内置金属板机箱屏蔽效能研究

郭华栋

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

内置金属板机箱屏蔽效能研究

郭华栋

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

未来高技术战争在电磁空间的争夺非常激烈，武器系统和设备将会受到电磁辐射的干扰或破坏，屏蔽机箱是保护电子设备不受外来电磁干扰的一种有效方法。研究了机箱内部放置金属板不同尺寸大小和不同安装位置对屏蔽效能的影响，对导体机箱的电磁兼容设计具有参考意义。

屏蔽效能；电磁兼容；屏蔽机箱

未来高技术战争在电磁空间的争夺非常激烈，武器系统和设备将会受到电磁辐射的干扰或破坏，电子设备的电磁兼容设计成为越来越重要的一个方面，直接影响到武器系统的整体性能。

屏蔽机箱是保护电子设备不受外来电磁干扰的一种有效方法，尽管完整的屏蔽壳体屏蔽效能很高，但是为了通风、散热以及导线接口需要，屏蔽腔体上不可避免地存在着孔缝，破坏了屏蔽的完整性，使得屏蔽效能严重下降。在实际工程应用中，导体机箱内部经常放置PCB板或其他金属板将机箱分成隔间，这些会影响机箱屏蔽效能。笔者在有孔、缝的机箱内部放置一块金属板来模拟PCB板或其他导体板，仿真分析内置金属板的不同尺寸、不同位置对机箱屏蔽效能的影响。

1 屏蔽原理

电磁屏蔽是采用低电阻的导体材料或低磁阻的导磁材料形成封闭面，将内外两侧空间进行电磁性隔离，当电磁场穿越屏蔽体时，由于介质材料的反射和消耗，造成电磁能量的衰减，从而起到屏蔽作用。

机箱屏蔽性能的好坏一般用屏蔽效能（SE）来衡量。屏蔽效能的定义是：对于给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽体安放前后的电场强度或磁场强度之比值，即

由于屏蔽效能数值范围很宽，用倍数表达不方便，因此在工程上，屏蔽效能一般用分贝（dB）表示，计算公式见式（2）。

机箱作为一个金属谐振腔，在谐振频点（f0）附近，机箱屏蔽效能会严重下降，矩形谐振腔谐振频点的计算公式见式（3）。

内置金属隔板、孔缝会对机箱结构进行改变，导致谐振频点发生变化，在机箱电磁兼容设计时必须充分考虑。

对于孔、缝对导体机箱屏蔽效能的影响，可以采用的数值算法有矩量法（MOM）、传输线矩阵法（TLM）和时域有限差分法（FDTD）等。笔者采用TLM法来对导体机箱内部加入金属板后的屏蔽效能仿真模拟。TLM法是一种时域求解麦克斯韦方程的方法，将求解空间划分成传输线的网格单元，单元之间以节点相连，采用冲击脉冲函数作为激励，只要一次求解就可以得到整个系统在整个求解空间响应，通过傅里叶变化可以得到整个频域的响应曲线，非常适合导体机箱的屏蔽效能仿真分析，可以避免频域算法由于扫频带来的误差。

2 仿真模型

人们对于孔缝的形状、大小和方向等对机箱屏蔽效能影响研究开展较多，在此基础上，笔者对机箱内部仿真金属隔板对屏蔽效能的影响进行研究分析。采用基于传输线矩阵法（TLM）的仿真分析软件FLO／EMC软件对内置金属隔板机箱屏蔽效能进行仿真建模分析。仿真模型尺寸为300 mm×300 mm×120 mm的一个矩形导体机箱，机箱内部放置不同尺寸的理想导体板模拟PCB板或其他金属隔板，机箱侧壁有一个100 mm×10 mm的孔缝，平面波冲－X方向入射，求解频率范围设定为200～1 000 MHz。在该仿真模型中，测点位于机箱中心位置，屏蔽效能（SE）通过比较机箱内部测点在有、无机箱2种情况下的场强值得到。仿真模型如图1所示。

3 仿真结果与分析

3.1 不同大小金属板对屏蔽效能的影响

对于无金属板的开孔导体机箱的屏蔽效能曲线如图2实线所示。由图2可知，机箱在700 MHz频率附近屏蔽效能为负值，原因为此时壳体发生谐振。对于TE型波振荡，最低谐振频率为TE101模（即m＝1，n＝0，p＝1），利用式（3）可以计算出该模型的主模谐振频点f0（101）＝707 MHz，与仿真结果一致。

