基于HFSS電磁仿真優(yōu)化地基DOAS設備結構及布局

李光旭，湯 詠

（1.成都信息工程大學 控制工程學院，成都610225；2.合肥中科環(huán)境監(jiān)測技術國家工程實驗室有限公司，合肥230031）

地基DOAS 設備是合肥中科環(huán)境監(jiān)測技術國家工程實驗室有限公司最新研發(fā)的國內外技術領先的污染氣體監(jiān)測產品。其具有監(jiān)測距離遠、操作簡單、維護方便、運行成本低等特點。為適應室外負責的監(jiān)測條件，排除周圍電磁干擾，要求設備具有較高電磁屏蔽功能[1]。

目前，電磁屏蔽領域的研究已經從基礎理論研究發(fā)展到了預測和實際應用。文獻[2]一方面，總結了預防電磁干擾的材料，描述了屏蔽金屬、導電塑料和導電復合材料對控制電磁干擾的效果，為本文選材提供了指導方向；另一方面，又分析了4 種測試電磁屏蔽效果的方法；文獻[3]對帶有矩形開孔的腔體使用等效傳輸線原理計算該腔體的屏蔽效能，該理論已經擴展到解決帶有圓形孔的屏蔽效能問題；文獻[4]更是針對航空電子產品電磁環(huán)境效應提出了模塊化設計方法。

隨著文獻[5]中總結出的電磁數(shù)值計算理論的發(fā)展，有限元法、矩量法、有限積分法、差分法、傳輸線法等方法都被提出并豐富起來，由此研發(fā)出了各種工程應用軟件：ANSYS HFSS 是基于有限元法研發(fā)出的；CTS 是基于有限積分法研發(fā)出來的，Microwave OfficeADSFEKO 等是基于矩量法研發(fā)出的；文獻[6]應用CTS 仿真了在0～1 GHz 下，帶有矩形孔徑的箱體的電磁屏蔽效能；文獻[7]應用ANSYS HFSS 分析了孔縫對箱體的電磁屏蔽影響。以上兩種軟件都展現(xiàn)了強大的電磁場精確仿真能力；文獻[8]展示了HFSS 軟件分析細節(jié)，文中HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應網(wǎng)格剖分技術，成為三維電磁仿真設計的首選工具和行業(yè)標準。

以上研究都是針對電磁屏蔽效能的評估，隨研究的全面，在文獻[9]和文獻[10]的研究中，除分析電磁屏蔽效果之外，還重點關注了電磁諧振現(xiàn)象，對抑制電磁諧振提出了很多優(yōu)化方案；文獻[11]結合HFSS 仿真評估與優(yōu)化設備的電磁屏蔽和電磁諧振。HFSS 優(yōu)秀的場后處理功能能為設計人員提供豐富的場結果，整個空間的場分布情況可以以顏色云圖的方式直觀展現(xiàn)電場/磁場強度的強弱點位。

1 相關理論

電磁兼容性設計要素在于干擾源、干擾路徑和受擾設備3 方面。為此，提高設備電磁兼容性的措施必然從這3 方面入手：通過屏蔽干擾源或降低干擾功率等措施來限制干擾源主動干擾，加大設備距離等方式切斷干擾路徑，控制設備孔隙等措施提高設備受擾閾值。

在實際工作中，對受擾設備而言，屏蔽受擾設備是控制電磁兼容的重要手段。通常，電子設備的屏蔽效果的評價標準是電磁屏蔽效能SE，其定義為指空間某點屏蔽前的電場強度E0、磁場強度H0和屏蔽后該點場強Es，Hs的比值。其電場屏蔽效能：SEe=20lg（E0/Es）；磁場屏蔽效能：SEm=20lg（H0/Hs）。對電子設備來說，按照QJ3035-1998 標準中電子機柜電磁屏蔽要求和測試方法的要求，該設備內部電磁屏蔽效能要求為二類屏蔽：>30～40 dB。

HFSS 作為電磁仿真軟件，其仿真流程如下：

（1）創(chuàng)建設計工程，選擇求解類型。在HFSS 中共有3 種模式，分別為模式驅動、終端驅動、本征模求解。本次仿真選用模式驅動求解；

（2）創(chuàng)建設計模型病情指定模型中材料屬性，分配邊界條件和端口激勵；

（3）求解設置。設置求解頻率、收斂誤差、最大迭代次數(shù)等信息。本次仿真是掃頻分析，還需要設置掃頻方式；

（4）運算仿真并對數(shù)據(jù)做后處理，查看計算結果，包括屏蔽效能曲線、電場強度圖等等。

地基DOAS 設備是基于成像光譜技術與差分吸收光譜技術，完成區(qū)域內污染物分布的觀測。其內部有高精密光譜儀設備。光譜儀工作中數(shù)據(jù)量大，信息處理過程復雜，且對系統(tǒng)信噪比有較為嚴格的要求，而電磁兼容特性是影響系統(tǒng)信噪比，進而影響光譜復原準確度的重要因素之一。因此，針對地基DOAS 設備，提高其電磁屏蔽性能是非常有意義的研究。

