带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
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带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
Study on Shielding Effectiveness Simulation of Enclosure with Apertures
李英杰 （大连交通大学电气信息学院，辽宁 大连 116028）
摘要 利用 Ansoft HFSS 软件研究了电磁兼容设计中的孔缝耦合问题，介绍了有限元法的基本原理，对比仿真 结 果 与 对 数 周期天线的测量值，验证了此有限元法的可靠性。 通过对带孔缝机箱建模，改变其孔缝的形状、面积等因素进行机箱的屏 蔽效能仿真分析，获得了不同情况下的屏蔽效能仿真结果，并指导机箱内电路板的布置。 关 键 词 ：孔 缝 耦 合 ， 屏 蔽 效 能 ，HFSS
SE 的表达式为：
SE＝20lg E0 ／ Ei 式中，E0 是在没有屏蔽体时某一测试点 A 处的电场强度，Ei 是在加入屏蔽体后统一测试点 A 处的电场强度。
2 屏蔽机箱实体建模及仿真分析
2．1 屏蔽机箱的实体建模
以实际屏蔽机箱为研究对象， 创建与实际机箱几何尺寸相
同的模型，电场中的模型如图 1 所示：以机箱中心点为坐标原点
原理和离散化方法建立有限元矩阵方程后， 求解以节点值为未
知数的矩阵方程。 将方程写为：
Ax＝b
（1）
式中，系数矩阵 A 是一个 n*n 方阵，x 是带求解的未知量，
b 表 示 已 知 量 。 为 了 在 最 短 的 时 间 内 取 得 最 大 的 精 度 ，Ansoft
HFSS 采取了自适应迭代算 法 ，该 算 法 一 开 始 选 用 较 粗 的 剖 分 ，
采用上面所给出的方法求解，然后看其进度是否满足要求，如不
满足，进一步细化剖分，再次进行求解，直到达到给定的精度。
屏蔽效能 SE （Shielding Effectiveness） 有时也称屏蔽损
耗、屏蔽衰减、屏蔽效果，是指未加屏蔽时某一测点的场强与加
屏蔽后同一测点的场强之比，以 dB 为单位［2］。 其电场屏蔽效能
图 5 不同开孔形状下的屏蔽效能 2．6 孔缝数目对机箱屏蔽效能的影响
通过上面的结论， 这里将选择不同圆孔数目进行机箱屏蔽 效能的仿真。 同样，每一种情况下的开孔面积仍为 6000mm2，仿 真分析结果如图 6 所示。 从仿真曲线图中可以看出，具有更多且 更小的孔缝会改善机箱的屏蔽效能。 因此，在设计机箱时，应用 更多的小的孔缝来代替大的孔缝设计。
激励源设定为平面波，沿孔缝面垂直入射，此软件有高性能
的前处理程序，能够实现 3D 模型的 全 自 动 自 适 应 网 格 剖 分 ，应
用者只需设置好自适应的步数和剖分的误差精度， 程序就能够
进行求解分析，并获得较高的计算精度；在加载、网格剖分后进
行求解，求解频 率 设 置 为 550MHz，最 大 迭 代 步 数 为 30，求 解 精
近年来，由于电子元器件高度集成化、小型化，使得电子设
备对电磁干扰的敏感性增加，如何提高机箱的抗干扰性能，即机
箱的屏蔽效能， 因此如何提高带孔缝机箱的屏蔽效能已成为重
要的研究课题。
1 有限元法及屏蔽效能的介绍
随着计算机技术的迅速发展， 在工程领域中， 有限元分析
（FEA）越来越多地用于仿真模拟，来求解真实 的 工 程 问 题 ，近 年
（0，0，0）建 立 300mm×120mm×300mm 的 屏 蔽 机 箱 ，同 时 在 机
箱 Y0Z 平 面 上 开 孔 ， 还 要 建 立 一 个 600mm×240mm×600mm
的 Air 空气体，将 Air 设置为辐射边界。 现实中电磁波的传播是
无界的， 而计算机仿真时只能对有限空间进行仿真分析， 因此
HFSS 设计了 Radiation Boundary（辐射边界）对 无 限 的 自 由 空
间进行模拟。 在辐射边界表面，二阶辐射边界条件为：
（荦×E）tan
＝jk0
பைடு நூலகம்
Etan
－
j k0
荦tan ×（荦tan ×Etan
）＋ j k0
荦tan
（荦tan·Etan
）
其中，Etan 是表面电场的切向分量；j 为 姨－1 。
图 3 不同尺寸孔缝的屏蔽效能曲线
图 4 不同位置处屏蔽效能曲线 2．4 机箱内不同位置处的屏蔽效能
对于屏蔽机箱内不同位置，其屏蔽效能也不同。 取距孔缝中 心的距离分别为 d1＝60mm、d2＝150mm、d3＝240mm， 进行仿 真后，得出不同位置处的屏蔽效能曲线如图 4 所示，从图中看以 看出，屏蔽效能随着远离孔缝而得到提高，因此，在布置电路时， 应尽量将敏感电路或元器件远离孔缝放置。
