帶孔縫金屬箱體電磁屏蔽效能的研究

劉 力，劉 彬，葛玉石，劉為群，丁 勇，郭 勇

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211100）

隨著現代電子科學技術的長足發展，各種電子和信息設備的應用領域越來越廣泛，因此，設備與設備之間的電磁干擾也變得日趨復雜。從設備在復雜電磁環境下穩定運行的角度出發，EMC 直接關系到一臺設備或一套系統的正常運行；同時，電磁干擾也會對人體造成傷害[1-3]。基于上述原因，人們對電磁干擾的控制技術也越來越重視，而在產品的EMC 設計過程中，箱體孔縫的電磁泄露一直是EMC 設計人員需要重點考慮的問題之一。

文中對常見金屬箱體結構進行了仿真研究和分析，對比了材質、板厚、縫隙結構、雙層屏蔽對金屬箱體屏蔽效能的影響。

1 屏蔽效能及金屬板電磁屏蔽機理

1.1 屏蔽效能的概念

屏蔽是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的一種措施，而屏蔽體可以由任何導電、導磁的介質構成，用以阻止或減小電磁能傳輸，進而對裝置進行封閉或遮蔽。為表征屏蔽體電磁波的衰減程度，引入屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)概念[4-6]。

屏蔽效能SE 是指無屏蔽體時空間某點的電場強度E0(或磁場強度H0)與有屏蔽體時該點電場強度E1(或磁場強度H1)的比值。由于屏蔽效能SE 的量值范圍較寬，上述計算較麻煩，因此一般采用分貝（dB）計量，如下式所示：

按照機理的不同，屏蔽效能可分為電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能，表1 為屏蔽效能與場強衰減的對應關系。

表1 屏蔽效能與場強衰減的關系

1.2 金屬板電磁屏蔽的機理分析

對于結構上完整、電氣上連續均勻的金屬板，其屏蔽機理示意圖如圖1 所示。當電磁波入射到板厚為t的金屬板界面a 時，波阻抗發生了突變，部分電磁波會被反射，剩余部分則穿過界面a 在金屬板內繼續透射傳播；電磁波在金屬板內透射時會產生一定消耗。當電磁波到達金屬板界面b 時，同樣會再次發生反射和透射，會有一小部分透過界面b 的電磁波進入到被屏蔽空間中[7-9]。

圖1 金屬板電磁屏蔽機理示意圖

由上述分析可知，電磁波經過屏蔽后的損耗主要分為3 個部分，即反射損耗R、吸收損耗A、多次反射修因子B。入射到金屬板時被反射的損耗稱為反射損耗（R）；透射波在金屬板內傳播時的損耗稱為吸收損耗（A）。由于電磁波在a、b 界面存在循環往復的反射和透射，為此在屏蔽理論中引入多次反射修正因子（B），其量值小于1。

綜上，金屬板電磁屏蔽作用可用下式表示：

由電磁場理論可知，吸收損耗AdB、RdB、BdB表達式如下：

式中，δ為金屬板趨膚深度（m）；μr為金屬板磁導率（H/m）；σr為金屬板導電率（S/m）；f為電磁波頻率（HZ）；t為金屬板厚度（mm）；Zs為金屬板的波阻抗（Ω）；Zw為自由空間的波阻抗（Ω）。

由式（3）可知，金屬板屏蔽效能與材質、板厚、電磁波頻率、傳播介質等有密切關系。

在屏蔽機柜及其屏蔽盒的設計中，電磁波在箱體內部發生諧振，導致機箱內部噪聲幅值被抬高，同樣對屏蔽效能有著較大的影響[10-11]。針對矩形金屬箱體，可根據式（4）算出諧振頻率fmnp。

