基于HFSS的電源機(jī)箱屏蔽效能的仿真分析

張鄭，馮成德

基于HFSS的電源機(jī)箱屏蔽效能的仿真分析

張鄭，馮成德

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

為減小電子儀器設(shè)備中電源模塊之間電磁互擾，會(huì)給各個(gè)電源模塊加上屏蔽機(jī)箱。而在實(shí)際中，箱體上通常會(huì)開設(shè)孔縫以便于散熱和電子設(shè)備之間的連接，從而會(huì)產(chǎn)生電磁泄漏，導(dǎo)致屏蔽效能減小。因此，為了更好研究帶孔縫電源機(jī)箱的屏蔽效能影響因素。在簡(jiǎn)單介紹了屏蔽效能的幾種計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，通過與傳輸線法的對(duì)比，采用基于有限元法（FEM）的仿真軟件HFSS對(duì)孔縫箱體進(jìn)行建模仿真分析，探究孔縫的相關(guān)參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響規(guī)律，并據(jù)此對(duì)箱體的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)性建議。

屏蔽機(jī)箱；屏蔽效能；孔縫；HFSS；仿真分析

現(xiàn)代電子儀器設(shè)備的工作運(yùn)行需要很多電源模塊的支持，要集成各個(gè)電源模塊就必須考慮電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）問題[1-2]，因此會(huì)給各個(gè)電源加上金屬屏蔽機(jī)箱，進(jìn)行電磁屏蔽，同時(shí)也能起到保護(hù)電源模塊的作用。在電磁兼容的設(shè)計(jì)中，電磁屏蔽技術(shù)作為主要手段，近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于箱體的電磁屏蔽特性做了一系列研究，但主要集中在箱體屏蔽材料的研發(fā)、屏蔽效能計(jì)算方法的優(yōu)化、箱體對(duì)電磁波的耦合效應(yīng)的研究等[3]。對(duì)孔縫的各類參數(shù)對(duì)箱體屏蔽效能的影響規(guī)律的探究還比較少。由于散熱、電源信號(hào)線的傳輸、設(shè)備之間的連接等的需要，會(huì)不可避免地在屏蔽機(jī)箱開設(shè)各種孔縫，從而輻射的電磁波會(huì)通過孔縫耦合（后門耦合）[4]進(jìn)入腔體內(nèi)部，耦合到印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board）上，對(duì)電路系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響電源輸出精度，直接影響整個(gè)電子設(shè)備的工作性能。因此研究帶有孔縫的屏蔽腔體的電磁屏蔽效能對(duì)電子儀器設(shè)備具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 屏蔽效能及其計(jì)算方法

屏蔽效能（SE，Shielding Effectiveness），單位為dB，用來定量評(píng)價(jià)機(jī)箱的屏蔽效果，定義為同一時(shí)間、地點(diǎn)，在空間上的某一點(diǎn)不加屏蔽體的場(chǎng)強(qiáng)0（0）與加入屏蔽體時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)1（1）的比值，它表征了屏蔽體對(duì)電磁波的衰減程度[5]。表達(dá)式為：

機(jī)箱屏蔽效能的影響因素有：機(jī)箱材料特性、尺寸大小，機(jī)殼上的孔縫大小、數(shù)量、形狀等，機(jī)箱內(nèi)部的印刷電路板以及干擾電磁波的輻射頻率、入射角度、極化方向等[6-7]。對(duì)于屏蔽效能的計(jì)算方法主要有數(shù)值法和解析法。常用數(shù)值法包括時(shí)域有限差分法（FDTD，F(xiàn)inite Difference Time Domain）、傳輸線矩陣法（TLM，Transmission-Line Matrix）、矩量法（MOM，Method of Moments）及有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）[9]。解析算法主要是基于平面波理論的傳輸線法[10]。數(shù)值法可用于計(jì)算不同形狀、結(jié)構(gòu)的物體，借助計(jì)算機(jī)可獲取更高的求解精度[11-12]。所以這里采用基于有限元法的電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS來分析孔縫的主要參數(shù)對(duì)機(jī)箱屏蔽效能的影響。

1.1 傳輸線法理論分析

Robinson M.P等[12]在TLM方法上進(jìn)行拓展，建立了傳輸線理論模型，應(yīng)用于屏蔽效能的求解。對(duì)于平面波垂直入射矩形腔體的情形，其實(shí)物模型及等效電路模型如圖1、圖2。