度为 0．1，扫频范围设置为 0．01～1GHz，步进为 0．03GHz。
图 1 屏蔽机箱 2．2 机箱屏蔽效能的影响分析
首 先 对 sl＝100mm、sw＝5mm 的 孔 缝 机 箱 进 行 仿 真 分 析 ， 并与实测值进行比较，验证仿真软件的正确性和精确度。 在后处 理过程中，屏蔽效能的仿真曲线如图 2 实线所示，虚线是用对数 周期天线进行的实测值， 可以看出仿真值和实测值有很好的相 关性，因为源放置在阻尼很差的屏蔽室内，实测值的屏蔽效能曲 线出现抖动是必然的。 通过实测值，很好的验证了此软件仿真的
《工业控制计算机》2012 年第 25 卷第 3 期
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2．5 孔缝形状对机箱屏蔽效能的影响 不同形状的孔缝会对机箱屏蔽效能产生巨大的差异，下面
将采用长方形和圆形孔隙进行仿真分析， 每一种情况下的孔缝 面 积 都 是 3000mm2，其 它 条 件 保 持 不 变 ，计 算 的 结 果 如 图 5 所 示。 从曲线图中可以看出，相同孔缝面积下，圆形孔比长方形孔 的屏蔽效能高 10dB 左右。 因此，在选择开孔的时候应尽量选择 圆形的开孔形式。
图 2 屏蔽效能实测值与仿真值 正确性和精确度，可以利用此软件进行更深层次的研究。 2．3 孔缝大小对机箱屏蔽效能的影响
保持机箱的尺寸大小不变，将孔缝的大小进行调整，孔缝 分 别 调 整 为 sl＝100mm、sw＝30mm，sl＝200mm、sw＝30mm 这 两种情况，仿真结果如图 3 所示，由曲线图中可以看出，在同一 频率上，随着孔缝的增大，屏蔽效能是减小的；同一孔缝曲线上， 随着频率的增加，屏蔽效能也是减小，这是因为越接近孔缝 E 场 电平越高。 还可以看到在 0．7GHz 左右的时候 出 现 了 负 的 屏 蔽 效能，此时出现了谐振，即电场得到增强。
参考文献 ［1］曹善勇．Ansoft HFSS 磁场分析与应用实例［M］．北京：中国水利水电
出 版 社 ，2010 ［2］周 志 敏 ，纪 爱 华． 电 磁 兼 容 技 术 ：屏 蔽·滤 波·接 地·浪 涌·工 程 应 用
［M］． 北 京 ：电 子 工 业 出 版 社 ，2007 ［收 稿 日 期 ：2011．12．6 ］
来被广泛应用到电磁场问题求解中。 有限元法（FEM）是近似求
解数理边值的一种数值技术， 它将求解域看成是由许多称为有
限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，
然后推导求解这个求解域总的满足条件，从而得到问题的解。 有
限元的一个关键步骤是建立离散单元的小矩阵， 只要得到了离
散单元的小矩阵，就可以将其填充到全域矩阵中［1］。 在利用变分
图 6 不同圆孔数目下的屏蔽效能 3 结束语
屏蔽机箱由于通风、散热等需要，其表面需要做开孔设计， 真正影响屏蔽机箱屏蔽效能的因素有两个： 一是屏蔽机箱表面 是否是导电连续的；二是是否有导体直接穿过屏蔽机箱。 从以上 不同开孔情况的电场屏蔽效能曲线中可以看出， 孔缝的大小和 形状直接影响着屏蔽机箱的屏蔽效能， 特别是在谐振频率处屏 蔽效能最差；在相同面积的圆形和长方形孔缝中，圆形孔缝的电 场屏蔽效能最高，在机箱设计时最好采用圆形孔缝作为通风孔； 在开孔面积相同情况下，采用孔阵比单孔的屏蔽效能要高很多。
Abstract This paper studies the problem of apertures coupling by using the Ansoft HFSS softw－are in EMC design,and described the basic principles of finite element method．Meanwhile,co－mparing simulation results with the measured value of log－periodic antenna,it verified the reliability of this finite element method．Through changing the factors of shape and size of apertures and other factors,the simulation results of shielding effectiveness would be come out in different circu － mstances,and direct the circuit board layout of the inside enclosure． Keywords:apertures coupling,shielding effectiveness,HFSS
