内部含栓形障碍物的开孔腔体的屏蔽效能

王旭桐,郭景海,王文兵,苗建国,王一雄,周一夫

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024)

外界电磁干扰源能通过线缆耦合及孔缝耦合进入内含贯通导体的开孔屏蔽腔体内部，对腔体内部敏感电路造成影响。因此，研究腔体内部的屏蔽效能，对设备的电磁防护设计有一定的指导意义。影响屏蔽效能的因素有开孔的形状和面积、腔体的形状与内部结构、电磁波频段、电磁波入射角与极化方向等。文献[1]将矩形腔体等效为波导，将孔缝等效为微带线，采用传输线方法对开口腔体屏蔽效能进行分析，文献[2-5]采用传输线方法研究了不同开孔情况、多种入射角度、高频和多模情况下的腔体屏蔽效能，文献[6-7]研究了内含窗形障碍物的腔体屏蔽效能，得到了电感性与电容性窗形障碍物对屏蔽效能的影响，文献[8]利用CST进行了含孔缝腔体场增强效应的机理仿真，研究了极化方向与孔缝长边方向对内部场的影响。 以上研究缺乏对含短贯通导体腔体屏蔽效能的等效电路求解，对内部线缆参数影响屏蔽效能的物理分析较少。

本文首先利用CST仿真验证了扩展传输线方法的正确性与高效性，然后采用传输线方法对含贯通导体的开孔腔体屏蔽效能进行了计算。计算结果表明，栓形障碍物会提高腔体的屏蔽效能，不同位置、不同结构的障碍物对屏蔽效能及谐振频率的影响也不同。

1 内含贯通导体的腔体模型及等效电路

含同轴线一类贯通导体的腔体，当同轴线的外屏蔽层接腔体的壳体时，只有芯线的电流可流入腔体内部。屏蔽完整且接地良好的同轴线屏蔽效能较好，芯线电流较小，对腔内辐射的电磁场极其微弱，可忽略其影响，只考虑同轴线作为栓形障碍物对腔体屏蔽效能的影响。图1为内含栓形障碍物的开孔腔体模型。

在直角坐标系下，腔体的尺寸为a×b×d；厚度为t；矩形孔的尺寸为l×w；障碍物距孔缝面的距离为s1；D为障碍物直径；c为电感性障碍物距离腔体侧壁的距离；c1为电容性障碍物距离腔体下壁的距离；M为观测点位置；s2为距离腔体后壁的距离；s3为距离障碍物的距离；E和H分别为电场和磁场强度矢量。

根据传输线理论，腔体可视为终端短路的波导管，栓形障碍物轴向与电场方向相同为电感性栓，栓形障碍物轴向与磁场方向相同为电容性栓。文献[1]给出了开孔腔体的等效电路，文献[9]给出了矩形波导中栓形障碍物的等效电路。结合文献[1]与文献[9]可推导出内含栓形障碍物开孔腔体的等效电路，如图2所示。

图2中：U0为平面波的等效电压源；Z0为平面波的等效阻抗，真空中Z0=377 Ω；Za,Zb为障碍物的等效阻抗；孔缝的等效阻抗可表示为[10]

(1)

(2)

(3)

(4)

经过距离为s1的传输线后，Q点的等效电压UQS和等效阻抗ZQS分别为

(5)

(6)

对于电容性障碍物，Q点和P点之间属于“π”形网络，如图2(a)所示，传输矩阵为

(7)

对于电感性障碍物，Q点和P点之间属于“T”形网络，如图2(b)所示，传输矩阵为

(8)

障碍物为电容性障碍物时选式(7)，为电感性障碍物时选式(8)，与式(6)联合求解可得到P点的等效电压UPS和等效阻抗ZPS分别为

(9)

(10)

M点距障碍物距离为d-s1-D-s2，M点的等效电压UMS和等效阻抗ZMS分别为

(11)

(12)

将波导管终端视作短路，M点处的阻抗ZM=jZgtan (kgs2)，M点处电压为

(13)

M点处的屏蔽效能为

(14)

2 计算结果及分析

2.1 方法验证

为验证本文提出的模型，对某腔体分别采用自编程序与CST进行计算。CST计算时采用软件中microwave studio时域求解器，频率范围设置为0～1 GHz，边界条件设置为open(add space)，每波长网格数为10，偏差设置为-30 dB。图3为CST建模示意图。