导体机箱内部同一位置放置一块平行于YZ平面的金属板，金属板大小分别为100 mm×250 mm，100 mm×200 mm，100 mm×150 mm和50 mm×50 mm，计算观测点的屏蔽效能，仿真结果如图2所示。

图2 内置不同尺寸的金属板的机箱屏蔽效能曲线

图1 内置金属板机箱仿真模型

由图2的曲线分析可知，加入导体金属板后，箱体的谐振频率从700 MHz下降到540 MHz左右，并在910 MHz附近出现高次模谐振，在机箱设计时一定要注意金属隔板的放置导致机箱谐振频点的改变，从而使机箱屏蔽效能在谐振点附近急剧下降，影响电子设备电磁兼容性能。图2中的细实线为50 mm×50 mm的金属板，可以看出当金属板相对较小时，箱体的谐振频点改变很小，对箱体屏蔽效能的影响几乎可以忽略。

3.2 内置金属板位置对屏蔽效能的影响

对于同样大小的金属板，由于放置位置的不同，会对箱体的屏蔽效能产生不同的影响。在导体机箱内部放置一块大小100 mm×200 mm的金属板，平行于YZ平面，导体板距有缝隙的机箱侧面的距离为150，100，50 mm，屏蔽效能的仿真曲线如图3所示。

图3 内置不同位置金属板的机箱屏蔽效能曲线

从图3中可以看到随着金属板逐渐靠近机箱的中心位置，箱体的谐振频点逐渐降低，同时在1 GHz以下也出现了高次模的谐振频点。分析图中曲线，在400 MHz频率以下时，加入金属板后，机箱的屏蔽效能有所提高，金属板越靠近观测点，屏蔽效能提高越明显，在200 MHz附近达到10 dB左右。机箱内部加入金属板后，机箱的屏蔽效能在谐振频点以下部分略有提高，由于谐振频点的改变，在部分频段对机箱屏蔽效能略有提高。

3.3 不同测试点处的屏蔽效能

对箱体内部，取不同的测试点，获得的屏蔽效能曲线是有差距的。在箱体中间安置一块平行于YZ平面的100 mm×200 mm大小的金属板，观测点分别为（100，60，150）和（200，60，150）处仿真得到的屏蔽效能曲线如图4所示。在导体机箱的孔缝附近，由于耦合关系箱体的屏蔽效能要低于其他部位的测试结果。

图4 不同观测点处的屏蔽效能曲线

4 结 语

在对孔、缝对机箱屏蔽效能研究的基础上，在机箱内部加入理想导体板，模拟机箱内部内置PCB板或金属板，通过建模仿真手动分析导体机箱屏蔽效能的变化情况。内置金属板导致机箱谐振频点下降，影响机箱屏蔽效能指标发生变化，内置金属板的大小与放置位置对屏蔽效能有很大影，通过合理内置金属板，在部分频段内可改善机箱屏蔽效能。

在电子设备机箱电磁兼容设计时，考虑孔、缝对屏蔽效能影响的同时，必须考虑内部金属板对机箱屏蔽效能的影响，避免出现内置金属板而导致机箱屏蔽效能不达标的情况。利用仿真分析的手段可以提前对机箱屏蔽效能进行分析并改善，提高电子产品电磁兼容性能，有效降低产品研发成本、缩短研发周期。

［1］ 周佩白.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］ 何 鸣，刘光斌.孔缝对导弹电子设备机箱电磁屏蔽效能的影响［J］.宇航学报，2006，27（2）：47-52.

［3］ TRENKA V，SCARAMUZZA R.Modelling of arbitray solt structures using transmission line matrix（TLM）method［A］.Proc of the 14th Intern Zurich Symp on EMC 2001［C］.［S.l.］：［s.n.］，2001.784-792.

TM27

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1008-1542（2011）07-0160-04

2011-06-20；责任编辑:张士莹

郭华栋（1984-），男，山西平定人，硕士，主要从事航天系统电磁兼容设计、仿真与试验验证方面的工作。