电磁波对金属屏蔽体的孔缝耦合研究

xxxx硕士生课程论文高等电磁场理论电磁波对金属屏蔽体的孔缝耦合研究（2014—2015学年上学期）姓名：xxx学号：xxx所在单位：xxx专业：检测技术与自动化装置1摘要在当今日益复杂的电磁环境下，为了电磁兼容性的需要以及防护电子设备可能受到的微波毁伤，屏蔽技术广泛应用。电磁脉冲主要通过传导耦合、辐射耦合作用于屏蔽机箱。其耦合途径主要包括“前门耦合”与“后门耦合”。“前门耦合”是指电磁脉冲通过目标上的天线及传输线等耦合进系统内，以干扰或毁伤其前端电子设备；“后门耦合”是指电磁脉冲通过目标上的缝隙或孔洞耦合进系统，干扰或毁伤电子设备中的微电子器件和集成电路。通过“前门”耦合的能量有可能被系统的保护器件阻隔，而不会对系统产生干扰或毁伤。而屏蔽机箱上各种功用的孔缝是必不可少的，电磁脉冲通过“后门”耦合进入屏蔽机箱，并对其内的电子元器件进行干扰或毁伤则是不可避免的，也是电磁脉冲进入屏蔽机箱的重要途径之一。本文研究了在电磁兼容设计中，电磁干扰的产生以及电磁屏蔽的基本原理，讨论了应用时域有限差分法对孔缝耦合电磁场数值的计算方法，并研究了金属屏蔽中孔缝微波耦合的特性。关键字：电磁兼容、孔缝耦合、屏蔽效能、时域差分法21绪论1.1背景与意义随着用电设备的增加，空间电磁能量逐年增加，人类生存环境具有浓厚的电磁环境内涵。在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的电磁干扰，使各种设备正常运转，是一个亟待解决的问题；另外，恶略的电磁环境还会对人类及生态产生不良影响。电磁兼容正是为解决这类问题而迅速发展起来的学科。可以说电磁兼容是人类社会文明发展产生的无法避免的“副产品”。研究金属屏蔽腔体的孔缝微波耦合问题，一方面是由于电子设备要满足电磁兼容性的要求，一般都要加装金属外壳以防护外界可能的电磁干扰，另一方面由于电子战技术的发展，各种微波武器的研制开发，使得电子设备在战争环境下极易受到高能电磁波的攻击，而由于通风、散热、各种输入输出接口的需要，金属外壳上不可避免地要开有各种孔缝，因此研究微波对孔缝的耦合规律能够在一定程度上对如何进行电磁防护起到指导作用，具有一定的研究价值。而在军事装备方面，由于现代战争呈现出了许多与传统战争不同的特点。信息在战争中的作用被无线放大，由此得来的信息战以及电子战就在现代战争中被大量的使用，此外核武器和各种电子炸弹在战争中的使用，使电磁环境更加复杂，使电子设备受到更加严重的威胁。核爆炸在空间产生的瞬变电磁场就是核电磁脉冲。核电磁脉冲比雷电的电磁场强度要大几百倍。频率宽，几乎包括所有长短波，危害范围广，覆盖半径可达数百到上千公里，对无线通信等有着巨大的威胁。电磁干扰以及电磁攻击对设备产生影响主要有两种耦合方式：“前门耦合”，是指能量通过目标上的天线、传输线等媒质线性耦合到其接受和发射系统内，以破坏其前端电子设备；“后门耦合”，是指通过目标上的缝隙或孔洞耦合进入系统，干扰其电子设备，使其不能正常工作或烧毁电子设备中的微电子器件和电路。对于电子设备而言，电磁脉冲对半导体器件的伤害非常大，因此我们需要采取必要的措施来减小甚至消除电磁脉冲对电子信息设备的干扰。抑制电磁骚扰的方法有很多，比如在空间上使电子设备远离骚扰源、在骚扰强时关闭易损设备、使用和骚扰源频率不同的波段、在电路中加入电容等滤波器件、对电子线路合理布局布线等，而屏蔽是其中操作简单但是效果显著的方法，因此在实际使用中，常常把电子设备安装在金属外壳之中，切断电磁骚扰的传输途径，以达到电磁兼容的要求。然而金属外壳内的电子系统总要和外界进行交流，比如用于接收和发射信息的天线，用于接入电源和传输数据的电缆，辐射而来的3电磁波能够通过与之耦合进入系统，这种方式称为“前门”耦合；又比如外壳上开有的散热孔洞、显示操作面板或是接缝处的缝隙，用于USB接入的插口等，辐射电磁波也可以通过这些位置耦合进入屏蔽外壳之中，这种方式称为“后门”耦合。