何十全 譚俊 聶在平

(電子科技大學(xué),成都 610054)

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屏蔽效能數(shù)值仿真中機(jī)箱諧振特性建模與分析

何十全 譚俊 聶在平

(電子科技大學(xué),成都 610054)

對(duì)含有大量孔、縫和復(fù)雜元器件的機(jī)箱進(jìn)行屏蔽效能仿真是難以實(shí)現(xiàn)的,主要面臨精細(xì)結(jié)構(gòu)建模困難、材料參數(shù)無(wú)法確定、離散網(wǎng)格數(shù)量巨大和計(jì)算迭代收斂困難等問(wèn)題. 因此,不少文獻(xiàn)還主要是對(duì)含有簡(jiǎn)單孔、縫的空機(jī)箱進(jìn)行數(shù)值仿真和屏效分析. 而空機(jī)箱的諧振特性與含有大量元器件的實(shí)際機(jī)箱的諧振特性相差甚遠(yuǎn),使得屏效的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果無(wú)法匹配. 提出引入背景傳輸損耗以等效模擬機(jī)箱內(nèi)部元器件對(duì)電磁能量的吸收,基于混響室Q值測(cè)試?yán)碚摻⒈尘皞鬏敁p耗和機(jī)箱吸收損耗的聯(lián)系并確定背景媒質(zhì)的參數(shù)設(shè)置. 新的分析方法準(zhǔn)確模擬了真實(shí)機(jī)箱的諧振特性,同時(shí)可減小數(shù)值仿真對(duì)材料參數(shù)和網(wǎng)格尺寸的過(guò)度依賴(lài),極大地提高了仿真效率,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可相互匹配并且吻合良好.

屏蔽效能數(shù)值仿真;復(fù)雜機(jī)箱諧振特性;混響室Q值測(cè)試;背景傳輸損耗

引 言

電磁屏蔽可以有效地降低電氣設(shè)備自身的電磁輻射和避免外界的電磁干擾,在電子電氣設(shè)備的電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)設(shè)計(jì)中受到非常廣泛的應(yīng)用[1-2]. 因此,電氣工程師經(jīng)常需要對(duì)含有大量孔、縫和內(nèi)部元器件的復(fù)雜機(jī)箱進(jìn)行屏蔽效能評(píng)估,以指導(dǎo)電子器件的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)和考察機(jī)箱的屏蔽性能. 因其經(jīng)濟(jì)、快捷和有效,數(shù)值仿真是電子設(shè)備電磁特性評(píng)估的主要手段[3-5].

將實(shí)際的機(jī)箱模型導(dǎo)入仿真軟件直接進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是難以實(shí)現(xiàn)的. 首先,實(shí)際的機(jī)箱模型內(nèi)部有復(fù)雜的元器件,如印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)板、各種芯片、連接器、散熱器、電源模塊等,機(jī)箱表面也有大量的通風(fēng)孔、搭接縫隙、安裝螺釘?shù)? 對(duì)這些細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的幾何建模本身就很困難,電磁計(jì)算所需要的各種材料的電磁參數(shù)也難以準(zhǔn)確獲取.

數(shù)值仿真必須對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格離散.而實(shí)際機(jī)箱內(nèi)部,許多元器件的物理結(jié)構(gòu)都是極其微小的.精細(xì)的網(wǎng)格離散往往使得數(shù)值仿真在現(xiàn)有的計(jì)算資源上無(wú)法實(shí)現(xiàn),或者仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng).