2 模型簡化

按照設備小型化和高電磁屏蔽性要求，該地基DOAS 設備采用鋁合金5052 材質制成，結構分內外兩層，外層結構長寬高為394 mm×394 mm×382 mm；內層為異形結構長寬高為234 mm×250 mm×344 mm；凸起結構結構長寬高為104 mm×144 mm×160 mm。設備正前方有直徑40 mm 的光路出口貫穿內外層兩個面。仿真中，在模型最外側建立600 mm 的真空區(qū)間作為仿真邊界條件。本次仿真忽略安裝螺釘帶來的屏蔽影響。因此，直接建模為BOX 形態(tài)，如圖1所示。

圖1 簡化模型Fig.1 Simplified model

3 地基DOAS 屏蔽效能分析

為驗證該雙層結構的屏蔽能力，在模型中選4個分布在內外殼中的參考點：P1（190，100，300）；P2（150，100，150）；P3（-50，100，50）；P4（-150，100，100），其中P1，P4 在外層與內層結構之間，P2，P3 在內層結構內。

仿真中取離散掃頻范圍為0.2 GHz～2 GHz，步進100 MHz，共計18 個離散頻率做分析，入射波為500 V/m。為避免假收斂，預設置最小Pass 為3，最大delta energy 為0.1，使用HFSS 仿真后的收斂如圖2所示。

圖2 模型仿真收斂Fig.2 Model simulation convergence picture

可見，在循環(huán)計算11 次后，delta energy<0.1，計算結果快速收斂。觀察不同參考點處，材料厚度分別為2 mm，3 mm，4 mm 時不同的屏蔽效能曲線如圖3～圖6所示。

圖3 P1 點處屏蔽效能曲線Fig.3 Shielding effectiveness curve at P1

圖4 P2 點處屏蔽效能曲線Fig.4 Shielding effectiveness curve at P2

圖5 P3 點處屏蔽效能曲線Fig.5 Shielding effectiveness curve at P3

圖6 P4 點處屏蔽效能曲線Fig.6 Shielding effectiveness curve at P4

可見，各參考點及厚度參數(shù)對應的屏蔽效能均大于40 dB，符合QJ3035-1998 標準要求，其中在小于0.5 GHz 時候，處于內外殼之間的P1 和P4 點都能維持在54 dB；而處于內殼的P2 和P3 點在可以在大于0.5 GHz，小于1 GHz 時候，仍位于54 dB 的較高屏蔽效能指數(shù)。可見雙層殼體結構內部更符合高屏蔽要求，因此核心模塊優(yōu)選安裝在內殼中。

再看雙殼體內部的P2 和P3 處的屏蔽效能曲線，P2 點附近的電磁屏蔽效能曲線往下波動最小，在2 GHz 以內的掃頻中，屏蔽效能均在50 dB 以上，因此，P2 點附近的屏蔽效能更好。對比圖4中不同厚度下的屏蔽效能曲線，其中紅色線條在1 GHz 時該點屏蔽效能出現(xiàn)明顯下降，而其他顏色線條此現(xiàn)象，因此優(yōu)選其他顏色線條代表的壁厚，考慮整體減重，設計中選擇壁厚3 mm 作為結構厚度尺寸。

4 地基DOAS 電磁諧振場強分析

從圖3～圖6中可以看出，部分頻率下，對應位置的電磁屏蔽效能急劇下降，這極有可能是電磁諧振引起的變化，對應頻率點也叫諧振點。極端情況下的電磁諧振會導致電磁屏蔽效能為負值，即金屬結構未消除電磁干擾，反而加大了電磁干擾。因此從結構布局需要避開電磁諧振。

觀察3 mm 壁厚下，在1.4 GHz 時，外殼屏蔽效能有突降，因此在HFSS 軟件中仿真1.4 GHz 下內外殼中的場強分布情況如圖7和圖8所示。

觀察圖7，外殼體邊角處場強較中間大，可見，考慮電磁諧振的影響，裝配在外殼的電子元器件需要避開邊角，盡量安裝在中間區(qū)域；觀察圖8，除底部外，內殼體場強較小，且接近均勻分布，因此雙層屏蔽對外部磁場起到了良好的屏蔽效果，電子設備可根據(jù)實際需要優(yōu)先在內殼排布，且盡量遠離底部。

圖7 外殼場強分布圖Fig.7 Field strength distribution of shell

圖8 內殼場強分布Fig.8 Field strength distribution of inner shell

5 結語

高可靠性的電子產品需要綜合電磁兼容性、加工制造及功能需求來設計，本文從電磁屏蔽和電磁諧振角度為材料厚度的選擇和內部元件的布局提供了指導，設計的內外殼結構符合高電磁兼容性設計要求。在后期的工作中可通過試驗的方式對此結果做進一步驗證。