CN107194159B - 外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法。其包括将入射平面波的传播矢量分解为三个坐标轴方向的分量,将正入射平面波的电场分解为两个坐标轴方向的分量,计算带孔阵腔体外总场,选择一个小孔计算等效磁流元,计算磁流元在带孔阵腔体内的辐射电场,确定与磁流元的辐射电场系数有关联的磁场强度分量和谐振模式的指数,得到带孔阵腔体的谐振模式和谐振频率完成电磁谐振解析。本发明通过将任意入射和任意极化平面波分解为正入射平面波,并采用磁流元辐射代替小孔透射,实现对任意入射和任意极化平面波激励下带多个孔阵腔体的谐振模式和谐振频率进行预测,具有算法简洁、结果准确、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁谐振解析技术领域,尤其涉及一种外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法。
背景技术
带孔阵腔体常作为电子设备的机箱,其作用是使电子设备在复杂机械环境、热环境以及电磁环境下满足电气性能要求,并具有高的可靠性。然而,随着电磁环境的日益复杂,外界电磁波可透过孔阵对电子设备形成电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。衡量带孔阵腔体电磁屏蔽性能的物理量是屏蔽效能(Shielding Effectiveness,SE),其定义为在无屏蔽体存在和有屏蔽体存在两种情况下,在外部干扰源激励下,屏蔽体内部监测点处的场强之比的分贝值。若作比较的物理量是电场强度幅值,则获得电场屏蔽效能(Electric Shielding Effectiveness,Electric SE),若作比较的物理量是磁场强度幅值,则获得电场屏蔽效能(Magnetic Shielding Effectiveness,Magnetic SE)。
根据谐振腔理论,外部电磁波通过孔阵耦合进入腔体后,会受到腔体壁的反射,当电磁波的频率和腔体的谐振频率相同时,入射波与反射波相互叠加,极大地增强电磁场幅值。谐振的发生极大地降低腔体的屏蔽效能,极易导致敏感元件损坏。因此,带孔阵腔体电磁屏蔽设计时需要重点考虑腔体在外部电磁波干扰下的谐振情况,避免电子元器件的工作频率与腔体的谐振频率接近。电磁谐振的预测方法能够为带孔阵腔体的电磁屏蔽设计提供理论指导。
计算电磁学(Computational Electromagnetics,CEM)方法能够准确预测复杂腔体的谐振情况和屏蔽性能,但必须借助强大的计算机并消耗较长的计算时间。开发简便易用、快速、准确的解析方法对带孔阵腔体的电磁谐振进行预测,能够有效缩短腔体屏蔽设计周期,具有重要的理论价值和实际意义。
Jongjoo Shim和Dong Gun Kam等提出了一种解析方法用于计算带孔阵腔体的屏蔽效能,并能够预测腔体的一部分谐振模式和谐振频率。该方法存在以下问题:
①该方法只能正确预测研究频率范围内腔体的一部分谐振模式和谐振频率,而忽略了另外一些实际存在的谐振模式和谐振频率;
②该方法的重点是基于等效电路法对腔体的屏蔽效能进行计算,没有对谐振的产生原因进行细致的理论分析;
③该方法属于近似方法,屏蔽效能结果不够精确,导致某些谐振模式的疏漏。
Min Li和Joe Nuebel等提出了一种基于时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)的细缝结构模型用于预测带缝隙腔体在内部同轴线激励下谐振模式和谐振频率的预测。此方法在电磁谐振预测领域中具有重要意义,但是还是存在一些不足。
①该方法属于数值方法,需要耗费大量的时间和计算资源;
②该方法主要是用于内部源激励下带缝隙腔体电磁谐振的预测,而不能用于外部平面波激励下带孔阵腔体电磁谐振的预测;
③该方法需要进行建模、网格剖分、施加边界等一系列的前处理工作,实施起来相对比较麻烦。
发明内容
本发明的发明目的是:为了解决现有技术中存在的以上问题,本发明提出了一种能够根据入射电磁波的性质和腔体结构参数解析地对腔体内能够被激励起来的谐振模式和相应的谐振频率进行预测的外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法。
本发明的技术方案是:一种外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法,包括以下步骤:
A、在带孔阵腔体内构建三维坐标系,将入射平面波的传播矢量分解为三个坐标轴方向的分量,得到三组正入射平面波;
B、将步骤A中得到的各组正入射平面波的电场分解为两个坐标轴方向的分量,得到六组平面波;
C、根据步骤B中每组平面波的磁场分布,计算带孔阵腔体外总场;
D、选择带孔阵腔体的孔阵中一个小孔,根据小孔处电场计算该小孔的等效磁流元;
E、根据镜像原理计算步骤D中磁流元在带孔阵腔体内的辐射电场;
F、根据谐振模式系数和等效磁流元方向确定与磁流元的辐射电场系数有关联的磁场强度分量,确定该谐振模式的指数;
G、针对步骤B中得到的六组平面波重复步骤A至步骤F,确定三个坐标轴方向谐振模式的指数,得到带孔阵腔体的谐振模式和谐振频率,完成电磁谐振解析。
进一步地,所述步骤C中带孔阵腔体外总场的计算公式具体为:
进一步地,所述步骤D中小孔的等效磁流元的计算公式具体为:
进一步地,所述步骤E中磁流元在带孔阵腔体内的辐射电场的计算公式具体为:
进一步地,所述步骤F中谐振模式的系数具体表示为:
进一步地,所述步骤F中磁场强度分量具体表示为:
本发明的有益效果是:本发明通过将任意入射和任意极化平面波分解为正入射平面波,并采用磁流元辐射代替小孔透射,从而在平面波正入射条件下对带孔阵腔体电磁谐振进行解析,实现对任意入射和任意极化平面波激励下带多个孔阵腔体的谐振模式和谐振频率进行预测,具有算法简洁、结果准确、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中带孔阵腔体结构示意图。
图3是本发明实施例中入射平面波在直角坐标系的分解示意图。
图4是本发明实施例中对x-z面板正入射平面波预测得到的谐振模式与谐振频率和仿真结果的比较示意图。
图5是本发明实施例中对多孔阵和斜入射平面波预测得到的谐振模式与谐振频率和仿真结果的比较示意图。
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,为本发明的外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法的流程示意图。一种外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法,包括以下步骤:
A、在带孔阵腔体内构建三维坐标系,将入射平面波的传播矢量分解为三个坐标轴方向的分量,得到三组正入射平面波;
B、将步骤A中得到的各组正入射平面波的电场分解为两个坐标轴方向的分量,得到六组平面波;
C、根据步骤B中每组平面波的磁场分布,计算带孔阵腔体外总场;
D、选择带孔阵腔体的孔阵中一个小孔,根据小孔处电场计算该小孔的等效磁流元;
E、根据镜像原理计算步骤D中磁流元在带孔阵腔体内的辐射电场;
F、根据谐振模式系数和等效磁流元方向确定与磁流元的辐射电场系数有关联的磁场强度分量,确定该谐振模式的指数;
G、针对步骤B中得到的六组平面波重复步骤A至步骤F,确定三个坐标轴方向谐振模式的指数,得到带孔阵腔体的谐振模式和谐振频率,完成电磁谐振解析。
如图2所示,为本发明实施例中带孔阵腔体结构示意图。本发明带孔阵腔体内部尺寸为a×b×d,厚度为t,材料为铝;孔阵中小孔的半径均为r,孔间距为h毫米,y-z面板上包含21个小孔,x-z面板上包含27个小孔。坐标原点位于y-z面板的中心点处,屏蔽效能的监测位置为带孔阵腔体正中心,所研究的频率范围为0-2GHz。
如图3所示,为本发明实施例中入射平面波在直角坐标系的分解示意图。外界干扰源发射的电磁波的传播矢量为入射角为φ和θ,电场矢量与θ方向单位矢量的夹角为根据矢量分解技术,平面波的传播矢量和电场矢量都可以分解为沿着三个坐标轴方向的分矢量。
带孔阵腔体中可能存在的谐振频率可按照下式计算:
其中,c为光速,m、n、p为三个坐标轴方向的模式指数。
根据电磁场理论,通过小孔的电磁场可以等效为不存在小孔的条件下小孔中心位置电流元和磁流元的辐射场,其中,电流元和磁流元可分布表示为:
其中,f为入射波频率,ε0和μ0为真空的介电常数和磁导率,αe和αm为小孔的电极化率和磁极化率,En和为不存在孔时孔中心位置的法向电场强度和切向磁场强度,为孔所在平面外法线方向单位矢量,(x0,y0,z0)为孔中心的坐标。
首先,对于斜入射平面波,可根据几何关系将其分解为多个正入射平面波,而在正入射时传播矢量垂直于小孔所在面板,有En=0,因此可只考虑和切向磁场相关联的磁流元的辐射场;其次,可将分解得到的正入射平面波的磁场矢量沿着坐标轴方向进行分解,保证磁场方向沿着坐标轴方向。
为简化推导过程,首先考虑坐标原点处小孔的透射情况。此时入射平面波的电磁场可表示为:
y-z面板上21个孔可分别使用相应的磁流元进行等效,因为所有电流元的方向都一样,因此本发明仅选处于y-z面板正中心处的单孔进行分析,其等效磁流元为:
根据镜像原理,面板的作用使得磁流元强度增大一倍,因此磁流元在腔体内的辐射电场可表示为:
其中,为在z方向的分量,B为常数,b,d为带孔阵腔体尺寸。为了保证式中y和z为零时(n,p)模式的系数An,p不为零,上式中n必须为偶数,而p必须为奇数。因此,不满足该条件的其他模式不会被激励,也就不存在相应的谐振频率。
对于孔阵结构,用于代替每个孔的磁流元方向都一致,因此其所能够激励的谐振模式完全相同,上述推导和分析思路仍然适用。因此,上述推导过程也给出了带孔阵腔体在正入射条件下谐振模式和谐振频率的预测方法。对于斜入射和任意极化平面波,可根据图3中的几何关系将其分解为多个正入射平面波,因此上述方法仍然有效。
下面以具体实施例对本发明的外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法作进一步说明。对于x-z面板正入射的平面波,本发明移除y-z面板上的21个小孔,设置如表1所示相应参数。
表1、带孔阵腔体几何参数和入射平面波参数
此时,电磁波沿-y方向传播,对带孔阵面板形成正入射,其电场沿z方向。由于此时入射平面波的磁场沿着x方向,x-z面板上小孔的等效磁流元也沿着x方向,因此只有的x分量与系数Am,p相关联。而的x分量的表达式为:
其中,C为常数。为了保证上式中x和z为零时(m,p)模式的系数Am,p不为零,上式中m必须为奇数,而p必须为偶数。不满足该条件的其他模式不会被激励,也就不存在相应的谐振频率。可以根据谐振频率计算公式进行验算,当p≥2时腔体的谐振频率大于2GHz,因此在所研究频率范围内腔体谐振模式的指数p=0。因此,所得谐振模式必然为TEy类型,且n必然为非零整数,其实际存在的谐振模式和谐振频率如表2中行1和行3单元所示。
表2、x-z面板正入射条件下预测得到的谐振模式和谐振频率
如图4所示,为本发明实施例中对x-z面板正入射平面波预测得到的谐振模式与谐振频率和仿真结果的比较示意图,即CST微波工作室计算得到的腔体屏蔽效能,可见预测结果与仿真结果吻合良好。
对于多孔阵和斜入射的平面波,本发明同时保留x-z和y-z面板上所有小孔,设置如表3所示相应参数。
表3、带孔阵腔体几何参数和入射平面波参数
其中,C'为常数。因此,上式中m必须为奇数,而p必须为偶数。不满足该条件的其他模式不会被激励,也就不存在相应的谐振频率。
其中,D为常数。为了保证上式中y和z为零时(n,p)模式的系数An,p不为零,上式中n必须为奇数,而p必须为偶数。不满足该条件的其他模式不会被激励,也就不存在相应的谐振频率。
综合以上分析,三个坐标轴方向模式指数的取值需满足以下条件:m和n不能同时为奇数,而p必须为偶数。同样,根据谐振频率计算公式进行验算,当p≥2时腔体的谐振频率大于2GHz,因此在所研究频率范围内腔体谐振模式的指数p=0。因此,所得谐振模式必然为TEx或TEy类型,且m和n必然为非零整数。其实际存在的谐振模式和谐振频率如表5中列1和列3的行1-3,表6中行1和行3单元所示。
表4、多孔阵和斜入射条件下预测得到的TEx类型谐振模式和谐振频率
表5、多孔阵和斜入射条件下预测得到的TEy类型谐振模式和谐振频率
如图5所示,为本发明实施例中对多孔阵和斜入射平面波预测得到的谐振模式与谐振频率和仿真结果的比较示意图,即CST微波工作室计算得到的腔体屏蔽效能,可见预测结果与仿真结果吻合良好。
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 (6)
1.一种外部激励下带孔阵腔体电磁谐振的解析方法,其特征在于,包括以下步骤:
A、在带孔阵腔体内构建三维坐标系,将入射平面波的传播矢量分解为三个坐标轴方向的分量,得到三组正入射平面波;
B、将步骤A中得到的各组正入射平面波的电场分解为两个坐标轴方向的分量,得到六组平面波;
C、根据步骤B中每组平面波的磁场分布,计算带孔阵腔体外总场;所述总场包括电场与磁场;
D、选择带孔阵腔体的孔阵中一个小孔,根据小孔处磁场计算该小孔的等效磁流元;
E、根据镜像原理以及小孔处电场计算步骤D中磁流元在带孔阵腔体内的辐射电场;
F、根据谐振模式系数和等效磁流元方向确定与磁流元的辐射电场系数有关联的磁场强度分量,确定该谐振模式的指数;
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