總體思路是將矩形腔體等效為一端短路的波導(dǎo)，并將開孔等效為左右兩端短路的共面帶狀傳輸線。在圖1中，顯示電場(chǎng)垂直極化的平面波從空載腔體的開孔面垂直入射，結(jié)構(gòu)體的各個(gè)參數(shù)在圖中已給出，距離孔縫面的位置為腔體電壓測(cè)試點(diǎn)。在圖2中，以電壓源0表示輻射源，其自由空間波阻抗為0，其值約為377 Ω，以等效電路中的點(diǎn)位置的電壓來表示距離孔縫處的電場(chǎng)屏蔽效能。根據(jù)傳輸線理論，將矩形腔體等效為一端短路的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其阻抗為Z，傳播常數(shù)為K。腔體前壁上的孔縫等效為左右兩端短路的共面帶狀傳輸線，其等效阻抗為Z。

E、H為電場(chǎng)和磁場(chǎng)，一種垂直極化的電磁波；l、w為矩形孔的長(zhǎng)寬；a、b、d為矩形腔體的長(zhǎng)高寬

圖2 等效傳輸線電路模型

根據(jù)Gupta[13]的理論，孔縫的特征阻抗可以表示為：

由式（1）～式（3）可得：

為了便于計(jì)算孔縫的等效阻抗Z，將兩端短路的孔縫向中心處（點(diǎn)）做等效。此外，以/作為孔縫與屏蔽機(jī)殼之間的耦合因子，則可得孔縫的等效阻抗為：

在圖2中，由0、0、Z形成并聯(lián)的等效電路，由戴維南定理可得點(diǎn)的等效電壓和等效阻抗為：

對(duì)于機(jī)箱上的孔縫，一般都是對(duì)稱布置，所以電磁在矩形腔體中的主模為10，對(duì)于該種傳輸模式，波導(dǎo)的特征阻抗為：

傳播常數(shù)為：

則可計(jì)算點(diǎn)的等效戴維南電壓和阻抗為：

點(diǎn)的等效負(fù)載阻抗為：

則測(cè)試點(diǎn)的等效電壓和等效電流為：

當(dāng)沒有矩形屏蔽機(jī)箱時(shí)，點(diǎn)的負(fù)載阻抗可近似為0，則其等效電壓和等效電流分別為：

在傳輸線理論中，可用測(cè)試點(diǎn)電壓、電流來表示屏蔽效能，則距離孔縫處的電磁場(chǎng)屏蔽效能可表示為：

除此之外，需說明，以上公式推導(dǎo)是針對(duì)開矩形孔縫的屏蔽箱體。現(xiàn)在屏蔽機(jī)箱的開孔常見的還有圓形，對(duì)于圓形孔縫，根據(jù)Turner等提出的理論[14]，在面積相等的情況下，矩形孔縫和圓形孔縫屏蔽效能相同，則可以把公式中的孔縫的長(zhǎng)寬改寫為：

式中：d為圓形孔的直徑。

等效確定孔縫長(zhǎng)寬后就可代入后續(xù)公式，計(jì)算屏蔽效能。另外，如果是面上開有孔陣，則可將孔陣總阻抗視為單個(gè)孔阻抗的疊加。

1.2 兩種方法對(duì)比

為了對(duì)比等效傳輸線法和基于有限元法的HFSS軟件仿真兩種方式計(jì)算屏蔽效能的結(jié)果，現(xiàn)進(jìn)行HFSS建模仿真。機(jī)箱材料設(shè)置為鋁，其尺寸選定為300 mm×120 mm×220 mm，箱體壁厚為1.5 mm。面上開有3×3的圓形孔陣，其半徑為5 mm，如圖3所示。

圖3 仿真模型

激勵(lì)源采用1 V/m的平面波0，采用電場(chǎng)垂直極化，從開孔面前方正中心40 mm處沿軸負(fù)半軸方向垂直入射，在HFSS的求解設(shè)置中，將平面波干擾源的掃頻頻率設(shè)置為0.1～1 GHz，步長(zhǎng)為0.02 GHz，采用離散掃頻類型。此外，需在箱體外圍設(shè)置一空氣盒子，邊界條件設(shè)置為輻射邊界，以此來模擬自由開放的輻射空間。屏蔽效能測(cè)試點(diǎn)為腔體中心。

另外，根據(jù)傳輸線法理論，運(yùn)用MATLAB編程計(jì)算該箱體的屏蔽效能。兩種方法的屏蔽效能如圖4所示。

圖4 兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖4可知，除個(gè)別頻點(diǎn)，等效傳輸線法跟運(yùn)用HFSS軟件仿真計(jì)算箱體的屏蔽效能結(jié)果，基本一致，因此借助HFSS軟件可便捷且較準(zhǔn)確地計(jì)算不同開孔情況機(jī)箱的屏蔽效能。

2 含孔陣箱體屏蔽效能的探究

2.1 孔陣數(shù)量

HFSS中的箱體仿真模型尺寸和基本參數(shù)設(shè)定與前述一致，在開孔面上開設(shè)總面積為900 mm2的正方形孔陣，孔陣數(shù)量分別為1×1、3×3、5×5。孔間距為5 mm，如圖5所示。