隨著工作頻率增加,機(jī)箱已經(jīng)是一個(gè)電大尺寸結(jié)構(gòu),在EMC關(guān)心頻率范圍內(nèi),諧振點(diǎn)分布非常密集. 腔體諧振會(huì)使得機(jī)箱的屏蔽效能急劇變差,也會(huì)導(dǎo)致數(shù)值仿真方法收斂困難,精度惡化[6]. 然而,機(jī)箱內(nèi)部元器件對(duì)電磁能量的吸收會(huì)改變機(jī)箱的Q值,從而影響機(jī)箱的屏蔽效能. 因此,數(shù)值仿真時(shí),必須對(duì)影響機(jī)箱諧振特性的因素進(jìn)行綜合考慮,盡量模擬機(jī)箱的真實(shí)工作環(huán)境. 可是,為了數(shù)值仿真容易,當(dāng)前不少研究工作還僅僅是對(duì)含有簡(jiǎn)單孔、縫的空機(jī)箱[7-9]或者簡(jiǎn)單填充機(jī)箱[10-12]進(jìn)行數(shù)值仿真和屏效分析. 雖然部分微波工程師們也有通過(guò)在機(jī)箱內(nèi)部引入背景傳輸損耗的方式來(lái)加速數(shù)值仿真的迭代收斂,在一定程度上近似模擬機(jī)箱的有限Q值,但背景媒質(zhì)的參數(shù)選取卻往往是任意的. 如何確定背景媒質(zhì)參數(shù),使其與真實(shí)機(jī)箱的諧振特性匹配還未見(jiàn)研究和報(bào)道. 若仿真與實(shí)測(cè)機(jī)箱的諧振特性相差甚遠(yuǎn),則仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果難以匹配,無(wú)法服務(wù)于工程應(yīng)用.

綜上,為了獲取機(jī)箱的真實(shí)屏蔽性能,數(shù)值仿真時(shí),我們需要盡量準(zhǔn)確地模擬實(shí)際機(jī)箱的諧振特性,同時(shí)要減小數(shù)值仿真對(duì)材料參數(shù)和網(wǎng)格尺寸的過(guò)度依賴(lài),使得數(shù)值仿真可以進(jìn)行和具有較高的仿真效率,最終實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的匹配和相互驗(yàn)證.

為了方便機(jī)箱的屏蔽效能測(cè)試,本文選用了一款寬頻帶單極天線(xiàn)[13]用于模擬真實(shí)干擾源,如散熱器和連接器的輻射. 采用單極天線(xiàn)作為輻射源也可簡(jiǎn)化數(shù)值仿真時(shí)對(duì)干擾源的建模. 通過(guò)在機(jī)箱內(nèi)部設(shè)置空氣盒子和引入背景傳輸損耗以等效模擬元器件對(duì)電磁能量的吸收. 提出基于混響室Q值測(cè)試?yán)碚揫14]建立背景傳輸損耗和機(jī)箱吸收損耗的聯(lián)系并據(jù)此設(shè)置背景媒質(zhì)參數(shù),以準(zhǔn)確模擬真實(shí)機(jī)箱的諧振特性. 因已準(zhǔn)確模擬機(jī)箱內(nèi)部的能量耗散,數(shù)值仿真時(shí)則無(wú)需對(duì)介質(zhì)材料進(jìn)行建模. 同時(shí),對(duì)機(jī)箱表面的孔、縫進(jìn)行精確建模,而簡(jiǎn)化內(nèi)部元器件細(xì)微結(jié)構(gòu)的模擬,可減少網(wǎng)格離散的數(shù)量,極大地提高數(shù)值仿真效率. 因數(shù)值仿真綜合考慮了機(jī)箱的諧振、元器件的耦合,以及孔縫的泄漏,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可較好地匹配和相互驗(yàn)證.

1 輻射源等效模擬

工程經(jīng)驗(yàn)表明, PCB板上的集成芯片和高速連接器是產(chǎn)生電磁輻射的主要干擾源. 帶散熱器的芯片和高頻連接器通常都是強(qiáng)電流集散地,它們產(chǎn)生的輻射場(chǎng)易對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的其他電磁敏感設(shè)備造成干擾,或者進(jìn)一步通過(guò)機(jī)箱的孔縫泄漏出去,使得機(jī)箱的輻射量超標(biāo).

典型的散熱器模型如圖1所示,散熱器低面、芯片以及PCB金屬底板所構(gòu)成的腔體結(jié)構(gòu)使得散熱器模型具有很強(qiáng)的輻射場(chǎng)強(qiáng). 數(shù)值仿真時(shí),我們用一個(gè)矩形微帶貼片代替芯片,用微帶貼片輻射近似模擬芯片輻射. 散熱器底面和微帶貼片之間保留0.1 mm的空氣間隙,以模擬它們之間的非直接電連接.

