内置PCB板的屏蔽机箱的频效计算正文

西安电子科技大学Ansoft培训中心1第一章序言随着电子技术的迅速发展，现代电子设备已广泛应用于人类生活的各个领域。电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境中工作。因此，解决电子设备在电磁环境中地适应能力越来越受到重视。电磁兼容的中心课题是研究如何控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其他设备联系在一起时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。电磁兼容的关键技术在于有效地控制电磁干扰。电磁干扰地抑制技术是电磁兼容领域地重要课题，抑制电磁干扰的方法很多，电磁屏蔽是其中一种很重要的技术。电磁波进入屏蔽电子系统的途径主要有两条，一是通过系统的天线耦合进入系统，即所谓的“前门”耦合；二是通过系统上的孔洞和缝隙等进入系统，即所谓的“后门”耦合。由于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破坏，而系统的孔缝不可避免，所以，通过后门耦合进入系统，并对系统内的器件进行干扰或破坏是高功率微波能量进入目标系统的重要途径之一。对于许多电子产品而言，没有屏蔽外壳就无法达到电磁兼容要求。然而，为适应通风、散热等要求，往往需要在屏蔽体上开孔，完整性受到破坏。这样外部电磁场通过孔缝进入屏蔽体内部，可能耦合到电路板的导线上，产生感应电流和感应电压。通过对孔缝电磁耦合的数值仿真，计算屏蔽体内场的分布，有利于指导电路和器件的合理布局，使敏感器件避开场的峰值区域，提高电子设备的抗干扰能力。应此，研究孔缝耦合的屏蔽效能十分重要。AnsoftHFSS软件是应用有限元方法的原理来编制的，可对孔缝电磁耦合的数值仿真，计算屏蔽体内场的分布，得出屏蔽体的屏蔽效能2第二章屏蔽效能的定义屏蔽的基本概念采用屏蔽措施，将那些对于电磁脉冲比较敏感的电子、电气设备及系统在空间上与电磁脉冲辐射环境相隔离，减小电磁脉冲场对设备及系统的耦合影响，是实施电磁脉冲防护的重要手段之一。所谓屏蔽就是用导电或导磁材料，或用既导电又导磁的材料，制成屏蔽体，将电磁能量限制在一定的空间范围内，使电磁能量从屏蔽体的一面传输到另一面时受到很大的削弱。1．屏蔽效果的表示方法屏蔽体的屏蔽效果一般可以用一下两种方法表示。（1）传输系数T传输系数T系指加屏蔽后某一测点的场强sE和sH与同一测点未加屏蔽时的场强0E和0H之比，即对电场0/EETse对磁场0/HHTsmT值愈小，表示屏蔽效果愈好。（2）屏蔽效能SE屏蔽效能SE系指未加屏蔽后某一测点的场强0E和0H与同一测点加屏蔽时的场强sE和sH之比，当以dB为单位时，对电场)/log(200seEESE对磁场西安电子科技大学Ansoft培训中心3)/log(200smHHSE屏蔽效能有时也称屏蔽损耗，其值愈大，表示屏蔽效果愈好。2．屏蔽原理在讨论屏蔽原理时，可将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽几种类型。（1）电场屏蔽以电导率较高的材料作屏蔽体并良好接地，将电场终止在屏蔽体表面并通过接地泄放表面上的感应电荷，可防止电场耦合。完整的屏蔽体和良好的接地是实现电场屏蔽必须具备的两个条件。（2）磁场屏蔽磁场屏蔽的屏蔽机理与磁场频率有关。对于低频（包括直流）磁场的屏蔽，屏蔽体须采用高磁导率材料，从而使磁力线主要集中在由屏蔽体构成的低磁阻磁路内，以防止磁场进入屏蔽空间。因此要获得好的低频磁场屏蔽效果，屏蔽体不仅要选用磁导率高的材料，而且屏蔽材料在被屏蔽磁场内不应处于饱和状态，这就要求屏蔽体的壁具有相当的厚度。对于高频磁场的屏蔽其原理则有所不同，主要利用金属屏蔽体上感生的涡流产生反磁场起排斥原磁场的作用。因此，在同一外场条件下，屏蔽体表面的感生涡流愈大，则屏蔽效果愈好。所以高频磁场的屏蔽应选电导率高的金属材料。对同一屏蔽体材料，感生涡流随外场频率的提高而增大，屏蔽效果随之提高。