CN105183939A - 基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法；其步骤包括构建等效单孔模型，构建等效电路模型，计算等效单孔阻抗并代替孔阵阻抗及计算带孔阵腔体屏蔽效能。本发明通过构建等效单孔模型，在保证仿真精度的前提下降低了建模复杂度，显著减少了网格数量，提高了仿真效率，简化了带孔阵复杂腔体的建模过程，大幅度的提高了等效电路方法在计算带孔阵腔体屏蔽效能时的精度，实现带孔阵腔体屏蔽效能的快速计算，使电磁兼容和散热的协同设计成为可能，有效提高了产品的设计周期。

Description

基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法

技术领域

本发明属于电子设备电磁兼容特性技术领域，尤其涉及一种基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法。

背景技术

电磁屏蔽用于阻挡电磁能量的传输，是抑制电磁干扰、防止能量泄漏的重要手段。由于输入/输出，控制面板及通风散热等需要，屏蔽腔体上通常会存在各种形状和尺寸的孔及孔阵。这些孔在适当的电磁频率下，会成为高效的辐射天线，并成为EMI(ElectromagneticInterference)问题的干扰源，是影响腔体屏蔽特性的关键因素。

解析方法和数值方法可用于带孔腔体屏蔽效能的计算。解析方法计算速度快，结果较准，但只能用于简单腔体。解析方法中，Bethe提出的小孔衍射理论将无限大零厚度平面上的小孔看成是电偶极子和磁偶极子的组合，Mendez对其理论进行了改进，但只适用于低频范围。近年来等效电路方法得到广泛关注，在计算单孔腔体的屏蔽效能时具有很高的精度及效率，但处理孔阵时误差较大。数值方法包括矩量法、有限元法、时域有限差分法、传输线矩阵法等，广泛用于宽频带上带孔阵复杂腔体的屏蔽效能计算，但是需要牺牲大量的内存及计算时间。在对带孔阵腔体屏蔽效能进行数值计算时，由于组成孔阵的小孔数量众多且与腔体总体尺寸相差很大，导致腔体模型的网格数量巨大，特别是在大型复杂腔体(如机舱)的电磁特性分析中，往往由于存在大量小孔而导致整机的仿真无法进行。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中孔阵建模困难及等效电路方法在计算带孔阵腔体屏蔽效能精度不高等问题，本发明提出了一种基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，包括以下步骤：

A、根据带孔阵腔体的孔阵参数构建等效单孔模型；

B、根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型；

C、计算步骤A中构建的等效单孔模型中等效单孔的阻抗，并代替孔阵的阻抗；

D、根据步骤B中构建的等效电路模型计算带孔阵腔体的屏蔽效能。

进一步地，所述步骤A根据带孔阵腔体的孔阵参数构建等效单孔模型，具体包括以下分步骤：

A1、根据带孔阵腔体中孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比，构建与孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比相同的单孔模型；

A2、根据孔阵中小孔的数量参数计算孔阵缩放比例，再将单孔模型的长宽尺寸按照孔阵缩放比例进行缩放，构建等效单孔模型。

进一步地，所述孔阵缩放比例的计算公式，具体为：

k＝1.283×n^-0.1407-0.2829

其中，k为缩放比例，n为组成孔阵的小孔数量。

进一步地，所述步骤B根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型，具体为：将等效单孔等效成共面的带状传输线，将带孔阵腔体等效成终端短路的波导。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过构建等效单孔模型，在保证仿真精度的前提下降低了建模复杂度，显著减少了网格数量，提高了仿真效率，简化了带孔阵复杂腔体的建模过程；

(2)本发明构建的等效单孔模型，大幅度的提高了等效电路方法在计算带孔阵腔体屏蔽效能时的精度；与孔阵导纳模型对比，可以不受小孔形状及孔阵形式的限制；与广义模矩量法(GMMOM)及专业的电磁仿真软件CST的结果对比，可以在保持计算精度的前提下减少计算时间提高仿真效率，实现带孔阵腔体屏蔽效能的快速计算；

(3)本发明的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法具有快速性和准确性的特定，使电磁兼容和散热的协同设计成为可能，有效提高了产品的设计周期。

