呂炳均 黃楷 徐金龍 王中曄

摘要：機柜的電磁諧振特性與電磁屏蔽特性對設備的電磁兼容性有巨大影響。本文給出了基于HFSS的某設備機柜電磁諧振與電磁屏蔽仿真過程與結果分析，可用于在設計時評估與優(yōu)化設備的電磁兼容特性，也可以用于設備電磁兼容測試超差后的回溯分析。

關鍵詞：機柜;電磁兼容;仿真

中圖分類號：TN03 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0056-04

0 引言

隨著電氣控制設備復雜度的提升以及應用環(huán)境電磁特性的日趨復雜，設備的電磁兼容特性愈發(fā)重要。為提升設備的電磁兼容特性，需要從元器件、電路板、組合以及設備級等方面進行電磁兼容設計，而采用預測仿真技術在計算機上建立相似的、有足夠解析度的模型進行數(shù)值分析，是進行電磁兼容性設計的重要方法[1]。

在組合級以及設備級，機柜的電磁諧振與屏蔽特性對電磁兼容性有重要影響，在機柜設計時對上述兩類特性進行評估與優(yōu)化，可有效降低設備電磁兼容特性超差的風險。本文針對某電氣控制設備機柜，基于Ansoft公司的HFSS軟件平臺，對其電磁諧振與屏蔽特性進行了仿真分析，分析結論可用于機柜內部設備布局優(yōu)化以及屏蔽特性評估分析。

1 主要仿真過程

1.1 電磁諧振特性仿真過程

電磁諧振特性的仿真流程如圖1所示，在完成三維模型導入后，對模型進行修正以降低復雜度，隨后進行本征求解，在求解的過程中如果發(fā)現(xiàn)不收斂，則需要加密有限元網格。

HFSS仿真軟件采用有限元方法實現(xiàn)數(shù)值求解，其網格劃分與結構尺寸和電磁波波長有關，如圖2所示的機柜三維模型包括了大量用于安裝的微小復雜結構，如內部安裝定位孔、臺階、導槽等，其對整體電磁特性的影響可以忽略，但在進行有限元網格剖分時，在這些復雜的結構處將產生大量的網格，造成仿真系統(tǒng)資源浪費、求解時間延長，甚至無法收斂。因此，在進行仿真之前有必要進行結構模型修正，修正方法包括模型刪減、模型等效、模型修補等。其中，模型刪減主要指對機柜外表面的安裝結構進行刪減，如頂部的把手等;模型等效是指對機柜內部具有多處復雜結構的機構用長方體、圓柱等進行等效;模型修補則是對進行模型刪減后形成的開孔等進行修補，為降低求解難度，對于金屬材料可用“Perfect E”邊界進行等效。

在完成模型修正后，進行機柜電磁本征特性求解，在求解前，需設置求解空間，可采用如圖3所示的覆蓋機柜的空氣盒子，空氣盒子需完全覆蓋機柜的所有結構。

1.2 電磁屏蔽特性仿真過程

屏蔽效能仿真是設備級電磁兼容仿真的最重要的部分，其仿真結果可用于修正設計以及后續(xù)測試超差后的問題分析。

電磁屏蔽特性分析的主要流程如圖4所示，主要是在空間加入歸一化的平面電磁波激勵，通過計算機柜內部各點的輻射強度來評估屏蔽特性。平面波按從機柜底部以及頂部入射分別進行分析，自機柜底部入射的平面波激勵如圖5所示。

仿真模型采用與諧振分析相同的經過修正后的結構模型，區(qū)別在于，在屏蔽特性仿真時需加入輻射邊界以區(qū)別近場與遠場。

屏蔽特性的分析采用離散掃頻的方式完成，對于本機柜，掃頻從100MHz開始至1GHz結束，總共進行100次離散掃頻。其中，掃頻間隔可按需縮減，但掃頻間隔的縮減會帶來求解復雜的大幅度提升，可視仿真計算機的性能而定。

2 仿真結果分析

2.1 諧振特性仿真結果

諧振本征求解收斂后，可得出機箱內部的全部的諧振點，品質因素最高的諧振點在430MHz左右，品質因素為8820，機柜諧振點仿真結果圖6所示。

機箱內的諧振場強分布如圖7所示，諧振場強最強點分布在電路板與上下橫梁的交界處，也即是電路板的邊緣。在進行電路板布局時，在電路板的邊緣位置不要放置敏器件，電路板的禁止布線區(qū)域可以稍微加大，以避開諧振場強最強的位置。

2.2 屏蔽效能仿真結果

在電磁屏蔽效能仿真收斂之后，可通過取樣點考察機箱屏蔽效能，電路板附近的取樣點分析結果如圖8與圖9所示。通過分析圖8所示的曲線可知，如果入射波從機箱底部入射，機箱有較好屏蔽效果，在整個掃頻范圍內，屏蔽效能都大于90dB。

如圖9所示，當自頂部激勵時，機柜電磁屏蔽效能大幅度下降，且屏蔽效能隨頻率的提升而降低，在超過700MHz時屏蔽效能降低到40dB以下，可見，上表面的多個電纜安裝孔對機箱屏蔽影響較大。

圖10所示為自頂部輻射時，在845MHz處機箱內部電路板周邊的輻射強度。在該頻率下，電路板的中心以及部分邊緣位置還出現(xiàn)了輻射放大的現(xiàn)象，因此，在電纜網設計時必須要采用具有良好屏蔽效果的插座，并與柜體接觸良好，電纜的屏蔽外層也要與機柜接觸良好。在進行電磁兼容測試時，如果出現(xiàn)屏蔽效能超差，可重點檢查電纜接頭部分。

3 結語

數(shù)字化的仿真分析可以在設計時充分評估與優(yōu)化設備的電磁兼容特性。本文針對某設備機柜進行了電磁諧振與電磁屏蔽特性的仿真分析，分析結論可以評估與優(yōu)化設備電磁兼容特性，也可以用于設備電磁兼容測試超差后的分析回溯。本文給出的分析流程也可以用于同類設備的分析。

參考文獻

[1] 邵志江，孫全，郭金雷.彈上電纜抗干擾仿真分析[J].空天防御，2019，2（1）：58-63.

Abstract：The electromagnetic resonance and shielding characteristics of the cabinet have great influence on the electromagnetic compatibility of the equipment. This paper presents the simulation process and conclusion analysis of the electromagnetic resonance and electromagnetic shielding characteristics of an equipment cabinet， which can be used to evaluate and optimize the electromagnetic compatibility characteristics of the equipment during design， and can be used for the retrospective analysis of the electromagnetic compatibility test of the equipment.

Key words：cabinet;electromagnetic compatibility;simulation