由于高频的趋肤效应，涡流只限于屏蔽体表面流动，因此对于高频磁场的屏蔽只需采用很薄的金属材料就可收到满意的屏蔽效果。（3）电磁屏蔽电磁波在穿透导体时会急剧衰减并在导体面上发生反射，利用由导体制成的屏蔽体的这一特性便可有效地隔离时变电磁场的相互耦合。实际上对电磁场而言，电场和磁场不可分割，电场分量和磁场分量总是同时存在的。只是当电流源的频率较低时，在距离电流源不远处（距离远小于波长的1/6），按照源的不同特性，其近场的电场分量和磁场分量各自在总场所占的份额有所不同。在近场以磁场为主的情况下，可忽略电场分量；反之，近场若以电场为主，磁场分量可忽略。3．孔洞和缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响4没有任何孔洞和缝隙的连续金属板具有很高的电磁屏蔽效能。但实际应用的屏蔽室由于使用的需要，必须设置门、通风窗、进线孔等，从而在屏蔽体上形成孔洞和缝隙，造成电磁泄漏，导致屏蔽室的屏蔽效能降低。对孔洞而言，影响其电磁能量泄漏的因素很多，其中最主要的是孔洞的面积和形状。实验证明，对于某一个固定场源，电磁泄漏随孔洞面积增加而增加，在孔洞面积相同的情况下，矩形孔泄漏大于圆形孔。关于缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响，可从缝隙对入射电磁波的屏蔽作用入手来分析。缝隙的屏蔽作用由两部分构成：其一，由于缝隙开口处的阻抗与自由空间的阻抗不同而造成的反射损耗；其二，当电磁波投入缝隙后，在缝隙内传输时产生的传输损耗。4．防止屏蔽体孔缝电磁泄漏的工程措施4．1屏蔽门的电磁密封措施对于安装在屏蔽室上的屏蔽门，由于门扇与门框之间存在门缝，必须采取电磁密封措施。通常采用由锡磷青铜或铍青铜制成的梳形簧片，可确保门缝在频繁活动的情况下仍具有良好的电气接触。亦可在门缝处安装导电衬条，通过与门框之间的挤压实现电磁密封。在对磁场屏蔽有较高要求的场合，还可采用充气推拉门，门缝内外两侧装有簧片和气囊，从而获得比较理想的电磁密封效果。不同屏蔽要求的屏蔽室，可选用采用不同电磁密封措施因而具有不同屏蔽效能的屏蔽门。4．2防止通风窗口电磁泄漏的措施为了防止屏蔽室通风窗口造成的电磁泄漏，最重要的是如何合理设计窗的位置、形式和尺寸；此外还可采用以下措施：在应用这些手段时，合理设计其结构形式和尺寸同样是至关重要的！（1）在通风窗口上覆盖金属网。金属丝网的屏蔽效能与丝网材料的电导率、金属丝直径和网孔的疏密程度等因素有关。一般来说，丝网材料电导率高，网丝粗，网孔密，屏蔽效能好。但当频率高于100MHz时，屏蔽效能开始下降。因此，频率较高时不适用。（2）用穿孔金属板作通风窗口。穿孔金属板的屏蔽性能优于金属丝网，但通风效果不如金属丝网。（3）截止波导式通风孔。金属丝网和穿孔金属板只适用于入射频率低于100MHz且屏蔽效能要求不高的场合。但截止波导式通风孔则有广泛的适应性，其西安电子科技大学Ansoft培训中心5屏蔽效能高，工作频段宽，即使在微波波段仍有较高的屏蔽效能，而且机械强度高，工作稳定可靠。与金属丝网和穿孔金属板相比，截止波导式通风孔优点显著，其缺点是体积大，成本高。第三章有限元原理AnsoftHFSS软件是应用有限元方法的原理来编制的，了解有限元方法求解三维开口腔体的场，对于我们灵活、准确地使用AnsoftHFSS软件来仿真孔缝电磁耦合问题能够提供帮助。使用有限元法求解电磁场时，有必要引入一个包围该物体的虚构面，将无限的区域截断为有限的体积。为了解的唯一性，在虚构面上需要一种边界条件，且这种边界条件应该使虚构面对外散射场尽可能透明。这里边界条件设为吸收边界条件。索末菲辐射条件为0)ˆ(ˆ)(ˆ0scascaEnnjkEn（1）令)ˆ(ˆ)(0scscEnnjkEP则(1)式可写成0)()(ˆscscEPEn（2）上式可应用于散射场，为了获得可用于总场的相应吸收条件，我们将incscEEE代入（2）式，可得)()(ˆ)()(ˆincincEPEnEPEn为了简化，可写为incUEPEn)()(ˆ其中)()(ˆincincincEPEnU把索末菲辐射条件用于描述虚构面S上的场，应用广义变分原理，可得出变分表达式：VSincrrdSUEEnEnjkdVEEkEEEF])ˆ()ˆ(2[])()(1[21)(0206计算带孔缝的腔体，假设在腔体内无源，那么腔内的电场满足矢量波动方程0)1(20EkErrVr在腔体壁上，切向电场为零。