基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析
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第 37 卷 第 6 期 2014 年 12 月
电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol． 37 No． 6 Dec. 2014
Analysis of Electromagnetic Shielding Effectiveness for Waveguide Based on FEM
长度相同时的屏蔽效能。
表 1 总面积相同、通孔间距以及长度相同时箱体的屏蔽效能
频率 / GHz
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
圆形波导管 / dB 72.5
60.3
52.9
47.1
41.8
35.1
14.0
29.8
32.6
32.3
矩形波导管 / dB 73.5
61.5
54.5
WANG Lilong,WU Mingzan∗,LI Zhu
( School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)
Abstract:A method joining waveguide out of the shield structure is presented,by using the effect of the attenuation of high-frequency electromagnetic waves in waveguide to improve shielding effectiveness. Finite element method is used to modeling and simulation of the waveguide length,thickness and the shape. The simulation results show that: in the range of the 0.1 GHz ~ 1 GHz frequency,the shielding enclosure shielding effectiveness with the increase of length and thickness of the waveguide has improved 15 dB and also improved a little on the rectangular and circular waveguide. According to the actual situation to choice a reasonable length and the thickness of the waveguide,the electromagnetic immunity of the weak signal processing circuit can be improved. Key words:weak signal;wave guide;electromagnetic shielding;finite element method EEACC:1310 doi:10.3969 / j.issn.1005-9490.2014.06.012
第6期
王立龙,吴明赞等:基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析
1069
场的波阻抗相等,电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是
相等的。 统称为电磁屏蔽效能,即:
SE = SEE = SEH
(3)
1.2 单层屏蔽分析模型
单层屏蔽结构如图 1 所示,均匀平面波电磁场
以一定的角度射向单层屏蔽体,屏蔽层表面对电磁
3 者之和来表示[6] 。
图 1 均匀平面波入射单层屏蔽层表面
1.3 波导管理论 屏蔽效能主要取决于表面上开孔的最大径向尺
寸。 开孔尺寸越大电磁泄漏也就越严重,屏蔽效能就 越差。 为了提高屏蔽效能,可以在不改变总面积的情 况下多开孔,增加孔间距[6] 。 由电磁理论可知,波导 管对于在其内传播的电磁波起着高通的作用,高于波 导管截止频率的电磁波可以通过,对低于截止频率的 电磁波会产生严重衰减[7] 。 如图 2 所示。
