基于HFSS的某機(jī)柜電磁兼容仿真

呂炳均 黃楷 徐金龍 王中曄

摘要：機(jī)柜的電磁諧振特性與電磁屏蔽特性對(duì)設(shè)備的電磁兼容性有巨大影響。本文給出了基于HFSS的某設(shè)備機(jī)柜電磁諧振與電磁屏蔽仿真過程與結(jié)果分析，可用于在設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)估與優(yōu)化設(shè)備的電磁兼容特性，也可以用于設(shè)備電磁兼容測試超差后的回溯分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)柜;電磁兼容;仿真

中圖分類號(hào)：TN03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0056-04

0 引言

隨著電氣控制設(shè)備復(fù)雜度的提升以及應(yīng)用環(huán)境電磁特性的日趨復(fù)雜，設(shè)備的電磁兼容特性愈發(fā)重要。為提升設(shè)備的電磁兼容特性，需要從元器件、電路板、組合以及設(shè)備級(jí)等方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，而采用預(yù)測仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立相似的、有足夠解析度的模型進(jìn)行數(shù)值分析，是進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要方法[1]。

在組合級(jí)以及設(shè)備級(jí)，機(jī)柜的電磁諧振與屏蔽特性對(duì)電磁兼容性有重要影響，在機(jī)柜設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上述兩類特性進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，可有效降低設(shè)備電磁兼容特性超差的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)某電氣控制設(shè)備機(jī)柜，基于Ansoft公司的HFSS軟件平臺(tái)，對(duì)其電磁諧振與屏蔽特性進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)論可用于機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備布局優(yōu)化以及屏蔽特性評(píng)估分析。

1 主要仿真過程

1.1 電磁諧振特性仿真過程

電磁諧振特性的仿真流程如圖1所示，在完成三維模型導(dǎo)入后，對(duì)模型進(jìn)行修正以降低復(fù)雜度，隨后進(jìn)行本征求解，在求解的過程中如果發(fā)現(xiàn)不收斂，則需要加密有限元網(wǎng)格。

HFSS仿真軟件采用有限元方法實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解，其網(wǎng)格劃分與結(jié)構(gòu)尺寸和電磁波波長有關(guān)，如圖2所示的機(jī)柜三維模型包括了大量用于安裝的微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部安裝定位孔、臺(tái)階、導(dǎo)槽等，其對(duì)整體電磁特性的影響可以忽略，但在進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分時(shí)，在這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)處將產(chǎn)生大量的網(wǎng)格，造成仿真系統(tǒng)資源浪費(fèi)、求解時(shí)間延長，甚至無法收斂。因此，在進(jìn)行仿真之前有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型修正，修正方法包括模型刪減、模型等效、模型修補(bǔ)等。其中，模型刪減主要指對(duì)機(jī)柜外表面的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪減，如頂部的把手等;模型等效是指對(duì)機(jī)柜內(nèi)部具有多處復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)用長方體、圓柱等進(jìn)行等效;模型修補(bǔ)則是對(duì)進(jìn)行模型刪減后形成的開孔等進(jìn)行修補(bǔ)，為降低求解難度，對(duì)于金屬材料可用“Perfect E”邊界進(jìn)行等效。

在完成模型修正后，進(jìn)行機(jī)柜電磁本征特性求解，在求解前，需設(shè)置求解空間，可采用如圖3所示的覆蓋機(jī)柜的空氣盒子，空氣盒子需完全覆蓋機(jī)柜的所有結(jié)構(gòu)。

1.2 電磁屏蔽特性仿真過程

屏蔽效能仿真是設(shè)備級(jí)電磁兼容仿真的最重要的部分，其仿真結(jié)果可用于修正設(shè)計(jì)以及后續(xù)測試超差后的問題分析。

電磁屏蔽特性分析的主要流程如圖4所示，主要是在空間加入歸一化的平面電磁波激勵(lì)，通過計(jì)算機(jī)柜內(nèi)部各點(diǎn)的輻射強(qiáng)度來評(píng)估屏蔽特性。平面波按從機(jī)柜底部以及頂部入射分別進(jìn)行分析，自機(jī)柜底部入射的平面波激勵(lì)如圖5所示。

