CN104573244A - 一种基于peec的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机箱电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，目的是克服现有技术中具有辐射效应的“有源结构”在机箱内部空间中产生二次辐射，具有较强的辐射作用，应用传统的简化方法便无法正确反映该结构的辐射效应对场强的贡献，而目前尚未有处理这种结构的方法问题该基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，通过建立连接附件的等效偶极子模型，在简化连接件针脚等微小结构的基础上，还能准确描述连接附件的辐射效应，使机箱电磁兼容性分析模型更为准确；在原始技术简化机箱电磁模型的基础上，通过引入连接附件的简化方法，进一步简化机箱电磁兼容数值模型，减少网格划分数目，缩短计算时间。

Description

一种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法

技术领域

本发明属于机箱电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法。

背景技术

近年来发展起来的电磁场仿真分析和预测技术是机箱电磁兼容设计的基础，可使研发人员在设计初期就预测机箱电磁兼容特性，从而指导设计。

电子设备通过在缝隙处安装导电橡胶、采用液冷代替风冷散热孔等措施，较好解决屏蔽层电连续性问题后，机箱屏效得到提高。但连接附件作为系统中电子、电气设备的互连结构，是引入电磁干扰的又一个途径，导致放置于屏蔽机箱内的分系统自身满足电磁兼容性要求，但在进行互连之后就出现很多问题。机箱屏效仿真技术是机箱电磁兼容性分析的重要组成部分，其前提是准确建立电子设备机箱的电磁兼容仿真模型，此时就必须充分考虑影响影响机箱屏效的各个因素，如：微扰结构、通风孔洞、缝隙、导电橡胶和连接附件等，并对其进行准确建模。而完全考虑这些因素后，由于微小结构众多，必然会导致电磁仿真模型网格数目急剧增多，使模型变得复杂，造成计算量的增加，甚至由于计算机资源的限制而无法完成仿真分析工作。所以就有必要分析不同类型结构在屏效建模中的特性，研究在保证机箱谐振频点偏移量满足工程精度要求下的模型简化方法。

前人虽然在屏蔽机箱电磁兼容模型简化方面做了很多工作，但他们的工作都有一个特点：简化结构皆为“无源结构”(结构本身不产生电磁辐射或辐射贡献极小)，例如：腔体微扰、介质微扰以及加强筋都仅具有结构功能，因其存在对腔体内电场影响小而被简化.

但针对具有辐射效应的“有源结构”，例如连接附件，由于其结构贯穿机箱内外空间，从而成为电磁干扰耦合传导的路径，在机箱内部空间中产生二次辐射，具有较强的辐射作用。应用传统的简化方法便无法正确反映该结构的辐射效应对场强的贡献，而目前尚未有处理这种结构的方法。

所以应当从连接附件影响机箱电磁兼容特性的原理出发，提出新的建模简化方法，在实现简化数值仿真模型，有效降低模型复杂度的同时还能准确描述其电磁效应。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中具有辐射效应的“有源结构”在机箱内部空间中产生二次辐射，具有较强的辐射作用，应用传统的简化方法便无法正确反映该结构的辐射效应对场强的贡献，而目前尚未有处理这种结构的方法问题。

为此，本发明提供了一种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域；

步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型；

步骤103、通过步骤102分别建立连接附件和机箱主体电磁兼容性分析数值模型后，组合完整机箱电磁仿真模型，组合的原理为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{ni}}^m\⇔P_{\mathrm{mni}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}}{I}_{\mathrm{mni}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{mni}}{\hat{k}}_{\mathrm{mni}},(m=\mathrm{1,2}...M;n=\mathrm{1,2}...N;i=\mathrm{1,2}...Q)\\ Z_{\mathrm{ni}}^m(x,y,z)=P_{\mathrm{mni}}(x,y,z)\\ {\hat{k}}_{\mathrm{mni}}={\hat{Z}}_{\mathrm{ni}}^m\end{array}\right.$

满足条件：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{W2}=P_{W1}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}40{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{L_{\mathrm{mni}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2{I}_{\mathrm{mni}}^2\\ L_{\mathrm{mn}1}>{\mathrm{\λ}}_{\min }/10\end{array}\right.(m=\mathrm{1,2}...M;n=\mathrm{1,2}...N;i=\mathrm{1,2}...Q)$

其中为m连接件第n个针脚i线元，P_mni为其等效偶极子偶极矩，Q为内露针脚和线缆线单元划分个数，l_mni为m接件第n个针脚i线元长度，I_mni为该单元电流值，为单元指向，ω为电磁波角频率，λ_min为最高频率所对应的最小波长，P_W1和P_W2分别是等效前后的外部辐射源电磁波总能量；