图 2 波导管的截止频率
生一定的衰减,其衰减的大小与波导管的长度成正 比,其关系式为:
SE = 1.8×fc ×L×10-9
1-æ f ö 2 ( dB) è fc ø
(6)
箱体的总体屏蔽效能为屏蔽层与波导管两者屏
蔽效果之和。
2 基于有限元方法的仿真验证
这篇文章使用基于有限元方法的电磁场仿真软 件 Ansoft HFSS 建立截止波导管屏蔽箱体模型,并对 其屏蔽效能进行仿真分析,得出屏蔽箱体屏蔽效能 随频率变化的曲线。 本次仿真的求解形式采用模式 驱动。 屏 蔽 箱 体 设 置 成 良 导 体, 尺 寸 为 30 cm × 12 cm×30 cm,壁厚 D = 1 mm。 设定入射波为平面 波,沿缝隙面即 Z 轴负方向垂直入射。 平面波电场 强度为 1000 V / m,沿着 Y 轴正向极化,选取箱体中 心点为屏蔽效能测试点。 2.1 截止波导管对屏蔽效能的影响
屏蔽效能随着平面电磁波的频率增加而不断下降,因 此在高频部分对电磁干扰的抑制将变得更加困难。 2.3 截止波导管通孔形状对屏蔽效能的影响
在保持通孔总面积、通孔之间间距以及长度不 变的条件下,只改变波导管的形状再进行仿真,观察
箱体屏蔽效能的变化。 表 1 总面积、通孔间距以及
图 5 波导管长度对屏蔽效能的影响
关键词:微弱信号;波导管;电磁屏蔽;有限元法; 中图分类号:O441 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)06-1068-04
电磁屏蔽是用屏蔽材料制成屏蔽箱体,将电磁能 量限制在一定的空间范围内从而抑制辐射干扰。 根据 实际需要,通常要在屏蔽箱体上开孔,孔缝的出现导致 屏蔽箱体屏蔽效果降低,已有的对孔缝结构处理方法 是减少孔缝长度、孔缝面积不变的情况下多开孔、圆形 孔代替矩形孔等[1-4] 。 这些方法虽然可以提高屏蔽箱 体屏蔽效能,但是对于屏蔽要求较高的微弱信号处理 电路还不足以很好的屏蔽外部空间电磁干扰[5] 。 在此 基础上论文在屏蔽箱体孔缝处加入截止波导管,基于 有限元法对其长度、厚度及其形状进行仿真分析。
49.4
45.3
39.4
17.7
33.0
33.5
32.3
由表 1 可以看出,在总面积相同、通孔间距以及 长度相同时波导管的形状对箱体的屏蔽效能的影响 并不是非常明显。 在 0.1 GHz 到 0.4 GHz 频段圆形 和矩形孔对应的屏蔽效能相差平均不到 2 dB,在接 近箱体谐振频率时,即在 0.5 GHz 到 0.8 GHz 段屏 蔽效能相差达到最大,平均为 4 dB,在 0.8 GHz 到 1 GHz 频段基本无差距,随着频率的进一步提高屏蔽 效能已无差别。 由仿真数据可知圆形和矩形波导管 对箱体屏蔽效能的影响不大。 由于两种结构在材料 制作上来看圆形波导管比矩形波导管消耗更多的材 料,波导管不宜制作成圆形。
来表示,单位为 dB。
电场屏蔽效能定义为:
SEE = 20lg
| E1 | | Et |
(1)
磁场屏蔽效能定义为:
SEH = 20lg
| H1 | | Ht |
(2)
对于辐射近场,电场和磁场的波阻抗不同,因此
电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能一般是不相等的。 对
于辐射远场,平面波电磁场是统一的整体,电场和磁
图 3 截止波导管结构及屏蔽箱体仿真模型
1070
电 子 器 件
第 37 卷
对于波导管厚度对屏蔽效能的影响,仿真模型 采用圆形波导进行仿真分析,管壁厚度 D 分别设置 为 0.05 cm、0.1 cm、0.3 cm。 仿真结果如图 6 所示。
图 4 加入截止波导管后屏蔽效能的改变
从图 4 可以看出:加入波导管与不加波导管相 比,箱体的屏蔽效能在整个 0.1 GHz ~ 1 GHz 频段中 都大大提高,尤其是在 0.6 GHz ~ 0.8 GHz 之外的频 段平均提高 15 dB,0.7 GHz 处为箱体的谐振频率, 在此处两者的屏蔽效果都有所下降,谐振频率是由 箱体的结构的尺寸决定的。 如果内部电路的工作频 率在 0.7 GHz 附近,可以调整箱体尺寸来改变箱体 的谐振频率。 2.2 截止波导管的长度及厚度对屏蔽效能的影响