仿真模型采用與諧振分析相同的經(jīng)過修正后的結(jié)構(gòu)模型，區(qū)別在于，在屏蔽特性仿真時(shí)需加入輻射邊界以區(qū)別近場與遠(yuǎn)場。

屏蔽特性的分析采用離散掃頻的方式完成，對(duì)于本機(jī)柜，掃頻從100MHz開始至1GHz結(jié)束，總共進(jìn)行100次離散掃頻。其中，掃頻間隔可按需縮減，但掃頻間隔的縮減會(huì)帶來求解復(fù)雜的大幅度提升，可視仿真計(jì)算機(jī)的性能而定。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 諧振特性仿真結(jié)果

諧振本征求解收斂后，可得出機(jī)箱內(nèi)部的全部的諧振點(diǎn)，品質(zhì)因素最高的諧振點(diǎn)在430MHz左右，品質(zhì)因素為8820，機(jī)柜諧振點(diǎn)仿真結(jié)果圖6所示。

機(jī)箱內(nèi)的諧振場強(qiáng)分布如圖7所示，諧振場強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)分布在電路板與上下橫梁的交界處，也即是電路板的邊緣。在進(jìn)行電路板布局時(shí)，在電路板的邊緣位置不要放置敏器件，電路板的禁止布線區(qū)域可以稍微加大，以避開諧振場強(qiáng)最強(qiáng)的位置。

2.2 屏蔽效能仿真結(jié)果

在電磁屏蔽效能仿真收斂之后，可通過取樣點(diǎn)考察機(jī)箱屏蔽效能，電路板附近的取樣點(diǎn)分析結(jié)果如圖8與圖9所示。通過分析圖8所示的曲線可知，如果入射波從機(jī)箱底部入射，機(jī)箱有較好屏蔽效果，在整個(gè)掃頻范圍內(nèi)，屏蔽效能都大于90dB。

如圖9所示，當(dāng)自頂部激勵(lì)時(shí)，機(jī)柜電磁屏蔽效能大幅度下降，且屏蔽效能隨頻率的提升而降低，在超過700MHz時(shí)屏蔽效能降低到40dB以下，可見，上表面的多個(gè)電纜安裝孔對(duì)機(jī)箱屏蔽影響較大。

圖10所示為自頂部輻射時(shí)，在845MHz處機(jī)箱內(nèi)部電路板周邊的輻射強(qiáng)度。在該頻率下，電路板的中心以及部分邊緣位置還出現(xiàn)了輻射放大的現(xiàn)象，因此，在電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要采用具有良好屏蔽效果的插座，并與柜體接觸良好，電纜的屏蔽外層也要與機(jī)柜接觸良好。在進(jìn)行電磁兼容測試時(shí)，如果出現(xiàn)屏蔽效能超差，可重點(diǎn)檢查電纜接頭部分。

3 結(jié)語

數(shù)字化的仿真分析可以在設(shè)計(jì)時(shí)充分評(píng)估與優(yōu)化設(shè)備的電磁兼容特性。本文針對(duì)某設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行了電磁諧振與電磁屏蔽特性的仿真分析，分析結(jié)論可以評(píng)估與優(yōu)化設(shè)備電磁兼容特性，也可以用于設(shè)備電磁兼容測試超差后的分析回溯。本文給出的分析流程也可以用于同類設(shè)備的分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵志江，孫全，郭金雷.彈上電纜抗干擾仿真分析[J].空天防御，2019，2（1）：58-63.

Abstract：The electromagnetic resonance and shielding characteristics of the cabinet have great influence on the electromagnetic compatibility of the equipment. This paper presents the simulation process and conclusion analysis of the electromagnetic resonance and electromagnetic shielding characteristics of an equipment cabinet， which can be used to evaluate and optimize the electromagnetic compatibility characteristics of the equipment during design， and can be used for the retrospective analysis of the electromagnetic compatibility test of the equipment.

Key words：cabinet;electromagnetic compatibility;simulation