：不同開窗孔徑對屏蔽效能的影響

圖3：不同的開窗形式

圖4：不同長度的縫隙

目前方艙一般采用“內外連續”的雙層屏蔽結構，而大阪的雙層結構在方艙艙門、采光窗、轉接壁盒等地方均需開孔處理，這些局部的電不連續面會影響方艙的電磁屏蔽效能。在方艙設計階段利用電磁場仿真軟件對結構進行前仿真，并通過仿真結果去調整結構設計，能夠極大的提高方艙電磁兼容設計的效率。按照國軍標要求，方艙內外空間電磁波的信號強度應該相差40dB 以上，為了滿足上述要求，在方艙的窗戶、活動門、活動窗、通風窗等部位的縫隙處必須增加屏蔽金屬條。但是方艙作為任務平臺，承載的載荷是多樣的，其中通訊設備系統不可避免具有艙內艙外兩部分，艙外設備起到接收發射作用，艙內設備起到信號處理作用，艙內與艙外之間一般通過信號線進行連接。以外艙內外之間通過在艙壁開窗的方式進行連接，這種方式好處在于簡單便于維護且不容易出錯，缺點在于開窗面積一定大于線纜總橫截面積，存在電磁泄露的風險。目前主流的是使用轉接孔口方式實現方艙內外電源、信號的互聯互通。轉接孔口是在艙壁上預埋兩頭都是連接器的連接器底座，艙內和艙外均通過專用連接器連接到底座上。通過轉接孔口的形式能夠提高方艙整體的屏蔽性能，減少艙內電子設備對外的空間信號輻射，減弱外部空間電磁波對艙內設備工作的影響。連接器的屏蔽效果都是經過專業測試的，可以認為不存在電磁泄露的可能。因此轉接孔口本身的形式很大程度上決定了方艙整體的電磁屏蔽性能。同時需要注意的是，艙外的空間輻射源信號一般為高頻信號，此時艙體材料對屏蔽性能的影響較弱，孔縫本身的尺寸及形式主導了艙體的屏蔽能力。

為了定量的描述電磁屏蔽的效果，引入電場屏蔽效能SEe 和磁場屏蔽效能SEm，其定義如式所示[5]。其中的Eo 和Es 分別代表空間某點屏蔽前后的電場強度；Ho 和Hs 分別代表空間某點屏蔽前后的磁場強度。[6]

轉接孔口接合處的縫隙直徑Dr以及間距Dn均會影響波阻，工程中常利用式進行螺釘間距的估計。[7]對寬帶內信號的屏蔽效果的分析，需要利用電磁仿真軟件進行場仿真，從而在機械結構設計之前，發現并解決電磁兼容問題[8]。

本文建立的模型如圖1所示，為了簡化計算復雜度同時控制變量，模型為長寬高均為200mm 的機箱，壁厚10mm，在機箱頂部設置了一個直徑Dr的縫隙，厚度同樣為10mm。機箱的材質選為鋼。仿真頻段選用GJB6785-2009 中包含的0.1GHz 至1.2GHz 之間。將Dr分別設為20mm、40mm、60mm，邊界條件設為輻射條件，輻射邊界尺寸為四分之一波長。激勵選用平面電磁波，幅值為1V/m，入射方向沿Z 的負半軸方向，電場極化方向與Y 軸垂直。

仿真所得到的屏蔽效能如圖2所示。從中可以發現，開孔的直徑對方艙屏蔽性能有直接影響，隨著開孔直徑的增大，箱體的電場屏蔽效能SE 逐漸下降，而箱體本身的諧振點不受孔徑的變化影響。

轉接孔口接合縫隙可以有圓形、矩形、方形多種形式，如圖3所示，在HFSS 軟件中將開孔面積均設為706mm2。

平面波垂直極化情況下，在縫隙面積相同時，矩形孔的屏蔽效果優于方形孔大于圓形孔。在0.6GHz 頻點處矩形孔的屏蔽性能比圓形孔高13dB 左右；平面波水平極化時，相同縫隙尺寸條件下，方形的屏蔽效果最好，矩形的效果最差，在0.6GHz 頻點處方形孔的屏蔽性能比矩形孔高10dB 左右；由此可以看出，在輻射源極化方向確定的情況下，縫隙的平面最大線性尺寸不能與極化方向垂直。實際情況下空間中的電磁波極化方向不會唯一，因此理想情況下應保證轉接壁盒的平面線性尺寸在各方向均較小，從而提高整體的屏蔽效能。

方艙在轉接壁盒處不可避免會用到矩形的形式，以往矩形的長度受線徑尺寸及接插件布局的影響，往往忽略了屏蔽性能的分析?，F在HFSS 軟件中建立模型如圖4所示。通過改變縫隙的長度來研究縫隙長度對屏蔽效能的影響。設置的縫隙長度從20mm 至80mm，間隔10mm。通過前仿真可以發現，縫隙越長屏蔽性能越差。當電磁波在空間傳播中遇到帶有縫隙的金屬屏蔽體時，將在金屬體表面產生感應電流。

在感應電流周圍又會產生感應電磁場，該電磁場的方向與空間電磁波的方向相反，理想情況下，在單位面積內的磁通量由于感應電磁場的存在反而減少了。但是縫隙的存在破壞了這種理想情況，金屬的導電結構與完整的金屬體不同，導致起到反向抑制作用的感應電磁場作用減弱，透射過縫隙的電磁波在金屬層的另一面形成電壓差，電壓差的存在導致磁場能量的泄露。

3 結論

電磁場仿真能夠在設計階段提高方艙的電磁屏蔽效能。本文從電磁屏蔽的理論出發，利用HFSS 軟件通過有限元法對轉接壁盒處不同縫隙形狀、大小、縫隙長度等參數進行場仿真，通過屏蔽效能定量分析其屏蔽效果。通過對開窗尺寸的仿真可以發現，船艙壁盒上的開窗尺寸越大，電磁泄漏就愈大，因此因盡量用多個小面積開窗形式代替單個大面積開窗結構；通過對開窗形狀的仿真可以發現，為了保證開窗在垂直于電場極化方向上有較小線性尺寸，應當盡量開圓孔及方孔，少開矩形孔；通過對縫隙長度的仿真可以發現，應當用多個連續短縫隙替代整段長縫隙。為了提高方艙整體的屏蔽效能，必須在方艙設計之初結合有效的電磁場仿真手段，才能適應日益復雜的戰場電磁環境，保證艙內電子設備的高效運行。