式中，w、h、l分別為矩形箱體的寬、高、長（m）；m、n分別為矩形箱體內沿寬、高、長方向的半駐波個數；μ、ε分別為箱內介質的磁導率和介電常數（H/m、F/m）。

2 仿真模型的建立

建立金屬箱體屏蔽效能的仿真分析模型，基本步驟主要包括求解類型的選擇、三維箱體模型的建立、仿真求解設置、數據后處理[12-13]，其詳細設置如下：

1）由于仿真分析電磁場衰減程度（屏蔽效能），所以解類型選用模式驅動形式。

2）創建金屬箱體模型，以常見金屬機箱作為案例建模，矩形箱體的寬、高、長分別為w×h×l=200 mm×300 mm×300 mm，箱體在寬度面的幾何中心處開設10 mm×60 mm 的矩形孔，箱體幾何中心設在坐標原點處，材質為Q235 碳素鋼。

3）為更好地模擬金屬箱體的屏蔽效能，此處激勵選擇內置的偶極子天線，設置在坐標原點處，沿Y軸正方向極化，場強為1 V/m。

4）設置邊界條件，為得到唯一確定的解，同時確保模型的完整性，需要在箱體以外空間建立吸收邊界條件，將箱體包裹，以模擬開放的自由空間。

5）網格劃分時，采用自適應網格剖分技術，可根據設置誤差標準，精確、有效地生成網格，實現分析對象的離散化。為得到更精細的網格，此處設置求解頻率為1 GHz，最大迭代次數10 次，收斂精度0.01。

6）對于求解設置，為分析箱體對各電磁波頻率下的屏蔽效能，設置離散掃頻，起始頻率設為0.02 GHz，終止頻率為1 GHz，步長為0.01 GHz。

7）求解方法依據屏蔽效能3 米法測量的方式，引用屏蔽效能的求解函數dB（Sphere 3 meters）,依據前文屏蔽效能的計算公式（1），求解得出箱體各種設置條件下的屏蔽效能SE 值。

圖2 為金屬箱體仿真模型。

圖2 金屬箱體仿真模型

3 金屬箱體的屏蔽效能分析

結合電磁學理論及式（3）的分析可知，屏蔽效能與箱體材質、孔縫結構、箱體內外介質及電磁波頻率有關，下面分析改變箱體材質、壁厚、孔縫結構及箱體雙層屏蔽對SE 值的影響。

3.1 箱體不同材質對屏蔽效能的影響

選取箱體及屏柜設計中常用的Q235 碳素鋼、普通鋁板、304 不銹鋼作為仿真分析對象，比較得到屏蔽效能隨頻率的曲線，如圖3 所示。

圖3 不同材質下屏蔽效能對比曲線

由圖3可以發現，隨著材料的變化，箱體的屏蔽效能變化較小，因此在一般情況下，電磁屏蔽最重要的是保證箱體導電的連續性，而金屬材質并不是影響屏蔽效能的關鍵因素，同時已有研究表明，200 mm×300 mm×300 mm 尺寸的金屬腔體約在710 MHz 諧振頻率下，屏蔽效能最差[14-15]，亦可通過式（4）推導計算。在該諧振頻率下，金屬箱體屏蔽效能衰減明顯，有時甚至會出現負值情況。

3.2 箱體不同板厚對屏蔽效能的影響

分析不同板厚對箱體屏蔽效能的影響，研究選取箱體材質為Q235、箱體縫隙面積為10 mm×60 mm（孔不變），分別對板厚為2 mm、4 mm、6 mm 的箱體進行仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率的曲線，如圖4 所示。

由圖4 可以發現，隨著板厚的變化，箱體的屏蔽效能變化同樣較小，每增加2 mm，屏蔽效能提升1 dB左右。但屏蔽效能隨板厚增加而提升的趨勢明顯；同時，板厚的變化致使諧振頻率發生小范圍偏移，但也并非板厚越大越好，本例諧振頻率在4 mm 板厚時的屏蔽效能明顯優于其他兩種板厚。