132L
( fμr σr )
+20lg
| ZS | +20lg | 1-e-2(1+j) 94.25
L δ
|
=
A+R+B(Байду номын сангаасdB)
(5)
式中,A 是电磁波在屏蔽体中的传输损耗。 R 是电
磁波在屏蔽体的表面产生的反射损耗。 B 是电磁波
在屏蔽体内多次反射损耗。 f 为电磁波频率,μr 为 相对磁导率,σr 为相对电导率,δ 为集肤深度,L 为 屏蔽体的厚度,ZS 为屏蔽体介质的波阻抗。 单层屏 蔽材料对高频平面电磁波干扰的屏蔽效果可以用这
不同形状和结构的波导管有着不同的截止频 率,矩形波导管截止频率 fc = 15×109 / d( Hz / cm) ,圆 形波导管截止频率 fc = 17.6×109 / d( Hz / cm) ,其中 fc 单位为 Hz,d 是最大开口尺寸,单位为 cm。 低于截 止频率的电磁波从波导管的一端传输至另一端会产
图 3 所示左侧是长为 L 边长为 d 的波导管剖面 图,当 L ≥ d 时该结构才可以 称 为 截 止 波 导 管[8] 。 右侧为屏蔽箱体模型,箱体工作在 0.1 GHz ~ 1 GHz 范围内,因此矩形波导截止频率必须大于 1 GHz,由 矩形波导管截止频率 fc = 15 × 109 / d( Hz / cm) 可得, 波导边长小于 15 cm。 在最上端增加了有 10 个正 方形通孔的波导管,波导管边长 d = 1 cm,长度 L = 3 cm,相邻的两个方孔中心间距为 1.1 cm,10 个孔的 总面积为10 cm2,在箱体外设置一个辐射边界条件, 尺寸为60 cm×42 cm×60 cm。 矩形截止波导管对屏 蔽箱体屏蔽效能的影响如图 4 所示。
基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析
王立龙,吴明赞∗,李 竹
( 南京理工大学自动化学院,南京 210094)
摘 要:提出一种在屏蔽箱体孔缝结构的外部增加截止波导管结构的方法,利用截止波导管对高频电磁波的衰减作用来提
高屏蔽箱体屏蔽效能。 基于有限元法分别对截止波导管的长度、厚度及其形状进行仿真,仿真结果表明:在 0.1 GHz ~ 1 GHz 频率范围内,随着截止波导管长度及厚度的增加屏蔽箱体屏蔽效能提高 15dB 以上,圆形和矩形截止波导管对屏蔽效能影响 不大。 根据实际情况合理选择截止波导管的长度及厚度可以提高微弱信号处理电路的电磁抗干扰能力。
1 电磁屏蔽机理与波导管理论
1.1 屏蔽效能 屏蔽效能是一种通过在源和目标点之间插入屏蔽
收稿日期:2013-12-06 修改日期:2014-01-07
体、用以降低或削减空间指定点电磁场的优值系数。
定义为无屏蔽的情况下电场 E1[或磁场 H1]在给定点 r 处的绝对值,与存在屏蔽状态下电场 Et [或磁场 Ht ]在 给定点 r 处的绝对值之比。 屏蔽效能单位通常用 SE
波的反射作用以及吸收作用使得电磁波强度得以衰
减,传播系数 TE 为:
TE
=
Et E1
=
|
| pe-γl | 1 -qe - 2γl
|
(4)
SE = 20lg( TE) -1 = 20lg
| E1 | | Et |
= 20lg
| 1-qe-2γl | pe-γl |
|
=
20lg | eγl | -20lg | p | +20lg | 1-qe-2γl | =
把模型中的截止波导管长度 L 分别设置为 0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm,其他条件不变,截止波 导管长度对屏蔽效能的影响如图 5 所示。
图 6 波导管管壁厚度对屏蔽效能的影响
从图 5 屏蔽效能曲线上可以看出:波导管长度增 加时,箱体的屏蔽效能也增加,长度越长,屏蔽效果越 好。 当长度每增加 1 cm,屏蔽效能在 0.1 GHz ~ 1 GHz 频段提高 4 dB ~ 10 dB,由图 6 可以得出:随着管壁厚 度的增加箱体整体的屏蔽效能也不断提高,管壁由 0． 05 cm 增至 0.1 cm 时,屏蔽效能提高大约 4 dB,再 由 0.1 cm 增至 0.3 cm 时,屏蔽效能又提高了近 10 dB,由此可以得出以上结论。 从两幅仿真结果图上总 结出一个共同点:0.7 GHz 附近为箱体的谐振频率,此 处箱体屏蔽效能大大下降,因此通过滤波消除 0.7 GHz 噪声的干扰。 屏蔽效能在0.1 GHz ~ 1 GHz 频段