带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
Study on Shielding Effectiveness Simulation of Enclosure with Apertures
李英杰 （大连交通大学电气信息学院，辽宁 大连 116028）
摘要 利用 Ansoft HFSS 软件研究了电磁兼容设计中的孔缝耦合问题，介绍了有限元法的基本原理，对比仿真 结 果 与 对 数 周期天线的测量值，验证了此有限元法的可靠性。 通过对带孔缝机箱建模，改变其孔缝的形状、面积等因素进行机箱的屏 蔽效能仿真分析，获得了不同情况下的屏蔽效能仿真结果，并指导机箱内电路板的布置。 关 键 词 ：孔 缝 耦 合 ， 屏 蔽 效 能 ，HFSS
SE 的表达式为：
SE＝20lg E0 ／ Ei 式中，E0 是在没有屏蔽体时某一测试点 A 处的电场强度，Ei 是在加入屏蔽体后统一测试点 A 处的电场强度。
2 屏蔽机箱实体建模及仿真分析
2．1 屏蔽机箱的实体建模
以实际屏蔽机箱为研究对象， 创建与实际机箱几何尺寸相
同的模型，电场中的模型如图 1 所示：以机箱中心点为坐标原点
原理和离散化方法建立有限元矩阵方程后， 求解以节点值为未
知数的矩阵方程。 将方程写为：
Ax＝b
（1）
式中，系数矩阵 A 是一个 n*n 方阵，x 是带求解的未知量，
b 表 示 已 知 量 。 为 了 在 最 短 的 时 间 内 取 得 最 大 的 精 度 ，Ansoft
HFSS 采取了自适应迭代算 法 ，该 算 法 一 开 始 选 用 较 粗 的 剖 分 ，
采用上面所给出的方法求解，然后看其进度是否满足要求，如不
满足，进一步细化剖分，再次进行求解，直到达到给定的精度。
屏蔽效能 SE （Shielding Effectiveness） 有时也称屏蔽损
耗、屏蔽衰减、屏蔽效果，是指未加屏蔽时某一测点的场强与加
屏蔽后同一测点的场强之比，以 dB 为单位［2］。 其电场屏蔽效能
图 5 不同开孔形状下的屏蔽效能 2．6 孔缝数目对机箱屏蔽效能的影响
通过上面的结论， 这里将选择不同圆孔数目进行机箱屏蔽 效能的仿真。 同样，每一种情况下的开孔面积仍为 6000mm2，仿 真分析结果如图 6 所示。 从仿真曲线图中可以看出，具有更多且 更小的孔缝会改善机箱的屏蔽效能。 因此，在设计机箱时，应用 更多的小的孔缝来代替大的孔缝设计。
激励源设定为平面波，沿孔缝面垂直入射，此软件有高性能
的前处理程序，能够实现 3D 模型的 全 自 动 自 适 应 网 格 剖 分 ，应
用者只需设置好自适应的步数和剖分的误差精度， 程序就能够
进行求解分析，并获得较高的计算精度；在加载、网格剖分后进
行求解，求解频 率 设 置 为 550MHz，最 大 迭 代 步 数 为 30，求 解 精
近年来，由于电子元器件高度集成化、小型化，使得电子设
备对电磁干扰的敏感性增加，如何提高机箱的抗干扰性能，即机
箱的屏蔽效能， 因此如何提高带孔缝机箱的屏蔽效能已成为重
要的研究课题。
1 有限元法及屏蔽效能的介绍
随着计算机技术的迅速发展， 在工程领域中， 有限元分析
（FEA）越来越多地用于仿真模拟，来求解真实 的 工 程 问 题 ，近 年
（0，0，0）建 立 300mm×120mm×300mm 的 屏 蔽 机 箱 ，同 时 在 机
箱 Y0Z 平 面 上 开 孔 ， 还 要 建 立 一 个 600mm×240mm×600mm
的 Air 空气体，将 Air 设置为辐射边界。 现实中电磁波的传播是
无界的， 而计算机仿真时只能对有限空间进行仿真分析， 因此
HFSS 设计了 Radiation Boundary（辐射边界）对 无 限 的 自 由 空
间进行模拟。 在辐射边界表面，二阶辐射边界条件为：
（荦×E）tan
＝jk0
பைடு நூலகம்
Etan
－
j k0
荦tan ×（荦tan ×Etan
）＋ j k0
荦tan
（荦tan·Etan
）
其中，Etan 是表面电场的切向分量；j 为 姨－1 。
图 3 不同尺寸孔缝的屏蔽效能曲线
图 4 不同位置处屏蔽效能曲线 2．4 机箱内不同位置处的屏蔽效能
对于屏蔽机箱内不同位置，其屏蔽效能也不同。 取距孔缝中 心的距离分别为 d1＝60mm、d2＝150mm、d3＝240mm， 进行仿 真后，得出不同位置处的屏蔽效能曲线如图 4 所示，从图中看以 看出，屏蔽效能随着远离孔缝而得到提高，因此，在布置电路时， 应尽量将敏感电路或元器件远离孔缝放置。