因此0ˆEn在腔体壁上在腔体开口处，切向电场和磁场在腔体开口处必须连续，即00ˆˆzzEzEz00]1[ˆ][ˆzrzEzEz对腔体内的场，满足inczrUEPEz)(]1[ˆ0')',()]'(ˆ[ˆ2)(020dSrrGrEzzkEPS)(ˆ200rHzZjkUincinc等效变分问题为0ˆ0EnF在腔体壁上其中VSincrrdSUEEPEdVEEkEEEF])(21[])()(1[21)(20为了离散F，腔体被划分为许多小的体积单元，选择适当的差值函数，建立方程组，利用边界条件求解方程组，就可得到腔体内的场。西安电子科技大学Ansoft培训中心7第四章创建项目一、打开HFSS并保存一个新项目1．双击桌面上的HFSS9图标，启动HFSS。启动后的程序工作环境如图：图4－1HFSS工作界面2．打开File选项(alt+F),单击Saveas。找到合适的目录，键入项目名shielding_effect。图4－2保存HFSS项目8二、加入一个新的HFSS设计1．在Project菜单，点击insertHFSSDesign选项。(或直接点击图标。)一个新的工程被加入到shielding_effect项目中，默认名为HFSSModeln。图4－3加入新的HFSS设计2．为设计重命名。在项目树中选中HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击Rename项，将设计重命名为shielding_effect。西安电子科技大学Ansoft培训中心9图4－4更改设计名三、选择一种求解方式1．在HFSS菜单上，点击SolutionType选项.2．选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenMode项。图4－5选择求解类型图4－6选择源激励方式四、设置设计使用的长度单位1．在3DModeler菜单上，点击Units选项.2．选择长度单位，在SetModelUnits对话框中选中cm项。10图4－5选择长度单位图4－6选择cm作为长度单位第五章建立几何模型一、加入屏蔽机箱shielding_box1．在Draw菜单中，点击Box选项（或直接点击图标）；图5－1通过菜单加入一个Box2．输入参数随意用鼠标建立一个长方体模型后，HFSS系统会自动弹出长方体属性对话框。在对话框的Command页里输入我们需要的尺寸：西安电子科技大学Ansoft培训中心11图5－2设置长方体shielding_box的几何尺寸这里设置长方体的基坐标为(x=－15cm,y=－6cm,z=－15cm);三边长度：x方向30cm,y方向12cm,z方向30cm。3．设置长方体属性单击Attribute项，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。将属性栏中的名称改为shielding_box，将透明度设为0.8。设置完毕后，同时按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调整一下。图5－3设置长方体的各项属性图5－4绘出shielding_box后的视窗二、给屏蔽机箱开缝121．同1方法画一个长方体，基坐标为(x=－5cm,y=－0.5cm,z=14.9cm);三边长度：x方向10cm,y方向1cm,z方向0.2cm，名字为slot，材料为vacuum，并且将该物体透明度改为0.8，见图5－5所示。图5－5设置长方体slot的几何尺寸2．给机箱开缝在操作历史树中利用ctrl键先选中shielding_box,再选中slot；在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Subtract项。