电子器件
Chinese Journal of Electron Devices
Vol． 37 No． 6 Dec. 2014
Analysis of Electromagnetic Shielding Effectiveness for Waveguide Based on FEM
长度相同时的屏蔽效能。
表 1 总面积相同、通孔间距以及长度相同时箱体的屏蔽效能
频率 / GHz
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
圆形波导管 / dB 72.5
60.3
52.9
47.1
41.8
35.1
14.0
29.8
32.6
32.3
矩形波导管 / dB 73.5
61.5
54.5
WANG Lilong,WU Mingzan∗,LI Zhu
( School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)
Abstract:A method joining waveguide out of the shield structure is presented,by using the effect of the attenuation of high-frequency electromagnetic waves in waveguide to improve shielding effectiveness. Finite element method is used to modeling and simulation of the waveguide length,thickness and the shape. The simulation results show that: in the range of the 0.1 GHz ~ 1 GHz frequency,the shielding enclosure shielding effectiveness with the increase of length and thickness of the waveguide has improved 15 dB and also improved a little on the rectangular and circular waveguide. According to the actual situation to choice a reasonable length and the thickness of the waveguide,the electromagnetic immunity of the weak signal processing circuit can be improved. Key words:weak signal;wave guide;electromagnetic shielding;finite element method EEACC:1310 doi:10.3969 / j.issn.1005-9490.2014.06.012
第6期
王立龙,吴明赞等:基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析
1069
场的波阻抗相等,电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是
相等的。 统称为电磁屏蔽效能,即:
SE = SEE = SEH
(3)
1.2 单层屏蔽分析模型
单层屏蔽结构如图 1 所示,均匀平面波电磁场
以一定的角度射向单层屏蔽体,屏蔽层表面对电磁
3 者之和来表示[6] 。
图 1 均匀平面波入射单层屏蔽层表面
1.3 波导管理论 屏蔽效能主要取决于表面上开孔的最大径向尺
寸。 开孔尺寸越大电磁泄漏也就越严重,屏蔽效能就 越差。 为了提高屏蔽效能,可以在不改变总面积的情 况下多开孔,增加孔间距[6] 。 由电磁理论可知,波导 管对于在其内传播的电磁波起着高通的作用,高于波 导管截止频率的电磁波可以通过,对低于截止频率的 电磁波会产生严重衰减[7] 。 如图 2 所示。
