双侧开孔矩形金属腔体的屏蔽效能仿真分析

卢 怡 ，闻映红

（北京交通大学 电 磁兼容实验室，北京 1 00044）

随着电气化铁路的发展，电子电气设备已广泛应用于铁路各个系统，其电磁干扰问题也日趋严重。电磁屏蔽技术能够减弱外界对敏感设备的伤害，是保护敏感设备的有效手段。采用封闭屏蔽的方法，选择适当的屏蔽材料和屏蔽层厚度，理论上可获得任意大的屏蔽效能。在实际使用中，由于通风散热、穿线等要求，往往需要在屏蔽体上钻孔开缝，这就破坏屏蔽的完整性，使得外部电磁骚扰能够通过孔缝进入到屏蔽体内部，干扰设备正常工作。本文所利用的电磁仿真软件FEKO是一款用于3D结构电磁场分析的仿真工具。对单侧开孔、双侧开孔的金属腔体做对比仿真，分析其屏蔽效能的差异。

1 基 本原理

1.1 屏蔽的作用原理

屏蔽的作用原理如下：在一次场（源引起的场）的作用下，屏蔽体表面产生感应电荷，其壁内产生电流和磁极化。这些电荷、电流和磁极化又产生出二次场，二次场与一次场相叠加，使得防护区域内的合成场弱于原来的一次场。

也可理解为：场源所产生的电磁能流一部分被屏蔽体反射回去，而另一部分则被引导着从屏蔽体的壁内通过，从而无法进入空间防护区域。[4]

1.2 屏蔽效能的定义[2~5]

对于屏蔽作用的评价用屏蔽效能来表示

上式中：E1, H1表示加上屏蔽后待测点的电场强度和磁场强度；E2, H2表示未加屏蔽前待测点的电场强度和磁场强度；SEE, SEH表示电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能[1]。

对于远场而言，电磁场是统一的整体，电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是一致的，统称电磁屏蔽效能。即

1.3 有孔腔体屏蔽效能的计算[3~6]

若腔体上有方形孔洞,外界电磁波就可通过这些孔洞进入腔体内部。首先考虑正方形孔洞,设孔洞面积为S ，屏蔽体的面积为A，若A远大于S ，且孔洞尺寸比电磁波的波长小得多时，电磁场通过孔洞的传输系数为：

H0、Hp分别为屏蔽体孔洞前、后侧的磁场。

若屏蔽体上有n个孔洞，则传输系数为：

矩形孔洞要比圆形或正方形孔洞传输系数大。

有孔洞金属屏蔽体，其总传输系数Tz为金属导体本身的穿透传输系数Ts与孔洞的传输系数Tnh之和，则考虑孔洞影响后的屏蔽体的屏蔽效能为：

对于电场，由于金属板本身的传输系数几乎为零，因此屏蔽体总的传输系数决定于孔洞的穿透传输系数,屏蔽效能基本上不随频率f和距离r而变化；对于磁场，在低频时，屏蔽体总的传输系数取决于金属板本身的传输系数，在高频时，则决定于孔洞的穿透传输系数，因而对磁场的屏蔽效能随着频率的增加而增加，在同一频率下，随着距离r的增大而增大。

2 仿真分析

2.1 建立仿真模型

电磁仿真软件（FEKO）以矩量法（MOM）为基础。

本文建立单侧单孔、单侧双孔、双侧单孔、双侧双孔4种矩形金属腔体模型。腔体的几何尺寸为3 m×1 m×1 m（X×Y×Z），材料特性为理想导体，边界完美匹配，屏蔽体壁厚0.1 m，远大于趋肤深度，此时屏蔽体内部的电磁波可认为完全是通过孔缝耦合进去的。单侧单孔模型在腔体近端3 m×1 m平面(平行于XZ面的平面)中央开几何尺寸为0.5 m×0.3 m的孔，双侧单孔模型则在对应平面加开同样的孔。双孔模型在同一侧开的两孔相对称，两孔中心位置相距1 m。骚扰源为组合平面波如图1，其频率范围从100 kHz～30 MHz连续，相邻两平面波入射方向夹角为45°，用以模拟混响室测试环境，利用统计平均计算金属腔体的屏蔽效能。

图1 组合平面波骚扰源

2.2 仿真结果与分析

图2 电场屏蔽效能比较图

2.2.1 电场磁场屏蔽效能比较

组合平面波作为骚扰源分别作用于4种矩形金属腔体，将4种腔体中心位置的电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能分别作图比较，如图2和图3：