前者耦合产生的感应电流尽管强度比较大，但因为主要沿电子线路分布，很容易被信号通道中的滤波器、限幅器等抑制，因此威胁不大，很容易防护；而后者耦合进入目标系统内部后，分布在整个腔体空间范围内，改变了电路系统周围的电磁环境，可能与电路系统的任何部分发生电磁效应，干扰元器件的正常工作、电路中信号的完整性，甚至破坏芯片内部器件的结构，使电子设备遭受不可恢复的毁伤。因此对金属腔体的孔缝微波耦合特性进行研究是比较有价值的，可以对设备的屏蔽防护、内部电路板的布置等起到一定的指导作用。1.2国内外研究现状电磁波进入系统的途径有三条：一通过系统上的孔缝；二通过系统上的天线；三通过对系统壳体的穿透。电磁波对系统壳体的穿透是通过趋肤效应实现的，对于2GHz的微波信号，在铜和铝中的趋肤厚度分别为1.52μm和2.82μm。对于更高频率的微波信号，趋肤厚度更小。所以微波穿透金属壳体的能力非常弱。因此，电磁波孔缝耦合研究微波进入系统的途径主要有前面两条。天线耦合后产生的是感应电流，它通过线路或导波结构进入系统，即主要沿线路或通道分布，而孔缝耦合产生的场分布在整个系统内部。沿线路或通道分布的电流信号比较容易防护，例如通过限幅器或滤波器等。但分布在整个系统内的场对系统的威胁很大。因此孔缝耦合多年来一直是研究的热点内容。电磁脉冲对电子及电气设备的破坏过程可以分为三个阶段即渗透、传输和破坏。首先电磁脉冲由天线、电缆、各种端口部分或者飞机表面的媒介向内部渗透，其能量变成随时间、空间变化的大电流，大电压，然后以电磁脉冲渗透的上述部分，作为能量的中转站传输到内部脆弱的部位（如电子元器件、集成电路等），最后进入空间结构体的电磁脉冲作用于非常小的高密度的脆弱部位（电子元件、集成电路及连接点等），由于能量密度极高而造成损坏。金属屏蔽体作为抑制电磁脉冲耦合进入设备内部，对设备造成伤害最有效的方式，因此对于带有孔缝的金属屏蔽腔体的研究是非常有必要的，而其屏蔽效能的研究主要有3种方法：传输线模型(TLM)、时域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）。FDTD是一种时域方法，它能计算不同形状的物体，应用范围广，但对于较小的孔缝，很细的网格划分会耗费大量的计算资源；TLM是一种频域方法，它将复杂的场问题变为简单的电路问题，只能计算腔体中心轴线上的耦合系数，但降低了计算复杂度，对于目标腔体屏蔽效能的分析，它能够清楚地表示出4各种腔体参数以及孔缝数量对结果的影响；MOM的求解计算非常复杂。并且，金属屏蔽腔体的不同对微波的孔缝耦合特性也会产生很大的影响。经研究表明：采用双层屏蔽可以减弱电磁脉冲与腔体上孔缝的耦合从而提高屏蔽效能；前后屏蔽层上的矩形孔方向垂直时，能够改善腔体对任意极化方向入射波的屏蔽效能，并且孔缝纵横比越大时效果越好。并且由于电磁波极化方式的不同，其孔缝耦合的效应也各不相同，目前对于线极化波的孔缝耦合效应较多，而对于圆极化波的研究较少。由于在传播以及耦合的过程中，圆极化波具有许多的优点，因此对圆极化波在耦合中的耦合效应的研究也是非常重要的。本文主要研究了金属腔体的孔缝微波耦合特性，并对孔缝耦合过程中各种不同参数对耦合过程的影响进行了比较。52金属屏蔽腔体对电磁干扰的屏蔽理论电磁干扰是能够对电子设备造成损害的电磁效应，轻微的电磁干扰可以使设备或系统运行时出现错误或故障，而严重时则能使设备内部的器件毁伤，使系统失效。电磁干扰按照产生的来源，可以分为两类，一类是来自自然界的干扰，比如太空中的各种宇宙射线、太阳黑子活动产生的电磁噪声、大气中的雷电脉冲等，另一类是人为制造的干扰，如工业、科学、医疗设备运行过程中产生的射线、信息通讯设备发射的无线电等，这些电磁干扰，有些是自然现象或是设备运行中无意中向外发射出去的，而有些则是蓄意发射的。屏蔽腔体作为保护和隔离电磁干扰的设备，为适应通风、散热的需要，往往需要在屏蔽腔体上开孔，使腔体的完整性受到破坏。因此，在设计阶段对含孔屏蔽腔体的屏蔽能力进行研究十分必要，具有实际的工程应用前景。2.1电磁骚扰的传播机理骚扰源和敏感设备布置在一起时，就存在从一方到另一方的潜在干扰路径。