圖1 典型散熱器模型及其模擬模型

數(shù)值仿真時(shí),連接器也可以進(jìn)行如圖2所示的簡(jiǎn)化建模,將連接器的信號(hào)輸入端作為激勵(lì)端口,而信號(hào)輸出端接50 Ω匹配電阻. 連接器的各個(gè)PIN腳通過(guò)端口激勵(lì)和阻抗加載分別和兩個(gè)金屬背板連接. 各個(gè)端口可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)共模、差模或隨機(jī)相位激勵(lì).

圖2 連接器仿真模型

對(duì)機(jī)箱的屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試時(shí),將真實(shí)的散熱器和連接器內(nèi)置于機(jī)箱進(jìn)行測(cè)試是比較困難的,因?yàn)樗鼈兌純H僅是作為PCB結(jié)構(gòu)的一部分在工作. 為了方便測(cè)試,我們選用了如下一款超寬帶貼片單極天線(xiàn)[13]作為輻射源,代替散熱器和連接器,作為屏效測(cè)試時(shí)的內(nèi)置干擾源.

天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示. 半徑R=14.5 mm的圓形金屬貼片放置于介質(zhì)基板上方,介質(zhì)基片長(zhǎng)46 mm,寬30 mm,厚度0.83 mm,介電常數(shù)為3.38. 同軸SM頭與50 Ω微帶饋線(xiàn)連接,經(jīng)過(guò)兩節(jié)阻抗變換線(xiàn)后對(duì)貼片單極天線(xiàn)進(jìn)行饋電,可實(shí)現(xiàn)饋線(xiàn)和天線(xiàn)的阻抗?jié)u變與匹配. 位于介質(zhì)基板另一側(cè)的微帶線(xiàn)地板大小為30 mm×15.6 mm. 該微帶線(xiàn)地板同時(shí)作為單極天線(xiàn)的反射地板,實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的定向輻射. 圖中的50 Ω饋線(xiàn)尺寸為1.8 mm×8 mm,第一節(jié)和第二節(jié)阻抗變換線(xiàn)的尺寸分別為1.4 mm×5 mm和1 mm×3 mm. 該天線(xiàn)的整體尺寸很小,可方便地放置于即使塞滿(mǎn)各種PCB板的機(jī)箱內(nèi)的任何位置,代替干擾源進(jìn)行機(jī)箱屏效測(cè)量.

對(duì)該單極天線(xiàn)進(jìn)行了仿真、實(shí)物加工和性能測(cè)試,圖4給出了端口反射系數(shù)仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比,吻合良好. 在2～30 GHz的頻帶范圍內(nèi),都基本滿(mǎn)足S11低于-10 dB的端口匹配要求,證實(shí)了該單極天線(xiàn)具有極寬的端口匹配性能,可保證該天線(xiàn)在較寬的頻帶內(nèi)有一致的輻射功率. 圖5給出了饋入功率為0.5 W時(shí),該單極天線(xiàn)在3 m遠(yuǎn)球面上的最大輻射場(chǎng)強(qiáng). 可見(jiàn)在3 GHz以上的頻率范圍內(nèi),最大輻射場(chǎng)強(qiáng)變化較小,滿(mǎn)足測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍需求和輻射功率的穩(wěn)定.

圖3 超寬帶單極天線(xiàn)模型及實(shí)物圖

圖4 單極天線(xiàn)端口反射系數(shù)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖5 單極天線(xiàn)最大輻射場(chǎng)強(qiáng)

分別采用散熱器、連接器和單極天線(xiàn)作為輻射源,對(duì)某機(jī)箱的屏蔽效能進(jìn)行仿真分析,以考察單極天線(xiàn)作為等效干擾源的有效性. 機(jī)箱模型如圖6所示,機(jī)箱長(zhǎng)、寬、高分別為460 mm,310 mm和175 mm,壁厚1 mm;前表面嵌入有5 mm的蜂窩型通風(fēng)孔,其余五個(gè)面均為封閉金屬面. 輻射源均放置于機(jī)箱中心. 為了加速數(shù)值仿真的迭代收斂和近似模擬真實(shí)機(jī)箱的有限Q值,在機(jī)箱內(nèi)的場(chǎng)傳播空間引入背景傳輸損耗,將背景媒質(zhì)的損耗正切簡(jiǎn)單地設(shè)置為10 GHz時(shí)H2tanδ=0.01,關(guān)心的頻率范圍為1～26 GHz,仿真頻率設(shè)置為0～28 GHz.

