带孔缝金属箱体电磁屏蔽效能的研究

《电子设计工程》2021 年第 13 期
式中，w、h、l 分别为矩形箱体的宽、高、长（m）；
m、n 分 别 为 矩 形 箱 体 内 沿 宽 、高 、长 方 向 的 半 驻 波
个 数 ；μ、ε 分 别 为 箱 内 介 质 的 磁 导 率 和 介 电 常 数
（H/m 、F/m）。
2 仿真模型的建立
建立金属箱体屏蔽效能的仿真分析模型，基本步
前文屏蔽效能的计算公式（1），求解得出箱体各种设
置条件下的屏蔽效能 SE 值。
图 2 为金属箱体仿真模型。
3 金属箱体的屏蔽效能分析
结合电磁学理论及式（3）的分析可知，屏蔽效能
与箱体材质、孔缝结构、箱体内外介质及电磁波频率
有关，下面分析改变箱体材质、壁厚、孔缝结构及箱
体双层屏蔽对 SE 值的影响。
3.1
4）设置边界条件，为得到唯一确定的解，同时确
保模型的完整性，需要在箱体以外空间建立吸收边
界条件，将箱体包裹，以模拟开放的自由空间。
5）网格划分时，采用自适应网格剖分技术，可根
据设置误差标准，精确、有效地生成网格，实现分析对
图 3 不同材质下屏蔽效能对比曲线
象的离散化。为得到更精细的网格，此处设置求解
综上，金属板电磁屏蔽作用可用下式表示：
能和磁场屏蔽效能，表 1 为屏蔽效能与场强衰减的
1
要分为 3 个部分，即反射损耗 R、吸收损耗 A、多次反
（1）
按照机理的不同，屏蔽效能可分为电场屏蔽效
屏蔽前场强/(V/m)
由上述分析可知，电磁波经过屏蔽后的损耗主
正因子（B），其量值小于 1。
ì
æ E0 ö
ïSE dB = 20 lg ç E ÷
第 29 卷
Vol.29
第 13 期
No.13
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2021 年 7 月
Jul. 2021

带孔缝金属箱体电磁屏蔽效能的研究
刘 力 1，刘 彬 2，葛玉石 1，刘为群 2，丁 勇 2，郭 勇 2
（1. 常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京
范围较宽，上述计算较麻烦，因此一般采用分贝（dB）
计量，如下式所示：
1
1
1
1.2
屏蔽效能与场强衰减的关系
屏蔽后场强/(V/m)
衰减量(%)
屏蔽效能/dB
0.1
90%
20
0.001
99.9%
60
0.01
0.000 1
0.000 01
99%
99.99%
99.999%
射损耗（R）；透射波在金属板内传播时的损耗称为吸
verifies the effect of the common hole seam form and the double side shielding box on the shielding
efficiency of the metal box，and puts forward the measures to improve the shielding box energy. The
211100）
摘要：随着无线通信技术的快速发展，电子产品所处的电磁环境日趋复杂，电子系统和电子设备的
EMC 要求已经成为设计研制时必须予以充分考虑的重要指标。在电磁屏蔽设计中，金属箱体作为
一种行之有效的屏蔽措施被广泛应用，屏蔽设计的合理性直接关系到产品的 EMC 性能。在简要阐
述了金属板电磁屏蔽的机理及电磁屏蔽效能计算方法的同时，结合工程中常见金属箱体的结构特
the EMC performance of products. At the same time，the principle of metal plate electromagnetic
shielding and the calculation method of electromagnetic shielding effectiveness are briefly described，and
箱体不同材质对屏蔽效能的影响
选取箱体及屏柜设计中常用的 Q235 碳素钢、普
- 74 -
由图 3 可以发现，
随着材料的变化，
箱体的屏蔽效
文章编号：1674-6236（2021）13-0072-05
Research of the shielding effectiveness of the metallic enclosure with an aperture
LIU Li1，LIU Bin2，GE Yushi1，LIU Weiqun2，DING Yong2，GUO Yong2
骤主要包括求解类型的选择、三维箱体模型的建立、
仿真求解设置、数据后处理[12-13]，其详细设置如下：
1）由于仿真分析电磁场衰减程度（屏蔽效能），
所以解类型选用模式驱动形式。
2）创建金属箱体模型，以常见金属机箱作为案
例建模，矩形箱体的宽、高、长分别为 w×h×l=200 mm×
300 mm×300 mm，箱体在宽度面的几何中心处开设
（1. NR Electric Power Electronics Co.，Ltd.，Changzhou 213025，China；2. NR Electric Co.，Ltd.，
Nanjing 211100，China）
Abstract: With the rapid development of wireless communication technology， the electromagnetic
置进行封闭或遮蔽。为表征屏蔽体电磁波的衰
减 程 度 ，引 入 屏 蔽 效 能 (Shielding Effectiveness，SE)
概念 [4-6] 。
屏蔽效能 SE 是指无屏蔽体时空间某点的电场
强度 E0(或磁场强度 H0)与有屏蔽体时该点电场强度
E1(或磁场强度 H1)的比值。由于屏蔽效能 SE 的量值
è 1ø
ï
í
ïSE = 20 lg æ H 0 ö
ç
÷
ï dB
è H1 ø
î
表1
图 1 金属板电磁屏蔽机理示意图
40
80
100
金属板电磁屏蔽的机理分析
对于结构上完整、电气上连续均匀的金属板，其
如下：
ìA dB = 20 lg et/δ = 0.868t/δ = 0.131t fμ r σ r
ï
ï
é(Z s + Z w)2ù
