带孔缝金属箱体电磁屏蔽效能的研究

刘 力，刘 彬，葛玉石，刘为群，丁 勇，郭 勇

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211100）

随着现代电子科学技术的长足发展，各种电子和信息设备的应用领域越来越广泛，因此，设备与设备之间的电磁干扰也变得日趋复杂。从设备在复杂电磁环境下稳定运行的角度出发，EMC 直接关系到一台设备或一套系统的正常运行；同时，电磁干扰也会对人体造成伤害[1-3]。基于上述原因，人们对电磁干扰的控制技术也越来越重视，而在产品的EMC 设计过程中，箱体孔缝的电磁泄露一直是EMC 设计人员需要重点考虑的问题之一。

文中对常见金属箱体结构进行了仿真研究和分析，对比了材质、板厚、缝隙结构、双层屏蔽对金属箱体屏蔽效能的影响。

1 屏蔽效能及金属板电磁屏蔽机理

1.1 屏蔽效能的概念

屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施，而屏蔽体可以由任何导电、导磁的介质构成，用以阻止或减小电磁能传输，进而对装置进行封闭或遮蔽。为表征屏蔽体电磁波的衰减程度，引入屏蔽效能(Shielding Effectiveness，SE)概念[4-6]。

屏蔽效能SE 是指无屏蔽体时空间某点的电场强度E0(或磁场强度H0)与有屏蔽体时该点电场强度E1(或磁场强度H1)的比值。由于屏蔽效能SE 的量值范围较宽，上述计算较麻烦，因此一般采用分贝（dB）计量，如下式所示：

按照机理的不同，屏蔽效能可分为电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能，表1 为屏蔽效能与场强衰减的对应关系。

表1 屏蔽效能与场强衰减的关系

1.2 金属板电磁屏蔽的机理分析

对于结构上完整、电气上连续均匀的金属板，其屏蔽机理示意图如图1 所示。当电磁波入射到板厚为t的金属板界面a 时，波阻抗发生了突变，部分电磁波会被反射，剩余部分则穿过界面a 在金属板内继续透射传播；电磁波在金属板内透射时会产生一定消耗。当电磁波到达金属板界面b 时，同样会再次发生反射和透射，会有一小部分透过界面b 的电磁波进入到被屏蔽空间中[7-9]。

图1 金属板电磁屏蔽机理示意图

由上述分析可知，电磁波经过屏蔽后的损耗主要分为3 个部分，即反射损耗R、吸收损耗A、多次反射修因子B。入射到金属板时被反射的损耗称为反射损耗（R）；透射波在金属板内传播时的损耗称为吸收损耗（A）。由于电磁波在a、b 界面存在循环往复的反射和透射，为此在屏蔽理论中引入多次反射修正因子（B），其量值小于1。

综上，金属板电磁屏蔽作用可用下式表示：

由电磁场理论可知，吸收损耗AdB、RdB、BdB表达式如下：

式中，δ为金属板趋肤深度（m）；μr为金属板磁导率（H/m）；σr为金属板导电率（S/m）；f为电磁波频率（HZ）；t为金属板厚度（mm）；Zs为金属板的波阻抗（Ω）；Zw为自由空间的波阻抗（Ω）。

由式（3）可知，金属板屏蔽效能与材质、板厚、电磁波频率、传播介质等有密切关系。

在屏蔽机柜及其屏蔽盒的设计中，电磁波在箱体内部发生谐振，导致机箱内部噪声幅值被抬高，同样对屏蔽效能有着较大的影响[10-11]。针对矩形金属箱体，可根据式（4）算出谐振频率fmnp。