圖6 460 mm×310 mm×175 mm機(jī)箱模型

通過(guò)數(shù)值仿真,計(jì)算沒(méi)有機(jī)箱時(shí)輻射源在3 m遠(yuǎn)球面(或柱面)上產(chǎn)生的參考場(chǎng)強(qiáng)E0,和有機(jī)箱時(shí)在相同位置產(chǎn)生的泄漏場(chǎng)強(qiáng)ES,由公式(1)便可計(jì)算得到機(jī)箱的最差屏效.

(1)

max|·|表示對(duì)3 m遠(yuǎn)觀測(cè)面上的場(chǎng)強(qiáng)幅度求最大值.

對(duì)比單極天線(xiàn)和散熱器時(shí),使單極天線(xiàn)朝向和散熱片一致;對(duì)比單極天線(xiàn)和連接器時(shí),因連接器金屬臂的輻射特性和單極天線(xiàn)輻射特性相似,而金屬背板對(duì)輻射場(chǎng)的方向性有很大影響,作為輻射源時(shí),需將單極天線(xiàn)和金屬背板一起建模計(jì)算參考場(chǎng)強(qiáng). 由于機(jī)箱有較強(qiáng)的內(nèi)諧振,仿真得到的屏效曲線(xiàn)隨頻率往往是快速震蕩的. 為了便于數(shù)據(jù)對(duì)比和分析,我們采用窗口滑動(dòng)平均(MovingAverage)[15]方法濾除了曲線(xiàn)的高頻震蕩分量. 經(jīng)窗口寬度為0.5GHz的滑動(dòng)平均處理后,采用不同輻射源的屏效對(duì)比曲線(xiàn)如圖7所示. 由圖可見(jiàn),單極天線(xiàn)作為輻射源和散熱器、連接器作為輻射源的機(jī)箱屏效仿真結(jié)果吻合良好,均滿(mǎn)足偏差小于6dB的精度要求. 因此,實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以用該天線(xiàn)作為輻射源對(duì)機(jī)箱的屏蔽效能進(jìn)仿真和測(cè)試. 同時(shí),從圖7中曲線(xiàn)(1)和(3)的差異也可以看出,機(jī)箱內(nèi)部的金屬底板結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)箱的屏蔽效能是有較大影響的,在機(jī)箱屏效評(píng)估時(shí)需要綜合考慮.

圖7 不同輻射源的仿真屏蔽效能對(duì)比

2 機(jī)箱Q值測(cè)量

機(jī)箱諧振對(duì)屏效有非常顯著的影響,反射良好的機(jī)箱的Q值與屏效有如下關(guān)系[16]為

(2)

真實(shí)機(jī)箱內(nèi)部有復(fù)雜的元器件,這些元器件會(huì)吸收電磁能量,因此實(shí)際機(jī)箱的Q值往往是不高的.若機(jī)箱仿真模型的Q值和真實(shí)Q值相差較遠(yuǎn),則仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果無(wú)法匹配,由仿真得到的結(jié)論也難以服務(wù)于工程應(yīng)用. 因此,我們首先需要實(shí)現(xiàn)仿真模型Q值與真實(shí)模型Q值的匹配.

電大尺寸機(jī)箱的Q值可以基于混響室理論進(jìn)行測(cè)量[14]. 混響室的有效工作條件為有較強(qiáng)的諧振(Q值較大)和較多的模數(shù)量. 要求混響室內(nèi)部的本征模數(shù)大于60,由此可確定機(jī)箱的最低工作頻率為

(3)

通過(guò)測(cè)量混響室內(nèi)部收、發(fā)天線(xiàn)間的S參數(shù)可以得到其Q值為

〈|S21|2〉.

(4)

式中:ηRx和ηTx分別表示收、發(fā)天線(xiàn)的效率;λ為波長(zhǎng); 〈·〉算符表示對(duì)所有攪拌步的場(chǎng)量求平均.應(yīng)用時(shí)可通過(guò)改變收、發(fā)天線(xiàn)的相對(duì)位置和極化,對(duì)多次測(cè)試結(jié)果求平均,進(jìn)一步降低測(cè)量結(jié)果的不確度.