附图说明

图1是本发明的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法流程示意图。

图2-a是孔阵等效前带孔阵腔体内的电场分布结构示意图。

图2-b是孔阵等效后带孔阵腔体内的电场分布结构示意图。

图3-a是孔阵等效前的网格结构示意图。

图3-b是孔阵等效后的网格结构示意图。

图4-a是现有的孔阵模型结构示意图。

图4-b是等效单孔模型结构示意图。

图4-c是等效单孔模型的等效电路模型结构示意图。

图5-a是本发明实施例的孔阵模型结构示意图。

图5-b是本发明实施例的孔阵等效单孔模型结构示意图。

图5-c是本发明与现有技术的计算结果对比示意图。

图6-a是本发明与GMMOM方法的计算结果对比示意图。

图6-b是本发明与电磁仿真软件CST的计算结果对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法流程示意图。本发明的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，包括以下步骤：

A、根据带孔阵腔体的孔阵参数构建等效单孔模型；

B、根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型；

C、计算步骤A中构建的等效单孔模型中等效单孔的阻抗，并代替孔阵的阻抗；

D、根据步骤B中构建的等效电路模型计算带孔阵腔体的屏蔽效能。

在步骤A中，由于在对带孔阵腔体的电磁屏蔽特性进行研究时，发现同面积下带孔阵腔体屏蔽效能高于单孔，且孔阵的小孔数量越多(尺寸越小)，腔体的屏蔽效能越高；其次，在腔体第4个主谐振点频率以下，随着孔数量的增多，屏蔽效能只是幅值的提高，而谐振点不受影响；而产生这种现象的原因主要是小孔的尺寸效应。如图2-a所示，为孔阵等效前带孔阵腔体内的电场分布结构示意图。如图2-b所示，为孔阵等效后带孔阵腔体内的电场分布结构示意图。本发明在对带孔阵腔体的电磁屏蔽特性进行数值计算时，为了减少模型网格数量并降低孔阵建模复杂度，提出一种孔阵等效单孔建模方法，具体包括以下分步骤：

A1、根据带孔阵腔体中孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比，构建与孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比相同的单孔模型；

A2、根据孔阵中小孔的数量参数计算孔阵缩放比例，再将单孔模型的长宽尺寸按照孔阵缩放比例进行缩放，构建等效单孔模型。

如图4-a所示，为现有的孔阵模型结构示意图；其中，a,b,c分别为带孔阵腔体机箱长、高、宽尺寸，x,y分别为组成孔阵的小孔长宽尺寸，p为监测点P距离前面板的距离。这里的单孔面积与孔阵面积相同，单孔长宽比与组成孔阵的小孔长宽比相同，与孔阵的外包络形状无关。

如图5-a所示，为本发明实施例的孔阵模型结构示意图，机箱尺寸为300mm×120mm×300mm，单孔直径为12mm，水平间距为23mm，垂直间距为20mm，孔数量为20，孔阵中心位于机箱面板的中心位置。构建与孔阵同面积的单孔模型，通过计算得到单孔的直径为53.666mm，并保持单孔中心位置与孔阵中心位置相同。

在步骤A2中，孔阵缩放比例的计算公式，具体为：

k＝1.283×n^-0 _. ¹⁴⁰⁷-0.2829

其中，k为缩放比例，n为组成孔阵的小孔数量，1.283、0.1407及0.2829为根据大量仿真实验数据拟合得到的数据。本发明的孔阵缩放比例计算公式适应性好，精确度高。

根据组成孔阵的小孔数量结合孔阵缩放比例的计算公式即可计算得到孔阵缩放比例。再对步骤A中构建的单孔模型的长宽尺寸根据孔阵缩放比例进行等比例缩放，从而构建孔阵的等效单孔模型。如图4-b所示，为等效单孔模型结构示意图，l,w分别为等效单孔的长宽尺寸。构建孔阵的等效单孔模型，根据孔阵缩放比例的计算公式计算得到孔阵的缩放比例为0.5588，对同面积的等效单孔进行缩放，得到孔阵等效单孔的直径为30mm，如图5-b所示，为本发明实施例的孔阵等效单孔模型结构示意图。

本发明所构建的等效单孔模型，可以直接用于电磁场的仿真软件(如CST、HFSS、FEKO等)计算，即将等效单孔模型导入电磁学仿真软件中计算带孔阵腔体内部监测点的屏蔽效能，可以在保证等效前后腔体场分布相同的前提下，大幅度的降低网格数量，提高计算效率。

在步骤C中，具体为：

C1、根据步骤B中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型；

C2、计算等效单孔的阻抗，并代替孔阵的阻抗；

C3、计算带孔阵腔体的屏蔽效能。

在步骤B中，根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型，具体为将矩形机箱等效成一端短路的波导，等效单孔等效成共面的带状传输线。如图4-c所示，为等效单孔模型的等效电路模型结构示意图。