度为 0．1，扫频范围设置为 0．01～1GHz，步进为 0．03GHz。
图 1 屏蔽机箱 2．2 机箱屏蔽效能的影响分析
首 先 对 sl＝100mm、sw＝5mm 的 孔 缝 机 箱 进 行 仿 真 分 析 ， 并与实测值进行比较，验证仿真软件的正确性和精确度。 在后处 理过程中，屏蔽效能的仿真曲线如图 2 实线所示，虚线是用对数 周期天线进行的实测值， 可以看出仿真值和实测值有很好的相 关性，因为源放置在阻尼很差的屏蔽室内，实测值的屏蔽效能曲 线出现抖动是必然的。 通过实测值，很好的验证了此软件仿真的
《工业控制计算机》2012 年第 25 卷第 3 期
107
2．5 孔缝形状对机箱屏蔽效能的影响 不同形状的孔缝会对机箱屏蔽效能产生巨大的差异，下面
将采用长方形和圆形孔隙进行仿真分析， 每一种情况下的孔缝 面 积 都 是 3000mm2，其 它 条 件 保 持 不 变 ，计 算 的 结 果 如 图 5 所 示。 从曲线图中可以看出，相同孔缝面积下，圆形孔比长方形孔 的屏蔽效能高 10dB 左右。 因此，在选择开孔的时候应尽量选择 圆形的开孔形式。
图 2 屏蔽效能实测值与仿真值 正确性和精确度，可以利用此软件进行更深层次的研究。 2．3 孔缝大小对机箱屏蔽效能的影响
保持机箱的尺寸大小不变，将孔缝的大小进行调整，孔缝 分 别 调 整 为 sl＝100mm、sw＝30mm，sl＝200mm、sw＝30mm 这 两种情况，仿真结果如图 3 所示，由曲线图中可以看出，在同一 频率上，随着孔缝的增大，屏蔽效能是减小的；同一孔缝曲线上， 随着频率的增加，屏蔽效能也是减小，这是因为越接近孔缝 E 场 电平越高。 还可以看到在 0．7GHz 左右的时候 出 现 了 负 的 屏 蔽 效能，此时出现了谐振，即电场得到增强。
参考文献 ［1］曹善勇．Ansoft HFSS 磁场分析与应用实例［M］．北京：中国水利水电
出 版 社 ，2010 ［2］周 志 敏 ，纪 爱 华． 电 磁 兼 容 技 术 ：屏 蔽·滤 波·接 地·浪 涌·工 程 应 用
［M］． 北 京 ：电 子 工 业 出 版 社 ，2007 ［收 稿 日 期 ：2011．12．6 ］
来被广泛应用到电磁场问题求解中。 有限元法（FEM）是近似求
解数理边值的一种数值技术， 它将求解域看成是由许多称为有
限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，
然后推导求解这个求解域总的满足条件，从而得到问题的解。 有
限元的一个关键步骤是建立离散单元的小矩阵， 只要得到了离
散单元的小矩阵，就可以将其填充到全域矩阵中［1］。 在利用变分
图 6 不同圆孔数目下的屏蔽效能 3 结束语
屏蔽机箱由于通风、散热等需要，其表面需要做开孔设计， 真正影响屏蔽机箱屏蔽效能的因素有两个： 一是屏蔽机箱表面 是否是导电连续的；二是是否有导体直接穿过屏蔽机箱。 从以上 不同开孔情况的电场屏蔽效能曲线中可以看出， 孔缝的大小和 形状直接影响着屏蔽机箱的屏蔽效能， 特别是在谐振频率处屏 蔽效能最差；在相同面积的圆形和长方形孔缝中，圆形孔缝的电 场屏蔽效能最高，在机箱设计时最好采用圆形孔缝作为通风孔； 在开孔面积相同情况下，采用孔阵比单孔的屏蔽效能要高很多。
Abstract This paper studies the problem of apertures coupling by using the Ansoft HFSS softw－are in EMC design,and described the basic principles of finite element method．Meanwhile,co－mparing simulation results with the measured value of log－periodic antenna,it verified the reliability of this finite element method．Through changing the factors of shape and size of apertures and other factors,the simulation results of shielding effectiveness would be come out in different circu － mstances,and direct the circuit board layout of the inside enclosure． Keywords:apertures coupling,shielding effectiveness,HFSS