基于三維電磁場仿真的船用屏蔽箱體孔腔耦合諧振特性分析

王延?xùn)|

摘 要：隨著船舶自動化程度不斷提升，船舶通信、導(dǎo)航、監(jiān)測等應(yīng)用電子設(shè)備越來越多，電磁環(huán)境更加復(fù)雜。在低噪聲的電磁環(huán)境中，要保證船用甚高頻通信設(shè)備不降級，要求更加嚴(yán)格的船用甚高頻通信頻段輻射騷擾限值。船用屏蔽箱的屏蔽效能，由于電磁諧振的影響，導(dǎo)致急劇下降。本文基于三維電磁場仿真軟件，對船用屏蔽箱體孔腔耦合諧振特性進(jìn)行分析，明確孔縫尺寸條件，分析不同縫隙厚度、縫隙寬度等影響電磁耦合諧振的規(guī)律，促進(jìn)船用通信頻段電磁耦合諧振的控制。

關(guān)鍵詞：三維電磁場仿真;船用屏蔽箱體;孔腔;耦合;諧振特性

中圖分類號：U66? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0069-04

國內(nèi)外制定明確的公約條款，規(guī)范船用甚高頻通信頻段，能夠?qū)Υ猛ㄐ旁O(shè)備的低噪聲電磁環(huán)境下進(jìn)行保護(hù)。為滿足該要求，船用電子設(shè)備采取的有效手段是屏蔽技術(shù)。通過屏蔽技術(shù)避免影響。但屏蔽效能的好壞，受到船用屏蔽箱體諧振特性的決定性的影響。本文基于三維電磁場仿真，對船用屏蔽箱體的孔腔耦合諧振特性進(jìn)行分析。腔體諧振、孔縫諧振、孔縫-腔體耦合諧振，都是帶孔縫腔體的電磁諧振現(xiàn)象。腔體諧振占主導(dǎo)因素。研究屏蔽箱體孔腔耦合諧振，對屏蔽箱體的高屏蔽效能設(shè)計有一定的指導(dǎo)價值。孔腔耦合諧振也就是孔縫對腔體諧振的影響。在復(fù)雜的影響因素下，通過孔縫，腔體與外部空間的耦合產(chǎn)生。孔縫附近產(chǎn)生孔縫諧振。縱向尺寸引起傳輸腔體諧振。截面尺寸引起橫向諧振。孔腔耦合諧振分析相對困難，沒有固定的耦合模式，諧振特性更加復(fù)雜，相關(guān)研究較少。本文研究探討其諧振規(guī)律，更好地抑制或控制耦合諧振，為提高船用雙屏蔽箱體結(jié)構(gòu)屏蔽效能，提供結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計參考。

1 孔腔耦合諧振的形成及特性

孔縫對腔體諧振的影響，可以作為孔腔耦合諧振。基于波導(dǎo)理論，分析孔縫諧振，將孔縫看作一段金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，便可以基于波導(dǎo)理論對孔縫諧振進(jìn)行具體分析。 孔縫諧振機理與腔體諧振機理相似，對于在孔縫中傳播的電磁波，通過入射波和由腔體壁反射引起的反射波相互疊加，產(chǎn)生駐波，從而形成孔縫諧振。

本文研究選取船用帶縫屏蔽箱體模型。箱體材料為鋁。箱體厚度為 t=2 mm。尺寸長寬高分別為1326mm、500mm、1326mm。在箱體右側(cè)壁面中心制作縫隙，縫隙與z軸平行。采取不同的長度條件，包括1322mm，1000mm，800mm，600mm，400mm，200mm。縫隙用方形孔洞代替，規(guī)格20mm×20mm。船用帶縫屏蔽箱體腔體內(nèi)部中心，設(shè)置場強探針P。如下圖所示，為計算模型。保證覆蓋船用通信頻段156～165MHz。設(shè)置模型頻率范圍選擇0～500MHz。

平面波電場方向垂直于Z軸，平面波沿X軸呈現(xiàn)負(fù)向垂直入射。隨著頻率的變化，點P處電場強度出現(xiàn)變化，對其進(jìn)行計算，縫隙諧振頻點以SRm 表示，孔腔耦合諧振頻點以SCRn 表示。曲線圖如下圖2所示。200 mm 縫的箱體模型，腔體自然諧振頻點均為諧振點。縫與小方形孔，基本上有一致的諧振頻點。

當(dāng)L=800 mm，y=250 mm 剖面內(nèi)部，SCR3 諧振的場強分布如下圖3所示。

當(dāng)L=1322 mm 時，在y=250 mm剖面，SR3 及 TE101 諧振模的場強分布如下圖。

根據(jù)長度為800 mm，長度為1322mm，耦合諧振場強分布存在不同。腔體諧振與孔腔耦合諧振的差異明顯。縫隙與腔體內(nèi)部駐波存在密切的聯(lián)系。駐波覆蓋橫向面積更大的，在SCR 場分布圖的縫隙處。

根據(jù)以上比較分析。如果長度位于800mm和1000mm之間，包括800mm和1000mm。耦合諧振現(xiàn)象與 TE101模產(chǎn)生。不斷增加縫隙的長度，縫隙諧振頻點頻率不斷下降。孔腔耦合諧振拼點，從0變?yōu)?，頻率范圍0-500 MHz。對比 E-f 曲線，縫隙諧振與孔腔耦合諧振存在差異，縫隙諧振低于縫隙處的場強值。腔體內(nèi)駐波連接更加緊密的是縫隙處。其駐波覆蓋的橫向面積更大。