设备要满足性能指标，减少骚扰耦合往往是消除干扰危害的重要手段，因此弄清楚骚扰耦合到敏感设备（受害者）上的机理十分必要。本节主要讨论骚扰源对敏感设备的传播机理，即耦合机理。2.1.1电磁骚扰耦合途径分类电磁兼容问题实际上是电磁装置或系统与其他或远方系统间的无意的相互作用。这种互相影响可以用“耦合”来描述，即一个系统对另一系统的“耦合”，从而实线能量从骚扰源传递到敏感设备。骚扰源通过各种耦合途径作用在敏感设备上。能量从骚扰源传递到干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式。从设备接受干扰的角度来看，电磁骚扰的传播途径可以简单地分为传导耦合和辐射耦合两类。传导耦合是指骚扰源的电磁能量一电压或电流的形式通过金属导线、电阻、电容及电感而耦合至敏感设备。传导耦合对敏感设备影响的机理视骚扰电流通过的阻抗特性而分为电感性耦合和阻抗性耦合。与骚扰源有直接电气接触的耦合为共阻抗耦合。当频率很低，或此阻抗为纯电阻性时，可称之为电阻性耦合。传导耦合又可进一步分为电导性耦合、电感性耦合、电容性耦合。电导性耦合为骚扰的直接传到，容性和感性耦合主要指近场耦合。控制电路和电缆离骚扰源的距离，小于最高干扰频率的0.167倍波6长λ（λ/2π）时可以认为是近场。辐射耦合主要指位于骚扰源的远场电路，骚扰源的发射可以看成是电磁波传播。因此，骚扰耦合进入电路，或从电路传导出去，可以进一步分为电导性耦合（直接接触产生）、容性耦合（由电场耦合产生）、感性耦合（由磁场产生）、辐射耦合（由电磁场耦合产生）四种方式。实际上，以上耦合模式都不是单独出现的。但一般来说，至少是在低频和中频区域内，其中的某一种模式起支配作用。2.1.2传导耦合传导耦合按照耦合方式的不同可以分为电路性耦合、电容性耦合、电感性耦合三种基本方式，在电磁干扰实际传导过程中，这三种耦合方式可能以某种联系同时存在。1）电路性传导耦合的模型在传导耦合的三种方式中，电路性耦合出现得比较多，分析起来也不复杂。如图2-1显示了电路性耦合的一般形式。图中Z1、U1、及Z12组成电路1，Z2、Z12组成电路2，Z12为电路1与电路2的公共阻抗。电压U1作用于电路1时，产生的电流I1流经公共阻抗Z12，从而耦合到电路2中去，电路2中无负载，因此电路2对外显示出U2的电压，由戴维南定理，可以计算得到12121122UZZZU（2-1）如果公共阻抗Z12中只含电阻性元件，没有感抗和容抗成分，那么这种电路耦合方式，可以称为电阻性耦合。图2-1电路性耦合的一般形式一个电路中的电流电压变化通过公共阻抗能够影响到另一个电路的电流电压，这种情况就叫做共阻抗耦合。图2-2为公共阻抗接地时的耦合。图中地线电流1和地线电流2流经地线阻抗，电路1的地电位被电路2流经公共地线阻抗的7骚扰电流所调制。因此，一些骚扰信号将由电路2经公共地线阻抗耦合到电路1。图2-2公共地线阻抗的电路性耦合2）电容性传导耦合的模型电容性耦合（thecapacitivecoupling）是通过电场将电磁干扰传导到敏感电路中去的，因此也被称作电耦合，它图2.4（a）表示两个电路在相邻导线间存在分布电容时的耦合，2.4（b）是其等效电路。电路1中U1的变化，能够通过导线间的分布电容C耦合到电路2中去，从而对电路2进行骚扰，由图2.4（b）的等效电路，可以计算得到U1在电路2中产生的耦合电压为12212221UCRjCRjUXRRUc（2-2）式中，CjXRRRRRcLGLG1,22222（2-3）一般情况下电容C都比较小，此时有21CR，式（2-2）可简化为221UjCRU（2-4）式（2-4）表明了影响电容性耦合强弱的几个重要因素：干扰信号的波动频率、干扰源强弱、电路间耦合电容以及敏感电路的对地阻抗，其中干扰信号频率在射频段时，就能够产生明显的电容性耦合，并且随频率增大，耦合也会逐渐变强。8（a）耦合模型（b）等效电路图2-4电容性耦合模型3）电感性模型电感性耦合（inductivecoupling）是通过磁场将电磁