在步骤C中，计算等效单孔的阻抗的过程具体为：

孔缝的有效宽度w_e为

$w_e=w-\frac{5t}{4\mathrm{\π}}(1+ln\frac{4\mathrm{\π}w}{t})$

其中，w为等效单孔宽度，t为带孔阵腔体机箱厚度。

根据特性阻抗计算公式，可得屏蔽体特性阻抗Z_os为

$Z_{os}=120{\mathrm{\π}}^2{\[ln\left(2\frac{1+\sqrt[4]{1-{(w_e/b)}^2}}{1-\sqrt[4]{1-{(w_e/b)}^2}}\right)\]}^{-1}$

根据传输线理论可以计算得到孔缝的特性阻抗Z_ap为

$Z_{ap}=\frac{1}{2}\frac{l}{a}{\mathrm{jZ}}_{0s}tan\frac{k_{0}l}{2}$

其中，j为复数单位，k₀＝2π/λ，k₀为自由空间的传输常数，λ为自由空间中电磁波波长，l为单孔的长度，a为屏蔽体长度。

将计算得到的等效单孔的阻抗代替孔阵的阻抗，突破了小孔形状及孔阵形式的限制，提高了等效电路方法在计算带孔阵腔体屏蔽效能时的精度，减少计算时间提高仿真效率。

在步骤D中，根据戴维宁定理，分别计算有无机箱时，监测点处的电压值，并利用屏蔽效能计算公式来计算得到监测点处的屏蔽效能值。屏蔽效能SE的计算公式具体为：

$SE=-20{\log }_{10}\left|\frac{v_p}{v_p^{\′}}\right|=-20{\log }_{10}\left|\frac{2v_p}{v_0}\right|$

其中，v_p为监测点P的电压值，v'_p为没有屏蔽机箱时P点的电压值，v₀为辐射源的电压值。

如图5-c所示，为本发明与现有技术的计算结果对比示意图，即利用等效电路方法计算带孔腔体的屏蔽效能，其结果与等效电路原模型、孔阵导纳模型及实验测试的对比结果。可以发现，本发明与孔阵导纳模型及实验测试结果非常的相近，而原来的等效电路方法由于只是将小孔阻抗线性相加，没有考虑小孔的尺寸效应及孔间耦合作用，导致计算结果与实验测试的结果相差较大。值得注意的是，孔阵导纳模型只能处理圆形孔和正方形孔正交或60°交叉排列的孔阵，且没有将机箱厚度的影响考虑进去，而本发明的方法可以处理任意的小孔形状及孔阵形式问题，并且考虑了机箱厚度的影响，应用范围更广。

本发明还进行了与广义模矩量法(GMMOM)及专业的电磁仿真软件CST求解结果的对比，如图6-a所示，为本发明与GMMOM方法的计算结果对比示意图。如图6-b所示，为本发明与电磁仿真软件CST的计算结果对比示意图。可以发现，利用本发明的计算方法的求解结果与GMMOM及CST的计算结果非常接近，而计算时间却相差很大，如表1所示。

表1.本发明与GMMOM及CST计算时间比较表

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据带孔阵腔体的孔阵参数构建等效单孔模型；

B、根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型；

C、计算步骤A中构建的等效单孔模型中等效单孔的阻抗，并代替孔阵的阻抗；

D、根据步骤B中构建的等效电路模型计算带孔阵腔体的屏蔽效能。

2.如权利要求1所述的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，其特征在于，所述步骤A根据带孔阵腔体的孔阵参数构建等效单孔模型，具体包括以下分步骤：

A1、根据带孔阵腔体中孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比，构建与孔阵面积及组成孔阵的小孔长宽比相同的单孔模型；

A2、根据孔阵中小孔的数量参数计算孔阵缩放比例，再将单孔模型的长宽尺寸按照孔阵缩放比例进行缩放，构建等效单孔模型。

3.如权利要求2所述的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，其特征在于，所述孔阵缩放比例的计算公式，具体为：

k＝1.283×n^-0.1407-0.2829

其中，k为缩放比例，n为组成孔阵的小孔数量。

4.如权利要求1所述的基于等效电路的带孔阵腔体屏蔽效能计算方法，其特征在于，所述步骤B根据步骤A中构建的等效单孔模型构建其等效电路模型，具体为：将等效单孔等效成共面的带状传输线，将带孔阵腔体等效成终端短路的波导。