considered in the design and development. In electromagnetic shielding design，metallic enclosure is
widely used as an effective shielding measure，and the rationality of shielding design is directly related to
为 t 的金属板界面 a 时，波阻抗发生了突变，部分电
次发生反射和透射，会有一小部分透过界面 b 的电
磁波进入到被屏蔽空间中 [7-9]。
在屏蔽机柜及其屏蔽盒的设计中，电磁波在箱
f mnp =
2
2
2
1
æ m ö + æ n ö + æç p ö÷
2 με è w ø è h ø è l ø
（4）
- 73 -
10 mm×60 mm 的矩形孔，箱体几何中心设在坐标原
点处，材质为 Q235 碳素钢。
图2
金属箱体仿真模型
通铝板、304 不锈钢作为仿真分析对象，比较得到屏
蔽效能随频率的曲线，如图 3 所示。
3）为更好地模拟金属箱体的屏蔽效能，此处激
励选择内置的偶极子天线，设置在坐标原点处，沿 Y
轴正方向极化，场强为 1 V/m。
频率为 1 GHz，最大迭代次数 10 次，收敛精度 0.01。
6）对于求解设置，为分析箱体对各电磁波频率下
的屏蔽效能，设置离散扫频，起始频率设为 0.02 GHz，
终止频率为 1 GHz，步长为 0.01 GHz。
7）求 解 方 法 依 据 屏 蔽 效 能 3 米 法 测 量 的 方式，
引用屏蔽效能的求解函数 dB（Sphere 3 meters）,依据
干扰的控制技术也越来越重视，而在产品的 EMC 设
作者简介：刘 力（1989—），男，山东临沂人，硕士，工程师。研究方向：机械设计及理论、电磁兼容。
- 72 -
刘 力，等
带孔缝金属箱体电磁屏蔽效能的研究
计过程中，箱体孔缝的电磁泄露一直是 EMC 设计人
员需要重点考虑的问题之一。
文中对常见金属箱体结构进行了仿真研究和分
点，利用电磁场仿真软件进行多工况仿真分析；验证了常见孔缝形式及其双层屏蔽箱体对屏蔽效
能的影响，提出了金属箱体提高屏蔽效能的措施；研究结果对金属屏蔽箱体的设计有一定的指导
意义。
关键词：金属箱体；电磁兼容；仿真；屏蔽效能
中图分类号：TN03
文献标识码：A
DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2021.13.016
收 损 耗（A）。 由 于 电 磁 波 在 a、b 界 面 存 在 循 环 往 复
的反射和透射，为此在屏蔽理论中引入多次反射修
SE dB = A dB + R dB + B dB
（2）
由电磁场理论可知，吸收损耗 AdB、RdB、BdB 表达式
对应关系。
1
射修因子 B。入射到金属板时被反射的损耗称为反
随着现代电子科学技术的长足发展，各种电子
和信息设备的应用领域越来越广泛，因此，设备与设
备之间的电磁干扰也变得日趋复杂。从设备在复杂
收稿日期：2020-06-19
稿件编号：202006111
电磁环境下稳定运行的角度出发，EMC 直接关系到
一台设备或一套系统的正常运行；同时，电磁干扰也
会对人体造成伤害 [1-3]。基于上述原因，人们对电磁
research results have some guiding significance for the design of metal shielding enclosure.
Keywords: metallic enclosure；EMC；simulation；shield effectiveness
the simulation analysis is carried out by using electromagnetic field professional simulation software
combined with the common structural characteristics of metallic enclosure in engineering. This paper
析，对比了材质、板厚、缝隙结构、双层屏蔽对金属箱
体屏蔽效能的影响。
1 屏蔽效能及金属板电磁屏蔽机理
1.1
屏蔽效能的概念
屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输
的 一 种 措 施 ，而 屏 蔽 体 可 以 由 任 何 导 电 、导 磁 的 介
质 构 成 ，用 以 阻 止 或 减 小 电 磁 能 传 输 ，进 而 对 装
environment of electronic products is becoming more and more complex，and the EMC requirements of
electronic systems and electronic equipment have become an important index that must be fully
磁 波 会 被 反 射 ，剩 余 部 分 则 穿 过 界 面 a 在 金 属 板 内
体内部发生谐振，导致机箱内部噪声幅值被抬高，同
继续透射传播；电磁波在金属板内透射时会产生一
样对屏蔽效能有着较大的影响 [10-11]。针对矩形金属
定消耗。当电磁波到达金属板界面 b 时，同样会再
箱体，可根据式（4）算出谐振频率 fmnp。
率（H/m）；σr 为金属板导电率（S/m）；f 为电磁波频率
（HZ）；t 为 金 属 板 厚 度（mm）；Zs 为 金 属 板 的 波 阻 抗
（Ω）；Zw 为自由空间的波阻抗（Ω）。
由式（3）可知，金属板屏蔽效能与材质、板厚、电
屏蔽机理示意图如图 1 所示。当电磁波入射到板厚
磁波频率、传播介质等有密切关系。
ïR dB = 20 lg R = 20 lg ê 4Z Z ú
s w û
ë
í
ï
2
ïB = 20 lg é1 - æ Z s - Z w ö ⋅ 10-0.1A(cos 0.23A - j sin 0.23A)ù
êê ç
úú
÷
ï dB
ë è Zs + Zw ø
û
î
（3）
式中，δ为金属板趋肤深度（m）；μr 为金属板磁导