式中，w、h、l分别为矩形箱体的宽、高、长（m）；m、n分别为矩形箱体内沿宽、高、长方向的半驻波个数；μ、ε分别为箱内介质的磁导率和介电常数（H/m、F/m）。

2 仿真模型的建立

建立金属箱体屏蔽效能的仿真分析模型，基本步骤主要包括求解类型的选择、三维箱体模型的建立、仿真求解设置、数据后处理[12-13]，其详细设置如下：

1）由于仿真分析电磁场衰减程度（屏蔽效能），所以解类型选用模式驱动形式。

2）创建金属箱体模型，以常见金属机箱作为案例建模，矩形箱体的宽、高、长分别为w×h×l=200 mm×300 mm×300 mm，箱体在宽度面的几何中心处开设10 mm×60 mm 的矩形孔，箱体几何中心设在坐标原点处，材质为Q235 碳素钢。

3）为更好地模拟金属箱体的屏蔽效能，此处激励选择内置的偶极子天线，设置在坐标原点处，沿Y轴正方向极化，场强为1 V/m。

4）设置边界条件，为得到唯一确定的解，同时确保模型的完整性，需要在箱体以外空间建立吸收边界条件，将箱体包裹，以模拟开放的自由空间。

5）网格划分时，采用自适应网格剖分技术，可根据设置误差标准，精确、有效地生成网格，实现分析对象的离散化。为得到更精细的网格，此处设置求解频率为1 GHz，最大迭代次数10 次，收敛精度0.01。

6）对于求解设置，为分析箱体对各电磁波频率下的屏蔽效能，设置离散扫频，起始频率设为0.02 GHz，终止频率为1 GHz，步长为0.01 GHz。

7）求解方法依据屏蔽效能3 米法测量的方式，引用屏蔽效能的求解函数dB（Sphere 3 meters）,依据前文屏蔽效能的计算公式（1），求解得出箱体各种设置条件下的屏蔽效能SE 值。

图2 为金属箱体仿真模型。

图2 金属箱体仿真模型

3 金属箱体的屏蔽效能分析

结合电磁学理论及式（3）的分析可知，屏蔽效能与箱体材质、孔缝结构、箱体内外介质及电磁波频率有关，下面分析改变箱体材质、壁厚、孔缝结构及箱体双层屏蔽对SE 值的影响。

3.1 箱体不同材质对屏蔽效能的影响

选取箱体及屏柜设计中常用的Q235 碳素钢、普通铝板、304 不锈钢作为仿真分析对象，比较得到屏蔽效能随频率的曲线，如图3 所示。

图3 不同材质下屏蔽效能对比曲线

由图3可以发现，随着材料的变化，箱体的屏蔽效能变化较小，因此在一般情况下，电磁屏蔽最重要的是保证箱体导电的连续性，而金属材质并不是影响屏蔽效能的关键因素，同时已有研究表明，200 mm×300 mm×300 mm 尺寸的金属腔体约在710 MHz 谐振频率下，屏蔽效能最差[14-15]，亦可通过式（4）推导计算。在该谐振频率下，金属箱体屏蔽效能衰减明显，有时甚至会出现负值情况。

3.2 箱体不同板厚对屏蔽效能的影响

分析不同板厚对箱体屏蔽效能的影响，研究选取箱体材质为Q235、箱体缝隙面积为10 mm×60 mm（孔不变），分别对板厚为2 mm、4 mm、6 mm 的箱体进行仿真分析，比较得到屏蔽效能随频率的曲线，如图4 所示。

由图4 可以发现，随着板厚的变化，箱体的屏蔽效能变化同样较小，每增加2 mm，屏蔽效能提升1 dB左右。但屏蔽效能随板厚增加而提升的趋势明显；同时，板厚的变化致使谐振频率发生小范围偏移，但也并非板厚越大越好，本例谐振频率在4 mm 板厚时的屏蔽效能明显优于其他两种板厚。