圖5 孔陣數(shù)量示意圖

分別仿真計(jì)算這三種模型的屏蔽效能，如圖6所示。可以看出，在相同開孔面積的情況下，通過減小單個(gè)孔的尺寸大小、增加孔陣數(shù)量對(duì)屏蔽效能有明顯提高。因此在實(shí)際的電子設(shè)備機(jī)箱中，散熱孔都是開設(shè)成孔陣形式。但隨著孔陣數(shù)量的增加，箱體的屏蔽效能增加幅度在減小，所以可以推測(cè)孔陣增加到一定數(shù)量后，其屏蔽效能會(huì)基本保持不變。

圖6 不同數(shù)量孔陣屏蔽效能

2.2 孔陣間隔

為探究孔陣間隔大小對(duì)箱體屏蔽效能的影響，采用上述900 mm2的3×3方形孔陣，如圖7所示。

dh.水平間隔 dv.垂直間隔

孔陣均勻分布，分別取d＝d＝10 mm、15 mm、20 mm，計(jì)算屏蔽效能，如圖8所示，可看出，隨著孔陣間隔的增大，除了在諧振點(diǎn)處，箱體的屏蔽效能只有小幅度提高。整體來說，屏蔽效能改善不大。所以在箱體表面設(shè)計(jì)散熱孔陣時(shí)，在保證散熱要求的情況下，可適當(dāng)增加孔間距來減小相鄰孔之間的互耦，改善屏蔽效能。但由于孔間距不可能遠(yuǎn)大于孔縫的最大線性尺寸，所以屏蔽效能的改善也比較有限。

圖8 孔陣不同間隔屏蔽效能

2.3 開孔尺寸

現(xiàn)通過改變矩形孔陣的長(zhǎng)寬比來探究開孔尺寸對(duì)屏蔽效能的影響，如圖9所示，開孔面積保持900 mm2不變。

L.長(zhǎng)邊 W.短邊

現(xiàn)取長(zhǎng)寬比/分別為2、1.5、1計(jì)算其屏蔽效能。結(jié)果如圖10所示。可以看出，在不同長(zhǎng)寬比的開孔下，箱體的屏蔽效能隨著激勵(lì)源頻率的改變其變化趨勢(shì)大致相同。隨著長(zhǎng)寬比的增加，屏蔽效能逐漸減小。這說明，在開孔面積不變的情況下，開孔越狹長(zhǎng)，電磁泄漏越嚴(yán)重，導(dǎo)致屏蔽效能越低。

圖10 開孔不同長(zhǎng)寬比屏蔽效能

3 縫隙對(duì)屏蔽效能影響的探究

在實(shí)際的電子設(shè)備機(jī)箱中，由于不同部分的連接會(huì)存在一些縫隙，就勢(shì)必影響箱體的導(dǎo)電連續(xù)性，造成電磁泄漏，影響其屏蔽效能。因此，有必要探究箱體縫隙的各個(gè)參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響。

3.1 縫隙長(zhǎng)度

在距離箱體底部2 mm處開設(shè)一條長(zhǎng)細(xì)縫，其長(zhǎng)度分別為50 mm、100 mm、150 mm，寬度設(shè)為1 mm。如圖11所示。

圖11 縫隙長(zhǎng)度示意圖

對(duì)這三種長(zhǎng)度的縫隙分別計(jì)算屏蔽效能，如圖12所示。可看出，隨著縫隙長(zhǎng)度的增加，箱體的屏蔽效能逐漸降低。降低幅度逐漸變小。100 mm的縫隙比50 mm的縫隙屏蔽效能低約20 dB左右，150 mm縫隙比100 mm縫隙屏蔽效能低約10 dB左右。所以可以推測(cè)，當(dāng)縫隙長(zhǎng)度增加到一定數(shù)值時(shí)，屏蔽效能的減小趨于穩(wěn)定。此外，縫隙長(zhǎng)度沒有改變腔體的諧振點(diǎn)。

圖12 不同縫隙長(zhǎng)度屏蔽效能

3.2 縫隙數(shù)量

可分兩種情況探究縫隙數(shù)量對(duì)屏蔽效能的影響。一是每段縫隙長(zhǎng)度相等，均設(shè)為100 mm，數(shù)量不同，分別設(shè)置數(shù)量為1、2、3。寬度均設(shè)為1 mm，間隔設(shè)為2 mm，如圖13所示。

圖13 等長(zhǎng)縫隙不同數(shù)量示意圖

分別計(jì)算單縫、雙縫、三縫的屏蔽效能，如圖14所示。可看出，當(dāng)長(zhǎng)縫隙數(shù)量增加時(shí)，屏蔽效能有所下降，但幅度不是很大。最大下降幅度在10 dB左右，且下降幅度呈遞減趨勢(shì)。因此在設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要增加或減少縫隙數(shù)量。