2.1.1 算例1

腔体尺寸为40 cm×20 cm×40 cm，厚度为3 mm，孔缝尺寸为15 cm×4 mm。障碍物距离腔体开孔壁s1=10 cm，观测点M距离腔体后壁的距离s2=20 cm，障碍物的直径D=2 cm，电感性障碍物距离腔体侧壁c=20 cm，电容性障碍物距离腔体下壁的距离c1=10 cm。图4为本文方法与CST计算给出的腔体屏蔽效能随频率的变化关系。由图4可见，本文方法得到的计算结果与CST计算结果在低频段基本一致，在高频段有所区别。本文方法计算耗时0.02 s，CST计算耗时61 s。根据文献[1]，本文提出的扩展传输线法只考虑波导内部的主模，腔体的谐振频率可表示为

(15)

其中：a和d均为0.4 m；b为0.2 m；m，n和p均为整数，可得到主模，即TM110模的频率为530 MHz。因此，在频率大于530 MHz的高频段，传输线法与CST计算结果有偏差。

2.1.2 算例2

调整腔体尺寸为30 cm×12 cm×30 cm，矩形孔缝的尺寸为10 cm×5 mm，其他计算条件不变，此时波导TM110模的频率为707 MHz。图5为本文方法与CST计算给出的腔体屏蔽效能随频率的变化关系。由图5可见，当频率为0～1 GHz时，本文方法与CST计算结果基本一致，传输线法计算耗时0.02 s，CST计算耗时114 s。

由图4和图5可见，在主模频段内，传输线法与CST计算结算基本一致，在高次模频段谐振点有偏差，验证了传输线方法的正确性；同时，与CST计算耗时相比，传输线法大大缩短了计算时间，提高了计算效率。

2.2 障碍物直径对屏蔽效能的影响

采用算例1计算条件，计算给出了不同障碍物直径条件下，腔体屏蔽效能随频率的变化关系，如图6所示。由图6(a)可见，与空腔体相比，电感性障碍物使谐振频率向上偏移且屏蔽效能略微增大；障碍物直径越大，屏蔽效能越高，谐振频率提升越大；由图6(b)可见，电容性障碍物对屏蔽效能和谐振频率的影响较小，且障碍物直径的改变对屏蔽效能和谐振频率影响不大。这是因为障碍物会影响电磁波耦合到测试点的能量，不同类型障碍物对应不同等效电路，改变障碍物直径会使等效电感和等效电容改变，使谐振频率偏移。因此，障碍物尺寸越大，谐振频率的偏移越大，屏蔽效能越好。

2.3 障碍物与腔体开孔面的距离对屏蔽效能的影响

采用算例1计算条件，计算给出了不同障碍物与腔体开孔面距离条件下，腔体屏蔽效能随频率的变化关系，如图7所示。由图7(a)可见，与空腔体相比，电感性障碍物使谐振频率向上偏移且屏蔽效能略微增大，距离腔体开孔面距离越远，屏蔽效能越高，谐振频率提升越大；由图7(b)可见，电容性障碍物对屏蔽效能和谐振频率的影响较小，且改变距离腔体开孔面距离对屏蔽效能和谐振频率影响不大。这是因为距离腔体开孔面越远，距离中心观测点就越近，障碍物对观测点信号的影响就越大。因此，障碍物距离腔体开孔面越远，谐振频率偏移量越大，屏蔽效能越好。

2.4 障碍物与腔体壁距离对屏蔽效能的影响

采用算例1计算条件，计算给出了不同障碍物与腔体侧壁距离条件下，腔体屏蔽效能随频率的变化关系，如图8所示。

由图8(a)可见，与空腔体相比，电感性障碍物使谐振频率向上偏移且屏蔽效能略微增大，距离腔体壁距离越远，屏蔽效能越高，谐振频率提升越大。由图8(b)可见，电容性障碍物对屏蔽效能和谐振频率的影响较小，且改变障碍物与腔体壁的距离对屏蔽效能和谐振频率影响不大。这是因为改变障碍物与腔体壁的距离会使等效电感和等效电容发生变化，从而使谐振频率偏移。因此，障碍物距离腔体侧壁越远，谐振频率偏移量越大，屏蔽效能越好。

3 结论

本文扩展了传输线法求解屏蔽效能的应用范围，通过与CST计算结果进行比对，验证了方法的正确性和高效性。研究了内部含栓形障碍物情况下开孔腔体的屏蔽效能。结果表明：内含栓形障碍物时，腔体的屏蔽效能略微提高；对于栓形障碍物，无论是电感性还是电容性都会提高腔体的谐振频率；与电容性障碍物相比，电感性障碍物对腔体屏蔽效能影响更为显著，同时电感性障碍物直径、距腔体开孔面距离及与腔体壁距离越大，腔体屏蔽效能越好。