由于通信機(jī)箱的尺寸通常小于2 m,內(nèi)部也有各種PCB板等元器件,無(wú)法安裝機(jī)械攪拌器. 因此,采用頻率攪拌方式[17-18]對(duì)測(cè)量的S參數(shù)求統(tǒng)計(jì)平均. 具體操作方法為:設(shè)置較小的采樣間隔對(duì)收、發(fā)天線(xiàn)的S參數(shù)進(jìn)行掃頻測(cè)量;然后求取每一個(gè)頻點(diǎn)的中心滑動(dòng)平均值,滑動(dòng)平均的窗口寬度即為頻率攪拌寬度. 為了保證滑動(dòng)窗口內(nèi)有足夠的獨(dú)立模式,對(duì)攪拌帶寬有如下要求

(5)

式中: ΔF為頻率攪拌寬度; Δf為頻率采樣間隔;N為用于求取滑動(dòng)平均的頻率點(diǎn)數(shù).

若機(jī)箱為封閉模型(測(cè)試時(shí),我們將機(jī)箱表面的孔、縫用金屬封條密閉),則機(jī)箱的Q值主要由內(nèi)部元器件上各種材料的吸收損耗所決定. 在1 GHz以上的頻率范圍,金屬部件的損耗很小,可以忽略. 因此,仿真模型里面,我們可以將金屬部件視作理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Condactor, PEC),而損耗完全由背景媒質(zhì)的傳輸損耗決定. 因此,背景媒質(zhì)的損耗正切和機(jī)箱Q值有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系

(6)

ε′和ε″分別為復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部.

Q值計(jì)算公式(4)的使用是有條件的,即要求測(cè)試區(qū)域必須滿(mǎn)足混響室的場(chǎng)強(qiáng)統(tǒng)計(jì)均勻特性. 然而,實(shí)際通信機(jī)箱內(nèi)部總是塞滿(mǎn)了各種元器件,混響室的有效工作區(qū)域條件就很難滿(mǎn)足;同時(shí),由于各種介質(zhì)和半導(dǎo)體材料對(duì)能量的吸收,機(jī)箱的Q值也往往比較小. 此時(shí),測(cè)得收、發(fā)天線(xiàn)的S參數(shù)后,由公式(4)計(jì)算得到的實(shí)際機(jī)箱Q值其實(shí)是不準(zhǔn)確的. 然而,雖然Q值不準(zhǔn)確,但測(cè)試模型和仿真模型的損耗關(guān)系卻可以由公式(4)和(6)聯(lián)系起來(lái),為仿真模型里面背景媒質(zhì)的參數(shù)設(shè)置提供了方法和依據(jù).

3 仿真與測(cè)試匹配及驗(yàn)證

首先對(duì)一款480mm×480mm×500mm的機(jī)箱進(jìn)行Q值測(cè)量與仿真. 測(cè)試時(shí),機(jī)箱各個(gè)面均封閉,內(nèi)部放有少量的PCB板. 將第1節(jié)中設(shè)計(jì)的單極天線(xiàn)放置于機(jī)箱內(nèi)部作為收、發(fā)天線(xiàn),對(duì)S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量. 受測(cè)試器具的限制,測(cè)量頻率為1～18 GHz,頻率采樣間隔Δf=4 MHz. 基于混響室理論,機(jī)箱的最低可用頻率為1.2 GHz,攪拌帶寬設(shè)置為190 MHz. 收發(fā)天線(xiàn)在機(jī)箱中盡量相隔較遠(yuǎn)并保持不同極化,通過(guò)改變收發(fā)天線(xiàn)的相對(duì)位置和極化得到多組測(cè)試結(jié)果. 帶入公式(4),計(jì)算得到的Q值曲線(xiàn)如圖8所示,與文獻(xiàn)[9]結(jié)果非常相似. 因混響室基于的是統(tǒng)計(jì)平均概念,測(cè)量結(jié)果有3～4 dB左右的不確定度. 因此,計(jì)算得到的Q值是振蕩的. 為了消除測(cè)量不確定度和統(tǒng)計(jì)平均帶來(lái)的誤差,對(duì)測(cè)量Q值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合后再代入后續(xù)的仿真計(jì)算和匹配驗(yàn)證. 因測(cè)量Q值在對(duì)數(shù)空間變化比較平緩,曲線(xiàn)擬合效果較好,對(duì)該測(cè)量Q值在對(duì)數(shù)空間線(xiàn)性擬合后結(jié)果如圖8中實(shí)線(xiàn)所示.