圖14 等長(zhǎng)縫隙不同數(shù)量屏蔽效能

第二種討論的情況是，將同一長(zhǎng)度的縫隙等分為多段。取總長(zhǎng)為210 mm、寬度為1 mm的縫隙，將其等分為1、2、3段。其規(guī)格參數(shù)為210 mm×1、105 mm×2、70 mm×3，縫隙間隔設(shè)為2 mm。如圖15所示。

圖15 同一長(zhǎng)度縫隙等分不同數(shù)量示意圖

對(duì)圖15三種開設(shè)方式的縫隙進(jìn)行仿真計(jì)算其屏蔽效能，如圖16所示。

圖16 等分不同數(shù)量屏蔽效能

從圖16可以看出，在縫隙總長(zhǎng)一定的情況下，單條縫隙布置的屏蔽效能最低，在諧振點(diǎn)附近其屏蔽效能甚至達(dá)到負(fù)值。而將縫隙等分布置可以提高箱體的屏蔽效能。其中，在縫隙二等分之后，箱體的屏蔽效能提升了約20 dB，三等分之后又提升了10 dB左右。因此，在設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下，可以將箱體上開設(shè)的縫隙等分為多段布置，可以有效地提高其屏蔽效能。

3.3 縫隙間隔

為探究縫隙間隔對(duì)箱體屏蔽效能的影響，在仿真箱體模型的面上開設(shè)雙縫，縫隙長(zhǎng)度為100 mm，寬度為1 mm。雙縫之間的分別設(shè)置不同的間隔，如圖17所示。

分別對(duì)圖17所示的三種縫隙位置進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖18所示。可以看出，三種位置間隔的屏蔽效能差異比較明顯，其中位置1和位置2縫隙開設(shè)的間隔雖然差別較大，但除了個(gè)別頻點(diǎn)，兩種間隔屏蔽效能大致相同。位置3的縫隙對(duì)稱分布在開設(shè)面的兩側(cè)，其屏蔽效能比前兩種位置大很多。因此可以推斷在設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí)，若需要增大縫隙間隔來提高屏蔽效能，就要考慮縫隙在開設(shè)面上布置的對(duì)稱性。

圖17 縫隙不同間隔位置示意圖

圖18 縫隙不同間隔位置屏蔽效能

4 結(jié)束語

本文對(duì)電源屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能做了一定探究。提出的傳輸線法和HFSS仿真的結(jié)果基本吻合，因此采用HFSS軟件對(duì)孔縫箱體的屏蔽效能計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）在開孔面積相同的情況下，孔陣數(shù)量越多，屏蔽效能越高。所以在設(shè)計(jì)機(jī)箱時(shí)在保證散熱的情況下，可以減小單個(gè)孔的面積，增加孔陣數(shù)量來提高屏蔽效能；孔陣間隔大小對(duì)屏蔽效能影響并不顯著；對(duì)于矩形孔，開孔長(zhǎng)寬比越小，屏蔽效能越高。

（2）對(duì)于箱體上開設(shè)有狹長(zhǎng)縫隙的情況，縫隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，數(shù)量越多，屏蔽效能越低；同一長(zhǎng)度的縫隙，等分布置數(shù)量越多，屏蔽效能越高；縫隙間隔對(duì)屏蔽效能影響并不大，但縫隙在開設(shè)面上的對(duì)稱性會(huì)影響屏蔽效能。

利用HFSS軟件可以快捷且準(zhǔn)確對(duì)箱體屏蔽效能的影響參數(shù)進(jìn)行仿真分析，從而對(duì)電源屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

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Simulation Analysis of Shielding Effectiveness of Power Supply Case Based on HFSS

ZHANG Zheng，F(xiàn)ENG Chengde

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

In order to reduce electromagnetic interference generated between power supply modules in electronic equipment, a shielding case is used for each power supply module. Shielding effectiveness of the case will directly affect the performance of the electronic device. The case usually has holes in it for heat dissipation and for the connection between electronic equipment, which will cause electromagnetic leakage and reduce shielding effectiveness. In order to study the shielding effectiveness of power supply case with slot, this paper briefly introduce several calculation methods of shielding effectiveness. By comparison with transmission line method, the finite element method (FEM) -based simulation software HFSS is used to model and analyze the case. The influence of the related parameters of the slot on the shielding effectiveness is studied and suggestions are made to improve case design.

shielding case；shielding effectiveness；slot；HFSS；simulation analysis

TN98

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.006

1006－0316 (2020) 07－0035－07

2020－01－02

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目）（2020YFN0010）

張鄭（1994－），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒菰O(shè)計(jì)，E-mail：1121977916@qq.com；

馮成德（1962－），男，江蘇啟東人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電工程、機(jī)器視覺、數(shù)字圖像處理。