分析图2，图3可知，（1）单侧单孔金属腔体的电场屏蔽效能在100 kHz~2.5 MHz频率范围内始终保持在60 dB左右，走势平稳，明显优于其他3种腔体模型，在2.5 MHz~3 MHz频率范围内其电场屏蔽效能有大幅下降，下降幅度在30 dB左右，之后又恢复到了0 dB以上的水平。单侧双孔模型的电场屏蔽效能最差，始终保持在20 dB以下，与其他3种模型相差30 dB左右，且其电场屏蔽效能有随频率增加而减小的趋势。两种双侧模型的电场屏蔽效能在100 kHz~3 MHz频率范围内始终保持在50 dB~60dB之间，且有随频率增加而减小的趋势。

双侧双孔模型的磁场屏蔽效能最好，始终保持在95 dB以上，且随着频率增加而增加，在3 MHz频率下其磁场屏蔽效能达到100 dB。除单侧单孔模型以外，其他3种模型的磁场屏蔽效能变化趋势一致，均随频率增加而增加，且都保持在90 dB以上。单侧单孔模型的磁场屏蔽效能从1 MHz频率开始明显下降，在3 MHz频率下达到80 dB左右，是4种模型中最低的。

2.2.2 同一腔体不同测试点屏蔽效能

在每个腔体内截取两个平行于3 m×1 m表面（X×Z）的截面，截面1过腔体中心，截面2与截面1平行，且相距0.2 m。在每个截面上取3个测试点，其位置分布如图4。

图3 磁场屏蔽效能比较图

图4 截面测试点分布

图5 同一腔体不同测试点屏蔽效能比较

这样，每个腔体内含6个测试点，同一腔体不同测试点的屏蔽效能比较如图5。

分析图5可知，4种模型中心点P1的电场/磁场屏蔽效能均优于模型内部其他点，而截面2上的P2点是6个测试点中电场/磁场屏蔽效能最差的。

单侧单孔模型中，各点电场屏蔽效能的变化幅度不大，趋势平稳，在2.5 MHz~3 MHz频率范围内各点的电场屏蔽效能都存在一个明显的下降至回复过程。两个截面上的P1点磁场屏蔽效能变化趋势一致，幅度上相差10 dB左右，其它4点的磁场屏蔽效能变化趋势一致，且6点的磁场屏蔽效能在2.5 MHz~3 MHz频率之间也有一个明显的突变。

单侧双孔模型的各点电场屏蔽效能普遍随频率增加而减小，变化幅度在5 dB左右。截面1上的P1点，其电场屏蔽效能在1.5 MHz~2 MHz频率范围内突增，由60 dB增至75 dB左右，之后又下降到50 dB左右。各点磁场屏蔽效能的变化趋势不一致，除截面2上的P1点外，均随频率增加而小幅增大或减小，变化幅度不超过2 dB。截面2上的P1点随频率减小了8 dB，变化最为明显。

双侧单孔模型的电场屏蔽效能也随着频率增加而减小，变化趋势较一致。截面2上P1点的磁场屏蔽效能随频率增加降低的幅度较快，跌幅达15 dB。

各模型中测试点屏蔽效能的变化趋势基本一致，出入较大的只有截面2上的P1点，既截面2的中心点，其原因有待进一步研究分析。

总体来讲，双侧开孔较之单侧开孔，屏蔽体的电场屏蔽效能有所下降，但下降的幅度并不大。而双侧开孔模型的磁场屏蔽效能，在某些位置甚至优于单侧开孔模型。原有的双侧开孔模型屏蔽效能小于单侧开孔模型的猜想被推翻。

3 结束语

以往对金属腔体的仿真分析往往倾向于使用单面开孔模型，本文建立了4种腔体模型，两个单侧开孔，两个双侧开孔。仿真计算后，就同一模型内部不同测试点的仿真数据进行比较，还比较了单侧开孔模型与双侧开孔模型内部同一位置观测点的仿真数据，更全面的得到了开孔金属腔体内部电磁场的分布情况及屏蔽效能情况。

[1] Robinson, M.P., Benson, T.M., Christopoulos,C.Dawson, J.F., Ganley, M.D., Marvin, A.C., Porter,S.J.and Thomas, D.W.P., “Analytical formulation for the shielding effectiveness of enclosures with apertures,”[J]IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 40, August 1998, 240-248.

[2]喻 建，余志勇. 基于FEKO 的金属腔体屏蔽效能研究[J].现代电子技术，2010，2：137-139.

[3]许允之，张军国，李国欣，刘 青. 孔缝对电力设备机箱电磁屏蔽效能的影响[J].工矿自动化， 2008，1：36-38.

[4]沙皮罗. 电磁屏蔽的理论基础.[M]. 北京：国防工业出版社，1983.

[5]徐 亮. 缝隙对屏蔽效能的影响分析[J]. 信息与电子工程，2008，6（3）：176-179.

[6]沙 斐. 机电一体化系统的电磁兼容技术 [M]. 北京：中国电力出版社，1999.