建立該機(jī)箱的仿真模型,機(jī)箱六個(gè)面設(shè)置為PEC,內(nèi)部建有5塊金屬底板和1塊金屬背板,以模擬PCB板的金屬底板,其它的非金屬材料和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)不再建模. 將測(cè)試Q值的擬合結(jié)果帶入公式(6),計(jì)算得到背景媒質(zhì)的損耗參數(shù),實(shí)現(xiàn)背景媒質(zhì)損耗與測(cè)量Q值的匹配. 受時(shí)域算法參數(shù)擬合方法的限制,CST[20]的擬合色散曲線(xiàn)(圖9(a)中綠色點(diǎn)劃線(xiàn))與設(shè)定的媒質(zhì)色散曲線(xiàn)(圖9(a)中藍(lán)色實(shí)線(xiàn))會(huì)有稍許誤差. 建立用于收、發(fā)的單極天線(xiàn)仿真模型,將饋電端口設(shè)置為波端口,然后啟動(dòng)數(shù)值仿真計(jì)算得到收發(fā)天線(xiàn)間的S參數(shù).

圖8 480 mm×480 mm×500 mm機(jī)箱測(cè)試Q值

圖9 480 mm×480 mm×500 mm機(jī)箱Q值對(duì)比

和測(cè)試一樣,改變收發(fā)天線(xiàn)的相對(duì)位置和極化可以得到多組仿真數(shù)據(jù). 測(cè)試和仿真時(shí),收發(fā)天線(xiàn)的位置和極化都是任意選取的. 由仿真S參數(shù)計(jì)算得到的Q值及擬合結(jié)果如圖9(a)中紅色虛線(xiàn)和粉色實(shí)線(xiàn)所示. 由圖可見(jiàn),Q值測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果具有相似的震蕩與變化,它們的擬合結(jié)果也吻合較好. 測(cè)試與仿真偏差小于4 dB(圖9(b)). 該案例表明,用背景傳輸損耗代替真實(shí)機(jī)箱元器件的能量吸收,并基于混響室理論對(duì)實(shí)際機(jī)箱的Q值進(jìn)行測(cè)量以指導(dǎo)傳輸損耗參數(shù)設(shè)置的數(shù)值仿真方法是可行的,能極大地降低數(shù)值建模和仿真的復(fù)雜度. 機(jī)箱Q值較大時(shí)(如高于100),測(cè)量和仿真結(jié)果吻合較好.

基于以上的Q值匹配方法,我們對(duì)另一款通信機(jī)箱再次進(jìn)行測(cè)試和仿真對(duì)比. 機(jī)箱尺寸為220 mm×440 mm×43.5 mm,基于混響室理論,機(jī)箱的最低可用頻率為3.6 GHz,攪拌帶寬設(shè)置為380 MHz. 若將測(cè)量Q值完全與背景媒質(zhì)損耗匹配,Q值的測(cè)試、仿真和擬合結(jié)果如圖10(a)所示. 和480 mm×480 mm×500 mm的大機(jī)箱不同,該款機(jī)箱的測(cè)量Q值非常低,尤其是在低頻段;仿真Q值和測(cè)試Q值相差很遠(yuǎn). 分析發(fā)現(xiàn)是如下原因造成了仿真Q值和測(cè)試Q值的不匹配:因機(jī)箱的尺寸較小,內(nèi)部器件較多,機(jī)箱已不滿(mǎn)足混響室工作條件,材料的吸收損耗和器部件對(duì)電磁波傳輸路徑的遮擋、耦合都會(huì)使得測(cè)量的端口耦合系數(shù)(S21)減小,從而使得計(jì)算得到的Q值非常小. 而仿真模型里面的背景媒質(zhì)損耗僅僅是等效媒質(zhì)的吸收損耗,即真實(shí)的吸收損耗應(yīng)該低于由公式(6)計(jì)算得到的結(jié)果. 可見(jiàn)測(cè)量結(jié)果偏低時(shí),測(cè)量Q值與背景損耗并不能完全匹配. 考慮到Q值高于100時(shí),測(cè)量Q值與背景損耗能較好匹配,并且Q值隨頻率是逐漸降低的,我們對(duì)高于100的測(cè)量Q值在對(duì)數(shù)空間進(jìn)行線(xiàn)性擬合,并且外推到低頻段,如圖10(b)中藍(lán)色實(shí)線(xiàn)和綠色點(diǎn)劃線(xiàn)所示. 基于新匹配方法的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合很好,在Q值小于100(頻率低于8 GHz)的頻段,仿真Q值和測(cè)試Q值都吻合的非常好,通頻段測(cè)試與仿真結(jié)果相差不超過(guò)3 dB,驗(yàn)證了上述分析方法的有效性.