步骤104、应用矩量法对完整模型进行计算，求解其机箱电磁屏蔽效能等特性；

上述的步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域，所述机箱主体包括外部零件、机箱内微小结构、缝隙、导电橡胶；所述连接附件包括连接件和互联线缆。

上述的步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型，包括如下步骤：

步骤201、将连接附件按照其位置分成两部分，位于机箱中的连接件、内部线缆和位于机箱外部空间的外露线缆；

步骤202、采用解析方式对外露线缆求解其在已知外部电磁波照射下的感生电流和等效阻抗，并构建其等效激励源；

步骤203、应用部分元等效电路法对内露线缆和连接件进行建模，提取其等效电路模型；

步骤204、将步骤202所求感生电流作为激励施加于步骤203内部线缆和连接件的等效电路模型计算，得连接件针脚和内露线缆电流，求解其在已知外部电磁波照射下的等效偶极子偶极矩，公式为：

$P_{\mathrm{mni}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}}{I}_{\mathrm{mni}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{mni}}{\hat{k}}_{\mathrm{mni}},$

并依照能量守恒原理求解对连接附件进行等效建模后的外部辐射源能量，公式为：

$P_{W2}=P_{W1}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}40{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{L_{\mathrm{mni}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2{I}_{\mathrm{mni}}^2$

步骤205、将机箱主体影响电磁兼容性建模的结构按其影响机理分成四个部分，外部结构件、机箱内微小金属结构、加强筋、缝隙和导电橡胶；

步骤206：针对机箱外部结构件，如减振器、安装定位孔等，采用外部结构件的处理方法进行简化；

步骤207：针对机箱内的微小金属结构，基于电磁微扰理论，在保证简化前后机箱谐振频率偏移量在误差允许范围之内，进行处理，简化准则为其中Δv机箱内部空间因微小结构而改变的体积，V为机箱原始体积，ξ为误差常数工程中一般取0＜ξ＜0.01；

步骤208：对机箱接触缝隙和导电橡胶进行转移阻抗等效建模，保证等效前后泄漏能量与原始模型的泄漏能量相等；等效后的转移阻抗必须满足其中Z_r2为等效后的归一化转移阻抗，Z_r1为原始模型的归一化转移阻抗，h₂、h₁分别为等效前后的缝隙宽度；

步骤209：应用微扰理论的二维面积公式对机箱加强筋进行简化建模，简化准则为其中Δω是机箱谐振频率的偏移量，ΔS为加强筋横截面积，S为与加强筋垂直的机箱壁面积。

上述的步骤202、针对外露线缆，也可采用数值求解，构建其等效激励源。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，通过建立连接附件的等效偶极子模型，在简化连接件针脚等微小结构的基础上，还能准确描述连接附件的辐射效应，使机箱电磁兼容性分析模型更为准确；在原始技术简化机箱电磁模型的基础上，通过引入连接附件的简化方法，进一步简化机箱电磁兼容数值模型，减少网格划分数目，缩短计算时间。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是含连接附件机箱屏效建模流程图。

图2是连接附件PEEC建模流程图。

图3是连接附件在机箱电磁兼容性分析中的等效建模示意图。

图4是本发明使用的含连接附件机箱结构示意图。

图5是本发明实施例中干扰电磁波辐射源示意图。

图6是本发明实施例中机箱屏效计算结果曲线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

一种如图1所示的，基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，包括如下步骤：

步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域；

步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型；

步骤103、通过步骤102分别建立连接附件和机箱主体电磁兼容性分析数值模型后，组合完整机箱电磁仿真模型，组合的原理为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{ni}}^m\⇔P_{\mathrm{mni}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}}{I}_{\mathrm{mni}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{mni}}{\hat{k}}_{\mathrm{mni}},(m=\mathrm{1,2}...M;n=\mathrm{1,2}...N;i=\mathrm{1,2}...Q)\\ Z_{\mathrm{ni}}^m(x,y,z)=P_{\mathrm{mni}}(x,y,z)\\ {\hat{k}}_{\mathrm{mni}}={\hat{Z}}_{\mathrm{ni}}^m\end{array}\right.$

满足条件：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{W2}=P_{W1}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}40{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{L_{\mathrm{mni}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2{I}_{\mathrm{mni}}^2\\ L_{\mathrm{mn}1}>{\mathrm{\λ}}_{\min }/10\end{array}\right.(m=\mathrm{1,2}...M;n=\mathrm{1,2}...N;i=\mathrm{1,2}...Q)$