图 2 波导管的截止频率
生一定的衰减,其衰减的大小与波导管的长度成正 比,其关系式为:
SE = 1.8×fc ×L×10-9
1-æ f ö 2 ( dB) è fc ø
(6)
箱体的总体屏蔽效能为屏蔽层与波导管两者屏
蔽效果之和。
2 基于有限元方法的仿真验证
这篇文章使用基于有限元方法的电磁场仿真软 件 Ansoft HFSS 建立截止波导管屏蔽箱体模型,并对 其屏蔽效能进行仿真分析,得出屏蔽箱体屏蔽效能 随频率变化的曲线。 本次仿真的求解形式采用模式 驱动。 屏 蔽 箱 体 设 置 成 良 导 体, 尺 寸 为 30 cm × 12 cm×30 cm,壁厚 D = 1 mm。 设定入射波为平面 波,沿缝隙面即 Z 轴负方向垂直入射。 平面波电场 强度为 1000 V / m,沿着 Y 轴正向极化,选取箱体中 心点为屏蔽效能测试点。 2.1 截止波导管对屏蔽效能的影响
屏蔽效能随着平面电磁波的频率增加而不断下降,因 此在高频部分对电磁干扰的抑制将变得更加困难。 2.3 截止波导管通孔形状对屏蔽效能的影响
在保持通孔总面积、通孔之间间距以及长度不 变的条件下,只改变波导管的形状再进行仿真,观察
箱体屏蔽效能的变化。 表 1 总面积、通孔间距以及
图 5 波导管长度对屏蔽效能的影响
关键词:微弱信号;波导管;电磁屏蔽;有限元法; 中图分类号:O441 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)06-1068-04
电磁屏蔽是用屏蔽材料制成屏蔽箱体,将电磁能 量限制在一定的空间范围内从而抑制辐射干扰。 根据 实际需要,通常要在屏蔽箱体上开孔,孔缝的出现导致 屏蔽箱体屏蔽效果降低,已有的对孔缝结构处理方法 是减少孔缝长度、孔缝面积不变的情况下多开孔、圆形 孔代替矩形孔等[1-4] 。 这些方法虽然可以提高屏蔽箱 体屏蔽效能,但是对于屏蔽要求较高的微弱信号处理 电路还不足以很好的屏蔽外部空间电磁干扰[5] 。 在此 基础上论文在屏蔽箱体孔缝处加入截止波导管,基于 有限元法对其长度、厚度及其形状进行仿真分析。
49.4
45.3
39.4
17.7
33.0
33.5
32.3
由表 1 可以看出,在总面积相同、通孔间距以及 长度相同时波导管的形状对箱体的屏蔽效能的影响 并不是非常明显。 在 0.1 GHz 到 0.4 GHz 频段圆形 和矩形孔对应的屏蔽效能相差平均不到 2 dB,在接 近箱体谐振频率时,即在 0.5 GHz 到 0.8 GHz 段屏 蔽效能相差达到最大,平均为 4 dB,在 0.8 GHz 到 1 GHz 频段基本无差距,随着频率的进一步提高屏蔽 效能已无差别。 由仿真数据可知圆形和矩形波导管 对箱体屏蔽效能的影响不大。 由于两种结构在材料 制作上来看圆形波导管比矩形波导管消耗更多的材 料,波导管不宜制作成圆形。
来表示,单位为 dB。
电场屏蔽效能定义为:
SEE = 20lg
| E1 | | Et |
(1)
磁场屏蔽效能定义为:
SEH = 20lg
| H1 | | Ht |
(2)
对于辐射近场,电场和磁场的波阻抗不同,因此
电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能一般是不相等的。 对
于辐射远场,平面波电磁场是统一的整体,电场和磁
图 3 截止波导管结构及屏蔽箱体仿真模型
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电 子 器 件
第 37 卷
对于波导管厚度对屏蔽效能的影响,仿真模型 采用圆形波导进行仿真分析,管壁厚度 D 分别设置 为 0.05 cm、0.1 cm、0.3 cm。 仿真结果如图 6 所示。
图 4 加入截止波导管后屏蔽效能的改变
从图 4 可以看出:加入波导管与不加波导管相 比,箱体的屏蔽效能在整个 0.1 GHz ~ 1 GHz 频段中 都大大提高,尤其是在 0.6 GHz ~ 0.8 GHz 之外的频 段平均提高 15 dB,0.7 GHz 处为箱体的谐振频率, 在此处两者的屏蔽效果都有所下降,谐振频率是由 箱体的结构的尺寸决定的。 如果内部电路的工作频 率在 0.7 GHz 附近,可以调整箱体尺寸来改变箱体 的谐振频率。 2.2 截止波导管的长度及厚度对屏蔽效能的影响
132L
( fμr σr )