通過(guò)以上的分析可見(jiàn),基于公式(4)的實(shí)際機(jī)箱測(cè)量Q值往往都非常低,測(cè)試結(jié)果同時(shí)包含了內(nèi)部器件吸收損耗和傳播遮擋的雙重效應(yīng). 因此,用背景傳輸損耗等效器件吸收損耗后,仍然需對(duì)主要的金屬部件進(jìn)行建模,在數(shù)值仿真時(shí)對(duì)吸收損耗和遮擋效應(yīng)同時(shí)進(jìn)行模擬. 因建立內(nèi)部元器件是主要用于模擬它們對(duì)傳輸路徑的改變和電磁耦合,這些器件的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)變得不再重要. 因此,仿真建模時(shí)可以采用較粗的網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格離散.

圖10 220 mm×440 mm×43.5 mm機(jī)箱Q值對(duì)比

作為案例,繼續(xù)對(duì)一款440 mm×310 mm×85 mm的復(fù)雜機(jī)箱進(jìn)行屏蔽效能數(shù)值仿真. 仿真建模時(shí),我們直接導(dǎo)入機(jī)箱的CAD結(jié)構(gòu)模型,在刪除體積較大的純介質(zhì)部件后,將機(jī)箱及內(nèi)部器件的所有材料設(shè)置為金屬(PEC),根據(jù)測(cè)量和擬合Q值(10～100)設(shè)置好背景媒質(zhì)參數(shù).

由于電磁能量主要是通過(guò)機(jī)箱表面的孔縫泄漏到外部空間,需要對(duì)孔縫進(jìn)行精確的幾何建模和網(wǎng)格離散,不作太多簡(jiǎn)化;而機(jī)箱內(nèi)部器件卻可忽略對(duì)細(xì)節(jié)部分的模擬,采用較粗的網(wǎng)格離散. 圖11給出了采用不同尺寸網(wǎng)格進(jìn)行幾何離散時(shí),仿真得到的3 m遠(yuǎn)球面上最大輻射場(chǎng)強(qiáng)的對(duì)比. 可見(jiàn),在精確模擬了機(jī)箱的諧振特性后,網(wǎng)格尺寸對(duì)泄漏場(chǎng)強(qiáng)的影響很小. 表1展示了采用不同尺寸網(wǎng)格剖分時(shí)的網(wǎng)格數(shù)目、計(jì)算時(shí)間,以及與最細(xì)網(wǎng)格作為參考的平均誤差. 隨著網(wǎng)格尺寸變大,網(wǎng)格數(shù)目減小,仿真計(jì)算時(shí)間急劇降低,而對(duì)數(shù)值仿真精度的影響較小. 仿真得到的屏蔽效能曲線(xiàn)如圖12所示,圖中同時(shí)給出了一組高Q值時(shí)(紅色虛線(xiàn),Q:100～1 000)的機(jī)箱屏效仿真結(jié)果作為對(duì)比. 可見(jiàn)機(jī)箱Q值確實(shí)對(duì)其屏效有非常大的影響,Q值越大,屏效越差.Q值變化10 dB,而屏效也幾乎相差10 dB,與公式(2)的理論預(yù)估吻合. 這再次表明了仿真模型中準(zhǔn)確描述機(jī)箱諧振特性的重要性.