其中为m连接件第n个针脚i线元，P_mni为其等效偶极子偶极矩，Q为内露针脚和线缆线单元划分个数，l_mni为m接件第n个针脚i线元长度，I_mni为该单元电流值，为单元指向，ω为电磁波角频率，λ_min为最高频率所对应的最小波长，P_W1和P_W2分别是等效前后的外部辐射源电磁波总能量；

步骤104、应用矩量法对完整模型进行计算，求解其机箱电磁屏蔽效能等特性；

上述的步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域，所述机箱主体包括外部零件、机箱内微小结构、缝隙、导电橡胶；所述连接附件包括连接件和互联线缆。

如图2、图3所示，上述的步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型，包括如下步骤：

步骤201、将连接附件按照其位置分成两部分，位于机箱中的连接件、内部线缆和位于机箱外部空间的外露线缆；

步骤202、采用解析方式对外露线缆求解其在已知外部电磁波照射下的感生电流和等效阻抗，并构建其等效激励源；

步骤203、应用部分元等效电路法(PEEC)对内露线缆和连接件进行建模，提取其等效电路模型；

步骤204、将步骤202所求感生电流作为激励施加于步骤203内部线缆和连接件的等效电路模型计算，得连接件针脚和内露线缆电流，求解其在已知外部电磁波照射下的等效偶极子偶极矩，公式为：

$P_{\mathrm{mni}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}}{I}_{\mathrm{mni}}{\mathrm{dl}}_{\mathrm{mni}}{\hat{k}}_{\mathrm{mni}},$

并依照能量守恒原理求解对连接附件进行等效建模后的外部辐射源能量，公式为：

$P_{W2}=P_{W1}-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}40{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{L_{\mathrm{mni}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2{I}_{\mathrm{mni}}^2$

步骤205、将机箱主体影响电磁兼容性建模的结构按其影响机理分成四个部分，外部结构件、机箱内微小金属结构、加强筋、缝隙和导电橡胶；

步骤206：针对机箱外部结构件，如减振器、安装定位孔等，采用外部结构件的处理方法进行简化；

步骤207：针对机箱内的微小金属结构，基于电磁微扰理论，在保证简化前后机箱谐振频率偏移量在误差允许范围之内，进行处理，简化准则为其中Δv机箱内部空间因微小结构而改变的体积，V为机箱原始体积，ξ为误差常数工程中一般取0＜ξ＜0.01；

步骤208：对机箱接触缝隙和导电橡胶进行转移阻抗等效建模，保证等效前后泄漏能量与原始模型的泄漏能量相等；等效后的转移阻抗必须满足其中Z_r2为等效后的归一化转移阻抗，Z_r1为原始模型的归一化转移阻抗，h₂、h₁分别为等效前后的缝隙宽度；

步骤209：应用微扰理论的二维面积公式对机箱加强筋进行简化建模，简化准则为其中Δω是机箱谐振频率的偏移量，ΔS为加强筋横截面积，S为与加强筋垂直的机箱壁面积。

上述的步骤202、针对外露线缆，还可采用数值求解，构建其等效激励源。

实施例2：

1.仿真对象

选取如图4所示机箱模型进行电磁屏效仿真，其中外形结构参数为L×W×H＝400mm×312mm×325mm，线缆直径为1mm，其中位于屏蔽箱体内部Ω₁的线缆长度为l₁＝10mm，屏蔽箱体外部Ω₂的线缆长度为l₂＝490mm。国防军工以及航天电子产品中常见的GJB599系列7芯插头JY2476T11F99P-H位于前面板中心位置，导电铜芯直径为1.1mm。10mm×10mm×10mm金属微扰结构位于如图所示一角，加强筋宽度c＝10mm，厚度为5mm，通风孔阵位于如图4所示位置距离两边皆为25mm，为直径4mm间隔2mm的6*6圆孔阵列构成。观察点P(100,150,85)位于箱体内部空间Ω₁中偏右下侧。外部干扰电磁波采用偶极子辐射源产生如图5所示，其中辐射源位置为(252,604,200)，角θ为-45°，角为45°，干扰源偶极矩为1Am。

2.仿真结果

1)通过解析公式结合PEEC对连接附件进行建模，在上述外部干扰电磁波辐射场作用下，计算得7芯插头JY2476T11F99P-H位于机箱内针脚电流幅值即等效偶极子电流幅值，等效偶极子I_mndl_mn1如表1所示，由于针脚众多和包含10个分析频点，所以此处仅列出800MHz谐振点针脚电流幅值。