+20lg
| ZS | +20lg | 1-e-2(1+j) 94.25
L δ
|
=
A+R+B(Байду номын сангаасdB)
(5)
式中,A 是电磁波在屏蔽体中的传输损耗。 R 是电
磁波在屏蔽体的表面产生的反射损耗。 B 是电磁波
在屏蔽体内多次反射损耗。 f 为电磁波频率,μr 为 相对磁导率,σr 为相对电导率,δ 为集肤深度,L 为 屏蔽体的厚度,ZS 为屏蔽体介质的波阻抗。 单层屏 蔽材料对高频平面电磁波干扰的屏蔽效果可以用这
不同形状和结构的波导管有着不同的截止频 率,矩形波导管截止频率 fc = 15×109 / d( Hz / cm) ,圆 形波导管截止频率 fc = 17.6×109 / d( Hz / cm) ,其中 fc 单位为 Hz,d 是最大开口尺寸,单位为 cm。 低于截 止频率的电磁波从波导管的一端传输至另一端会产
图 3 所示左侧是长为 L 边长为 d 的波导管剖面 图,当 L ≥ d 时该结构才可以 称 为 截 止 波 导 管[8] 。 右侧为屏蔽箱体模型,箱体工作在 0.1 GHz ~ 1 GHz 范围内,因此矩形波导截止频率必须大于 1 GHz,由 矩形波导管截止频率 fc = 15 × 109 / d( Hz / cm) 可得, 波导边长小于 15 cm。 在最上端增加了有 10 个正 方形通孔的波导管,波导管边长 d = 1 cm,长度 L = 3 cm,相邻的两个方孔中心间距为 1.1 cm,10 个孔的 总面积为10 cm2,在箱体外设置一个辐射边界条件, 尺寸为60 cm×42 cm×60 cm。 矩形截止波导管对屏 蔽箱体屏蔽效能的影响如图 4 所示。
基于有限元方法的波导管结构电磁屏蔽屏蔽效能分析
王立龙,吴明赞∗,李 竹
( 南京理工大学自动化学院,南京 210094)
摘 要:提出一种在屏蔽箱体孔缝结构的外部增加截止波导管结构的方法,利用截止波导管对高频电磁波的衰减作用来提
高屏蔽箱体屏蔽效能。 基于有限元法分别对截止波导管的长度、厚度及其形状进行仿真,仿真结果表明:在 0.1 GHz ~ 1 GHz 频率范围内,随着截止波导管长度及厚度的增加屏蔽箱体屏蔽效能提高 15dB 以上,圆形和矩形截止波导管对屏蔽效能影响 不大。 根据实际情况合理选择截止波导管的长度及厚度可以提高微弱信号处理电路的电磁抗干扰能力。
1 电磁屏蔽机理与波导管理论
1.1 屏蔽效能 屏蔽效能是一种通过在源和目标点之间插入屏蔽
收稿日期:2013-12-06 修改日期:2014-01-07
体、用以降低或削减空间指定点电磁场的优值系数。
定义为无屏蔽的情况下电场 E1[或磁场 H1]在给定点 r 处的绝对值,与存在屏蔽状态下电场 Et [或磁场 Ht ]在 给定点 r 处的绝对值之比。 屏蔽效能单位通常用 SE
波的反射作用以及吸收作用使得电磁波强度得以衰
减,传播系数 TE 为:
TE
=
Et E1
=
|
| pe-γl | 1 -qe - 2γl
|
(4)
SE = 20lg( TE) -1 = 20lg
| E1 | | Et |
= 20lg
| 1-qe-2γl | pe-γl |
|
=
20lg | eγl | -20lg | p | +20lg | 1-qe-2γl | =
把模型中的截止波导管长度 L 分别设置为 0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm,其他条件不变,截止波 导管长度对屏蔽效能的影响如图 5 所示。
图 6 波导管管壁厚度对屏蔽效能的影响
从图 5 屏蔽效能曲线上可以看出:波导管长度增 加时,箱体的屏蔽效能也增加,长度越长,屏蔽效果越 好。 当长度每增加 1 cm,屏蔽效能在 0.1 GHz ~ 1 GHz 频段提高 4 dB ~ 10 dB,由图 6 可以得出:随着管壁厚 度的增加箱体整体的屏蔽效能也不断提高,管壁由 0． 05 cm 增至 0.1 cm 时,屏蔽效能提高大约 4 dB,再 由 0.1 cm 增至 0.3 cm 时,屏蔽效能又提高了近 10 dB,由此可以得出以上结论。 从两幅仿真结果图上总 结出一个共同点:0.7 GHz 附近为箱体的谐振频率,此 处箱体屏蔽效能大大下降,因此通过滤波消除 0.7 GHz 噪声的干扰。 屏蔽效能在0.1 GHz ~ 1 GHz 频段