圖11 440 mm×310 mm×85 mm機(jī)箱泄漏場(chǎng)強(qiáng)

表1 不同網(wǎng)格尺寸仿真性能對(duì)比

圖12 440 mm×310 mm×85 mm機(jī)箱屏蔽效能

4 結(jié) 論

機(jī)箱的諧振特性對(duì)其屏效有非常顯著影響,通常Q值越大,屏效越差. 因此,對(duì)機(jī)箱屏效進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)需要準(zhǔn)確模擬真實(shí)機(jī)箱的諧振特性. 基于混響室理論,可以對(duì)機(jī)箱的Q值進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量,然而因內(nèi)部元器件能量吸收和路徑遮擋的影響,實(shí)際機(jī)箱的測(cè)量Q值通常很小. 數(shù)值仿真時(shí),可以引入背景傳輸損耗近似模擬元器件對(duì)電磁能量的吸收,以及對(duì)主要的金屬部件進(jìn)行建模,以模擬電磁傳輸過(guò)程中的路徑遮擋和多次耦合. 機(jī)箱測(cè)量Q值與背景媒質(zhì)損耗有內(nèi)在聯(lián)系,從而為其參數(shù)設(shè)置提供了可靠依據(jù):當(dāng)機(jī)箱尺寸較大,內(nèi)部元件很少或者能量損耗很低時(shí),機(jī)箱Q值較大,可對(duì)測(cè)量Q值直接擬合后,轉(zhuǎn)換為媒質(zhì)參數(shù)代入CST仿真;當(dāng)機(jī)箱尺寸較小,內(nèi)部元件較少或者能量損耗較低時(shí),可對(duì)高于100的Q值進(jìn)行線(xiàn)性擬合后代入CST仿真;而當(dāng)測(cè)量Q值在通頻段都很小時(shí),需要進(jìn)一步建立測(cè)量結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)間的匹配關(guān)系. 通過(guò)對(duì)幾款典型機(jī)箱的Q值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,形成數(shù)值仿真參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),可以應(yīng)用于其他機(jī)箱產(chǎn)品的電磁仿真與設(shè)計(jì).

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Numerical modeling and analysis of enclosure resonance characteristics in its shielding effectiveness simulation

HE Shiquan TAN Jun NIE Zaiping

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)

It is very difficult to realize the shielding effectiveness (SE) simulation of complex enclosures consisting of quantity vents, slots and inner components. Numerical simulation always faces the challenges from fine structure modeling, uncertainty of material parameters, huge number of grids and slow convergence of calculation. Therefore, many literatures just refer to the SE simulation of empty enclosures with simple holes or slots. However, the resonance characteristics between an empty enclosure and an enclosure crammed with components are completely different, which inevitably lead to the mismatch of simulation and experimental results. This paper introduces the background transmission loss to simulate the electromagnetic energy absorption in enclosures by internal components. A link between background transmission loss and component absorption loss is established based on the Quality Factor (Qfactor) testing theory in reverberation chambers, and finally it determines the parameter setting of background in return. Proposed modeling methods accurately describe the resonance characteristics in real enclosures and reduce the dependence of numerical simulation on material parameters and mesh grids, greatly enhance the simulation efficiency, and consequently result in good matches of simulation and experimental results.

numerical simulation of shielding effectiveness; resonance characteristics of complex enclosure; testingQvalue in reverberation chamber; background transmission loss

10.13443/j.cjors.2014111902

2014-11-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61301057, No.61231001)； 屏效仿真技術(shù)合作項(xiàng)目(YB2013120069)

TN03

A

1005-0388(2015)05-0842-08

何十全 (1984-),男,四川人,電子科技大學(xué)微波工程系副教授,博士,主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、電磁兼容仿真與應(yīng)用等.

譚俊 (1990-),男,河南人,電子科技大學(xué)微波工程系在讀博士研究生,研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué).

聶在平 (1946-),男,陜西人,電子科技大學(xué)微波工程系教授,博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、非均勻介質(zhì)中的場(chǎng)與波等.

何十全,譚俊,聶在平.屏蔽效能數(shù)值仿真中機(jī)箱諧振特性建模與分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(5):842-849.

HE Shiquan, TAN Jun, NIE Zaiping. Numerical modeling and analysis of enclosure resonance characteristics in its shielding effectiveness simulation[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):842-849. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors.2014111902

聯(lián)系人： 何十全 E-mail：shiquanhe@uestc.edu.cn