表1 7芯插头接头各针脚电流幅值

针脚编号	针脚电流值/A	等效偶极子Imndlmn1/Am
			1	1.6650E-02	1.6650E-01
2	9.7217E-04	9.7217E-03
			3	8.9204E-04	8.9204E-03
4	1.0516E-03	1.0516E-02
			5	1.0097E-03	1.0097E-02
6	1.01480E-03	1.01480E-02

7

9.9698E-04

9.9698E-03

2)机箱屏效计算结果如图6所示。

3)表2为采用本文方法与传统完整建模方法的机箱数值模型网格划分和数目和计算机资源消耗对比。

表2 多芯连接件不同建模方法所用计算机资源

	三角形单元	线单元	四面体	计算时间	内存
						完整建模方法	1688	34	63	352.7S	49.551M
等效方法	1532	14	0	281.9S	37.496M

由表2数据的对比分析可知，对于含单芯连接件KFD220以及贯穿线缆的机箱采用等效偶极子简化建模方法网格总数减少13.39％，计算时间提高20.07％，内存占用为减少14.3％。可见本文方法应用于含多芯连接件机箱时，可简化机箱数值模型，可减少计算机资源消耗，提高仿真效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PEEC的含连接附件机箱电磁屏效仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域；

步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型；

步骤103、通过步骤102分别建立连接附件和机箱主体电磁兼容性分析数值模型后，组合完整机箱电磁仿真模型，组合的原理为：

满足条件：

其中为m连接件第n个针脚i线元，P_mni为其等效偶极子偶极矩，Q为内露针脚和线缆线单元划分个数，l_mni为m接件第n个针脚i线元长度，I_mni为该单元电流值，为单元指向，ω为电磁波角频率，λ_min为最高频率所对应的最小波长，P_W1和P_W2分别是等效前后的外部辐射源电磁波总能量；

步骤104、应用矩量法对完整模型进行计算，求解其机箱电磁屏蔽效能等特性。

2.如权利要求1所述的步骤101、将含连接附件机箱分成机箱主体和连接附件两个子域，其特征在于：所述机箱主体包括外部零件、机箱内微小结构、缝隙、导电橡胶；所述连接附件包括连接件和互联线缆。

3.如权利要求1所述的步骤102、针对不同子域和对象，基于其在电 磁兼容性分析中的特性，采用不同的建模简化方法，建立起各个部分的电磁仿真数值模型，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201、将连接附件按照其位置分成两部分，位于机箱中的连接件、内部线缆和位于机箱外部空间的外露线缆；

步骤202、采用解析方式对外露线缆求解其在已知外部电磁波照射下的感生电流和等效阻抗，并构建其等效激励源；

步骤203、应用部分元等效电路法对内露线缆和连接件进行建模，提取其等效电路模型；

步骤204、将步骤202所求感生电流作为激励施加于步骤203内部线缆和连接件的等效电路模型计算，得连接件针脚和内露线缆电流，求解其在已知外部电磁波照射下的等效偶极子偶极矩，公式为：

并依照能量守恒原理求解对连接附件进行等效建模后的外部辐射源能量，公式为：

步骤205、将机箱主体影响电磁兼容性建模的结构按其影响机理分成四个部分，外部结构件、机箱内微小金属结构、加强筋、缝隙和导电橡胶；

步骤206：针对机箱外部结构件，如减振器、安装定位孔等，采用外部结构件的处理方法进行简化；

步骤207：针对机箱内的微小金属结构，基于电磁微扰理论，在保证简化前后机箱谐振频率偏移量在误差允许范围之内，进行处理，简化准则为 其中Δv机箱内部空间因微小结构而改变的体积，V为机箱原始体积，ξ为误差常数工程中一般取0＜ξ＜0.01；

步骤208：对机箱接触缝隙和导电橡胶进行转移阻抗等效建模，保证等效前后泄漏能量与原始模型的泄漏能量相等；等效后的转移阻抗必须满足 其中Z_r2为等效后的归一化转移阻抗，Z_r1为原始模型的归一化转移阻抗，h₂、h₁分别为等效前后的缝隙宽度；

步骤209：应用微扰理论的二维面积公式对机箱加强筋进行简化建模，简化准则为其中Δω是机箱谐振频率的偏移量，ΔS为加强筋横截面积，S为与加强筋垂直的机箱壁面积。

4.如权利要求3所述的步骤202、针对外露线缆，其特征在于：还可采用数值求解，构建其等效激励源。