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1、第一章 前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边空间产生的电磁场电平的不断增长。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注重。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她设备联系在一起时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或减少。电磁兼容的核心技术在于有效地控制电磁干扰。电磁干扰地克制技术是电磁兼容领域地重要课题，克制电磁干扰的措施诸多，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重要有两条，一是通过系统的天线耦
2、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也许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，因此，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的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规定。然而，为适应通风、散热等规定，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，也许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，有助于指引电路和器件的合理布局，使敏感
3、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。Ansoft HFSS软件是应用有限元措施的原理来编制的，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，是实行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畴内，使电磁能量从屏蔽体的一面传播到另一面时受到很大的削弱。1屏蔽效果的表达措施屏蔽体的
4、屏蔽效果一般可以用一下两种措施表达。（1） 传播系数T 传播系数T系指加屏蔽后某一测点的场强和与同一测点未加屏蔽时的场强和之比，即对电场 对磁场 T值愈小，表达屏蔽效果愈好。（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和与同一测点加屏蔽时的场强和之比，当以dB为单位时，对电场 对磁场 屏蔽效能有时也称屏蔽损耗，其值愈大，表达屏蔽效果愈好。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，将电场终结在屏蔽体表面并通过接地泄放表面上的感应电荷，可避免电场耦合。完整的屏蔽体和良好的接地是实现电场屏蔽必须具
5、有的两个条件。（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（涉及直流）磁场的屏蔽，屏蔽体须采用高磁导率材料，从而使磁力线重要集中在由屏蔽体构成的低磁阻磁路内，以避免磁场进入屏蔽空间。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，并且屏蔽材料在被屏蔽磁场内不应处在饱和状态，这就规定屏蔽体的壁具有相称的厚度。对于高频磁场的屏蔽其原理则有所不同，重要运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。因此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
6、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，运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互相耦合。事实上对电磁场而言，电场和磁场不可分割，电场分量和磁场分量总是同步存在的。只是当电流源的频率较低时，在距离电流源不远处（距离远不不小于波长的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合占的份额有所不同。在近场以磁场为主的状况下，可忽视电场分量；反之，近场若以电场为主，磁场分量可忽视。3孔洞和缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响没
7、有任何孔洞和缝隙的持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，必须设立门、通风窗、进线孔等，从而在屏蔽体上形成孔洞和缝隙，导致电磁泄漏，导致屏蔽室的屏蔽效能减少。对孔洞而言，影响其电磁能量泄漏的因素诸多，其中最重要的是孔洞的面积和形状。实验证明，对于某一种固定场源，电磁泄漏随孔洞面积增长而增长，在孔洞面积相似的状况下，矩形孔泄漏不小于圆形孔。有关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导致的反射损耗；其二，当电磁波投入缝隙后，在缝隙内传播时产生的传播损耗。4避免屏蔽
8、体孔缝电磁泄漏的工程措施41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，必须采用电磁密封措施。一般采用由锡磷青铜或铍青铜制成的梳形簧片，可保证门缝在频繁活动的状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规定的场合，还可采用充气推拉门，门缝内外两侧装有簧片和气囊，从而获得比较抱负的电磁密封效果。不同屏蔽规定的屏蔽室，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。42避免通风窗口电磁泄漏的措施为了避免屏蔽室通风窗口导致的电磁泄漏，最重要的是如何合理设计窗的位置、形式和尺寸；此外还可采用如下措施：
9、在应用这些手段时，合理设计其构造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限度等因素有关。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，频率较高时不合用。（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合用于入射频率低于100MHz且屏蔽效能规定不高的场合。但截止波导式通风孔则有广泛的适应性，其屏蔽效能高，工作频段宽，虽然在微波波段仍有较高的屏蔽效能，并且机械强度高，
10、工作稳定可靠。与金属丝网和穿孔金属板相比，截止波导式通风孔长处明显，其缺陷是体积大，成本高。第三章 有限元原理Ansoft HFSS软件是应用有限元措施的原理来编制的，理解有限元措施求解三维开口腔体的场，对于我们灵活、精确地使用Ansoft HFSS软件来仿真孔缝电磁耦合问题可以提供协助。使用有限元法求解电磁场时，有必要引入一种包围该物体的虚构面，将无限的区域截断为有限的体积。为理解的唯一性，在虚构面上需要一种边界条件，且这种边界条件应当使虚构面对外散射场尽量透明。这里边界条件设为吸取边界条件。索末菲辐射条件为 （1）令则(1)式可写成 （2）上式可应用于散射场，为了获得可用于总场的相应吸取条
11、件，我们将代入（2）式，可得 为了简化，可写为其中 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，可得出变分体现式： 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 在腔体壁上，切向电场为零。因此 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持续，即 对腔体内的场，满足等效变分问题为 在腔体壁上其中为了离散F，腔体被划分为许多小的体积单元，选择合适的差值函数，建立方程组，运用边界条件求解方程组，就可得到腔体内的场。第四章 创立项目一、打开HFSS并保存一种新项目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41 HFSS工作
12、界面2打开File选项(alt+F),单击Save as。找到合适的目录，键入项目名 shielding_effect。图42 保存HFSS项目二、加入一种新的HFSS设计1 在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。( 或直接点击图标。)一种新的工程被加入到shielding_effect项目中，默认名为HFSSModeln。 图43 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。图44 更改设计名三、选择一种求解方式1在HFSS菜单上，点击Solutio
13、n Type选项. 2选择源鼓励方式，在Solution Type 对话框中选中Driven Mode项。 图45 选择求解类型 图46 选择源鼓励方式四、设立设计使用的长度单位1在3D Modeler菜单上，点击Units选项. 2选择长度单位，在Set Model Units 对话框中选中cm项。 图45 选择长度单位 图46 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51 通过菜单加入一种Box2输入参数随意用鼠标建立一种长方体模型后，HFSS系统会自动弹出长方体属性对话框。在对话框的Com
14、mand页里输入我们需要的尺寸：图52 设立长方体shielding_box的几何尺寸这里设立长方体的基坐标为(x=15cm,y=6cm,z=15cm); 三边长度：x方向30cm, y方向12cm, z方向30cm。3设立长方体属性单击Attribute项，在Attribute页我们可觉得长方体设立名称、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。设立完毕后，同步按下ctrl和D键(ctrl+D)，将视图调节一下。图53 设立长方体的各项属性 图54 绘出shielding_box后的视窗二、给屏蔽机箱开缝1同1措施画一种长方体，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55所示。图55 设立长方体slot的几何尺寸2给机箱开缝在操作历史树中运用ctrl键先选中shielding_box, 再选中slot；在3D Modeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Subtract项。（或直接点击图标）跳出subtract对话框，点击OK即可。图5