圖4 不同板厚下屏蔽效能對比曲線

3.3 箱體不同孔縫結構形式對屏蔽效能的影響

針對金屬箱體上不同孔縫形狀對屏蔽效能的影響，已有研究表明，在相同孔縫面積下，正多邊形孔縫的屏蔽效能優于矩形孔縫的屏蔽效能，而圓形孔縫又優于正多邊形[16-18]。基于上述的研究，文中分析相同孔縫面積條件下，不同圓形孔征數對屏蔽效能的影響。分析設3 組：第一組為原10 mm×60 mm 的矩形孔縫；第二組為9 孔方陣，單孔半徑約4.61 mm，孔距20 mm；第三組為16 孔陣，單孔半徑為3.46 mm，孔距10 mm。上述孔陣均以矩形孔縫中心布置。

依據上述條件仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 不同孔縫下屏蔽效能對比曲線

由圖5 可以發現，在相同孔縫面積下，圓形孔陣的屏蔽效能比原矩形孔有顯著提升，相同頻率下屏蔽效能提升20～28 dB；隨著孔征數量的增加，屏蔽效能同樣得到提升，在相同頻率下，16 孔陣較9 孔陣的屏蔽效能提升2～3 dB。

3.4 雙層箱體結構對屏蔽效能的影響

針對電磁兼容性要求較高的場合，單層屏蔽往往難以滿足要求，為此，下面分析雙層箱體對屏蔽效能的影響。在原模型箱體外包裹一層同材質的箱體，其縫隙的尺寸(10 mm×60 mm)和位置與原箱體相同，外層箱體與原箱體外框保持20 mm 間隙。依據上述條件仿真分析，比較得到屏蔽效能隨頻率的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 單、雙層箱體屏蔽效能對比曲線

基于經濟性考慮，在實際結構設計中，常采取箱體+柜體的雙層屏蔽形式，為此，下面分析將箱體裝進柜體時對屏蔽效能的影響。設置柜體寬、高、長分別為w×h×l=700 mm×1 200 mm×800 mm，箱體置于柜體集合中心；設置柜門與側封板之間的縫隙為1.5 mm，縫隙深度為10 mm；除柜體前后門及左右側縫板縫隙外，其他泄露暫不做考慮，屏蔽效能隨頻率的變化曲線如圖7 所示。

圖7 箱體設置柜體前后的屏蔽效能對比曲線

由圖6和圖7可以發現，雙層箱體屏蔽效能較單層箱體有明顯提升，同頻率下屏蔽效能提升約16～21 dB，單箱體+柜體結構的屏蔽效能較單層箱體有所提升，均值約在10 dB 以內。因此，在屏蔽設計時，將需要屏蔽的設備單獨設置在一個屏蔽倉，由此可以極大提高屏蔽效能，提升設備的電磁兼容性。值得注意的是，由于諧振具有多模特性，因此屏蔽效能不再隨頻率單調變化，需要考慮雙層屏蔽層間電磁波諧振對屏蔽效能的影響。

4 結論

在闡述電磁屏蔽效能及計算方法的同時，分析了金屬板電磁屏蔽的機理。運用三維電磁仿真分析軟件計算了金屬箱體在各種工況下的屏蔽效能，系統全面地分析了工程中多種常見的金屬箱體結構形式對屏蔽效能的影響，得出了以下一般性結論：

1）普通碳鋼、鋁板、不銹鋼材質對屏蔽效能影響不大，為此，機柜、箱體設計時可根據實際工況選擇適宜材質。

2）單方面增加金屬板厚對屏蔽效能的提升并不明顯，同時需注意板厚的增加對諧振頻率的影響。

3）為提升屏蔽效能，通過改變孔縫結構的形式來實現，這不失為一種較好的選擇，在相同縫隙面積的前提下，盡量設置圓形孔陣，并增加開孔數量，可以顯著提升屏蔽效能。

4）為提升屏蔽效能，亦可采取雙層屏蔽的方式，在箱體內設置屏蔽分倉，將干擾源與敏感源隔離，可極大提高產品的電磁兼容性，但設計時需要關注諧振頻率的變化。

5）由于實際設計中柜體上不可避免的縫隙較多，通過柜體提升屏蔽效能并不特別顯著，因此對于進出線纜及柜體縫隙較多的系統，慎重使用機柜級屏蔽方案。