2 孔縫結(jié)構(gòu)參數(shù)對耦合諧振特性的影響

基于三維電磁仿真軟件進(jìn)行本次研究，三維電磁仿真軟件全面且集成度極高，仿真軟件包括設(shè)計工作室、PCB 工作室、電纜工作室、微波工作室等，根據(jù)仿真需求，合理選擇仿真模塊[3-5]。縫隙初始模型長寬高分別為850mm、1mm、2mm。仿真軟件包含各種算法，對各類結(jié)構(gòu)的電磁特征都可以計算，分析時頻域特性。比如全波電磁算法、時域有限積分算法等，三維電磁仿真軟件建立獨特的精簡模型庫，能夠精確仿真電磁特性，不需要劃分網(wǎng)格，保證仿真精度，也節(jié)省了網(wǎng)格。

2.1 不同分段對耦合諧振特性的影響

將縫隙進(jìn)行分段，等分為1段、2段、3段。如下圖所示E-f曲線。為長度850mm的初始模型。如果是不分段，直接顯示有較大的諧振，并且孔腔耦合諧振顯示明顯。在分成兩段情況下，顯示孔腔耦合諧振出現(xiàn)，并且頻率是367MHz、349MHz。在TE301、TE103位置，腔體諧振、縫隙諧振有大致同樣的頻率[6]。分成三段的情況下，沒有縫隙諧振頻率，也沒有孔腔耦合諧振。

2.2不同縫隙寬度及厚度的影響

設(shè)置1mm，2mm，3mm的縫隙厚度與縫隙寬度，繪制曲線圖，如下所示。不斷增加縫隙的厚度，顯示孔腔耦合諧振的出現(xiàn)，是從縫隙橫向諧振產(chǎn)生。因為耦合諧振場強值沒有變化。不斷增加縫隙的寬度，整個頻段內(nèi)的場強值出現(xiàn)一定的增加，增加有限。但耦合諧振頻點幅值出現(xiàn)稍微的下降。

2.3沿Y軸坐標(biāo)位置的影響

分析Y軸坐標(biāo)位置對孔腔耦合諧振的影響，將縫隙與Z軸平行，在腔體右壁上設(shè)置縫隙，包括y=498mm，y=374mm，250mm，如下圖所示，為E-f曲線。在不同的位置情況下，顯示耦合諧振場強值沒有變化[7]，范圍在船用甚高頻通信頻段內(nèi)。但腔體諧振其他模式諧振被激發(fā)，位于Y軸坐標(biāo)的498mm及374mm處。

2.4不同數(shù)量縫隙的耦合影響

分析縫隙數(shù)量對孔腔耦合諧振的影響，采取1-5條不同數(shù)量的縫隙，采取對稱設(shè)置的方式，以腔體右壁中心。y=2mm，y=498mm，y=126mm，y=126mm，y=250mm。曲線圖如下圖9所示。結(jié)果顯示，在不斷增加數(shù)量的縫隙情況下，兩個頻點中間的頻率場強值，出現(xiàn)一定的上升。兩個頻點從低頻轉(zhuǎn)移到高頻[8]。并且場強值出現(xiàn)稍微的下降。腔體的其他諧振模式被激發(fā)，主要受兩條縫隙數(shù)量，以及四條縫隙數(shù)量的影響。

綜合分析三維電磁場仿真軟件的結(jié)果，顯示增加縫隙的厚度，與孔腔耦合諧振的縫隙橫向諧振產(chǎn)生影響很少。增加縫隙的寬度，兩個頻點的場強值出現(xiàn)一定程度的下降，并且小幅度地偏移向高頻、低頻[9]。分段處理縫隙，分段與腔體內(nèi)場強值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與縫隙諧振頻點呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。增加縫隙的數(shù)量，兩個頻點的場強值轉(zhuǎn)移向高頻、低頻。并且呈現(xiàn)下降 。其他腔體模式諧振被激發(fā)，在不是對稱分布的縫隙下。

3 總結(jié)

本研究使用CST電磁仿真軟件進(jìn)行分析，探討發(fā)生電磁耦合諧振的船用通信頻段，孔縫尺寸條件。對耦合諧振的影響相關(guān)規(guī)律進(jìn)行分析，包括不同的縫隙數(shù)量、縫隙位置、縫隙厚度、縫隙寬度、縫隙分段等。本次研究縫隙初始模型為850mm×1mm×2mm，結(jié)合腔體內(nèi)部場強分布圖，分析孔腔耦合諧振特性。本次研究結(jié)果顯示，船用屏蔽箱體，出現(xiàn)孔腔耦合諧振，孔縫處場強值， 比縫隙諧振場強值更高。腔體內(nèi)場強分布復(fù)雜度更高。孔腔耦合諧振受縫隙的厚度、寬度的影響比較少。抑制電磁耦合諧振，可以采取等長分段處理縫隙的方式。腔壁不同位置的縫隙，會有腔體諧振模式被激發(fā)。更多的諧振模式在非對稱布置下被激發(fā)。本文利用三維電磁場仿真軟件，以優(yōu)化船用屏蔽箱體屏蔽效能為目的，分析其孔腔耦合諧振特性規(guī)律，有效控制孔腔耦合諧振，抑制或控制電磁噪聲，提高屏蔽效能，為設(shè)計船用屏蔽箱體提供參考。

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