机箱内电磁兼容分析

机箱内电磁兼容分析

张晓雷

（北京天源博通科技有限公司）

摘 要：一个电磁系统内部可能会存在各种各样的电磁干扰源，这些电磁干扰信号的频带往往非常宽。如果要保证系统内各个电磁设备能够正常工作，就必须在一个很宽的频带内，对各种可能的干扰信号做仔细的分析。计算宽频带电磁环境的一个很强大的工具是时域有限差分法。本文对某机箱内的电磁环境作了分析，并使用系统机电磁兼容软件IceWave对此机箱作了仿真计算，为机箱的电磁设计提供了依据。

关键词：机箱 时域有限差分法 电磁兼容 散热

1 前言

随着系统电子设备的不断增多与工作频带的不断拓宽，系统内电磁环境正在不断的恶化，由于设备之间的电磁干扰，系统的整体工作能力与工作效率都在不断地下降。对于目前如此复杂的电磁兼容设计，再也不能仅靠工程师的经验去处理了。因此使用数值方法对系统的电磁兼容性进行预估与优化就成了至关重要的问题。但是由于系统的复杂性，如何使用计算机建立细致有效的模型成了一个很困难的问题。这就需要有系统级电磁分析的观念。本文对某机箱的系统级电磁问题，使用FDTD算法进行了分析计算，得到了一个很好的仿真计算结果。

2 系统电磁兼容

电磁兼容问题包含多个方面的考虑，为了保证系统内各个设备的正常工作，需要计算系统内各个点在不同时刻的电磁场值。不仅如此，还要考虑系统内电磁场是否泄露到系统外，对舱外电磁环境带来严重影响。为了衡量设备的工作效率是否受到影响，就要考虑在设备的工作频率上，输入与输出的阻抗、驻波比是否还能满足系统指标要求。

电磁兼容问题中的干扰源问题历来都是最为棘手的问题。因为这些干扰源往往都是设计系统时没有考虑到的。因此，在系统电磁兼容分析的过程中需要对这些干扰作详细的分析，并且还要考虑干扰源中寄生的噪声信号，这些信号的频带往往都非常宽，从低频一直延伸到高频。这种问题不像我们遇到的天线设计等问题，设备的工作频段是一定的。

考虑到以上因素，时域算法是很可取的方法。在众多时域算法中，时域有限差分法（FDTD）是一种应用比较广泛的算法。使用这种算法，能够一次性地计算出设定频带内所有频率点的电磁场解。无论是系统内，还是系统外的电磁场分布、辐射方向图都能够很好地获得解决，这样就进一步为系统间电磁兼容问题提供了解决方案。

3 某机箱的电磁兼容问题

机箱往往都是一个狭小的空间，在这个空间内紧密放置着各种电子设备。因此机箱内的电磁环境将非常复杂。在这么小的空间内解决电子设备的电磁兼容问题不仅仅需要丰富的经验，更需要精确的电磁仿真预测技术。

除了要考虑机箱内的电磁兼容问题、机箱的电磁泄漏问题，还要考虑机箱的电子散热问题，因为散热与电磁兼容往往是一个矛盾的问题。

美国Fluent公司的系统级电磁兼容软件IceWave采用时域有限差分法，专门解决机箱机柜的电磁兼容问题，本文采用此软件解决机箱的电磁兼容仿真分析。

下面的模型是一个机箱，在IceWave软件中完成建模与边界设置。机箱内部分布有电流源，电压源，PCB板，散热器等等部件。机箱壁上有开缝、开孔等散热措施。估计电流源和电压源的频带在0~2Ghz的范围内。在这种情况下，需要分析机箱内的电磁环境，以及孔缝的电磁泄漏问题。

图1 机箱模型

为了考察系统内的电磁环境，在系统内部设两个观察点和一个观察面。两个观察点一个位于舱内中心，另一个位于机箱上有开孔的箱壁中心点处。机箱的尺寸为22cm*14cm*30cm。黄色导线上有宽频电压信号，绿色导线上有宽频电流信号。五块橘黄色的板是PCB板，最下面的PCB板上还有一个散热器。在机箱上的一个箱壁上有一系列条状缝隙开孔和一组矩形开孔，另外还有一条单一的缝隙。

信号源的波形如下图所示，信号持续时间为1.225e-8秒：

图2 电压信号源的时域波形

设定时间采集点为700个点。经过计算，可以得出机箱内的时域解，进一步得到频域解。首先看一下在机箱内的观察点处电场的频域变化趋势与时域变化趋势：

图2 监测点处的电场强度时域波形

图3 监测点处的电场强度频域波形

通过上述两幅图的波形可以看到机箱内激起的场强大小。在频域波形里，能够看到在750MHz处，监测点的场强最小。使用这样的结果能够帮助设计箱内设备的位置。

这里的频域曲线不够圆滑，为解决这一问题，可以增加时间采样点的数量，这样就可以得到更加光滑的频域电场强度曲线。

为了分析电压源的匹配问题，可以计算出电压源端口的S11曲线如下图所示。通过这样的曲线，就可以预测出在那些频段内，端口的匹配情况会恶化，从而做出相应的补救措施。从下面的曲线图中可以看出，在很宽的频带内，端口的匹配状况都非常不错，都达到了-1dB以下。

下面再来看开缝与开孔处的电磁泄漏。下面是204MHz时，开缝周围的电场强度分布：

图5 204MHz时开缝处的电场强度分布

图6 2GHz时开缝处的电场强度分布

因此在高频处会有较多的电磁泄漏。

下面是在周围半径为3m处的电场强度方向图：

5结论

利用IceWave软件的FDTD算法求解器可以对机箱内部与外部的电磁场做仿真计算，并且可以高效地得到频域解和时域解。大大方便了工程师对复杂系统的电磁兼容预测与分析。

参考文献

[1]徐永彬、何国瑜、卢才成、苏东林.工程电磁场基础.北京：北京航空航天大学出版社.1999：492-493.

[2]董金明.微波技术. 北京：北京航空航天大学出版社. 2000: 88

[5]I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚. 微带天线. 北京：电子工业出版社. 1984

Analyzing about EMC in enclosure

Abstract：There are usually varieties of electromagnetic disturbing sources in an electromagnetic system. These sources always have wide frequency domain. If all equipments in this system could work properly, we have to analyze all disturbing signals which maybe do harm to the system. FDTD is a powerful tool for calculate electromagnetic distribution with wide frequency domain. This paper analyze the electromagnetic environment in enclosure and do simulation for it with IceWave software. It provide us with an solution for such problems.

Key words: enclosure FDTD EMC cooling