图4 不同板厚下屏蔽效能对比曲线

3.3 箱体不同孔缝结构形式对屏蔽效能的影响

针对金属箱体上不同孔缝形状对屏蔽效能的影响，已有研究表明，在相同孔缝面积下，正多边形孔缝的屏蔽效能优于矩形孔缝的屏蔽效能，而圆形孔缝又优于正多边形[16-18]。基于上述的研究，文中分析相同孔缝面积条件下，不同圆形孔征数对屏蔽效能的影响。分析设3 组：第一组为原10 mm×60 mm 的矩形孔缝；第二组为9 孔方阵，单孔半径约4.61 mm，孔距20 mm；第三组为16 孔阵，单孔半径为3.46 mm，孔距10 mm。上述孔阵均以矩形孔缝中心布置。

依据上述条件仿真分析，比较得到屏蔽效能随频率变化的曲线，如图5 所示。

图5 不同孔缝下屏蔽效能对比曲线

由图5 可以发现，在相同孔缝面积下，圆形孔阵的屏蔽效能比原矩形孔有显著提升，相同频率下屏蔽效能提升20～28 dB；随着孔征数量的增加，屏蔽效能同样得到提升，在相同频率下，16 孔阵较9 孔阵的屏蔽效能提升2～3 dB。

3.4 双层箱体结构对屏蔽效能的影响

针对电磁兼容性要求较高的场合，单层屏蔽往往难以满足要求，为此，下面分析双层箱体对屏蔽效能的影响。在原模型箱体外包裹一层同材质的箱体，其缝隙的尺寸(10 mm×60 mm)和位置与原箱体相同，外层箱体与原箱体外框保持20 mm 间隙。依据上述条件仿真分析，比较得到屏蔽效能随频率的变化曲线，如图6 所示。

图6 单、双层箱体屏蔽效能对比曲线

基于经济性考虑，在实际结构设计中，常采取箱体+柜体的双层屏蔽形式，为此，下面分析将箱体装进柜体时对屏蔽效能的影响。设置柜体宽、高、长分别为w×h×l=700 mm×1 200 mm×800 mm，箱体置于柜体集合中心；设置柜门与侧封板之间的缝隙为1.5 mm，缝隙深度为10 mm；除柜体前后门及左右侧缝板缝隙外，其他泄露暂不做考虑，屏蔽效能随频率的变化曲线如图7 所示。

图7 箱体设置柜体前后的屏蔽效能对比曲线

由图6和图7可以发现，双层箱体屏蔽效能较单层箱体有明显提升，同频率下屏蔽效能提升约16～21 dB，单箱体+柜体结构的屏蔽效能较单层箱体有所提升，均值约在10 dB 以内。因此，在屏蔽设计时，将需要屏蔽的设备单独设置在一个屏蔽仓，由此可以极大提高屏蔽效能，提升设备的电磁兼容性。值得注意的是，由于谐振具有多模特性，因此屏蔽效能不再随频率单调变化，需要考虑双层屏蔽层间电磁波谐振对屏蔽效能的影响。

4 结论

在阐述电磁屏蔽效能及计算方法的同时，分析了金属板电磁屏蔽的机理。运用三维电磁仿真分析软件计算了金属箱体在各种工况下的屏蔽效能，系统全面地分析了工程中多种常见的金属箱体结构形式对屏蔽效能的影响，得出了以下一般性结论：

1）普通碳钢、铝板、不锈钢材质对屏蔽效能影响不大，为此，机柜、箱体设计时可根据实际工况选择适宜材质。

2）单方面增加金属板厚对屏蔽效能的提升并不明显，同时需注意板厚的增加对谐振频率的影响。

3）为提升屏蔽效能，通过改变孔缝结构的形式来实现，这不失为一种较好的选择，在相同缝隙面积的前提下，尽量设置圆形孔阵，并增加开孔数量，可以显著提升屏蔽效能。

4）为提升屏蔽效能，亦可采取双层屏蔽的方式，在箱体内设置屏蔽分仓，将干扰源与敏感源隔离，可极大提高产品的电磁兼容性，但设计时需要关注谐振频率的变化。

5）由于实际设计中柜体上不可避免的缝隙较多，通过柜体提升屏蔽效能并不特别显著，因此对于进出线缆及柜体缝隙较多的系统，慎重使用机柜级屏蔽方案。