CN107255755A - 一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型 - Google Patents
一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于电磁屏蔽技术领域的一种快速计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型。首先将开孔矩形屏蔽体内部的区域划分为小孔区、偶极区、波导区，在不同的区域分别建立解析模型，各区域解析模型分别为：小孔区采用带开孔的无限大金属板等效、偶极区采用偶极辐射模型近似、波导区采用波导模式进行等效。利用上述解析模型可以计算出开孔矩形屏蔽体内部的场分布，进而得出电磁场屏蔽效能，通过与全波仿真的结果进行比较，验证该解析模型的正确性。本发明物理意义清晰，不仅计算速度快、效率高，而且能够得较为准确的描述开孔腔体内部各个分区的场分布规律，对进一步研究开孔屏蔽体内部场分布具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于电磁屏蔽技术领域，特别涉及一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型。
背景技术
电磁屏蔽是抑制电磁干扰的主要技术措施之一，应用范围广泛，常见的方法为将金属腔体应用于设备的外壳，以隔离骚扰源和敏感设备，达到电磁屏蔽的目的。完全封闭的金属腔体具有很好的电磁屏蔽效能，但是在实际应用中，出于散热、通风等的考虑和技术水平的限制，腔体上不可避免地存在着开孔和缝隙，使得屏蔽效能下降，因此，开孔腔体的电磁场屏蔽效能问题是电磁兼容领域的研究热点。
目前关于开孔屏蔽体屏蔽效能的研究主要集中在腔体中部，很少关注开孔附近的屏蔽效能。目前开孔屏蔽体屏蔽效能的计算方法主要有解析理论和数值计算两类，解析理论有已提出的如Bethe小孔耦合理论和等效电路法等，但这些方法只在腔体内部某一部分计算结果较为准确，不适用于整个腔体内部电磁屏蔽效能的计算。而数值方法虽然适用范围广，计算精度高，得到的结果准确，但计算速度慢、时间长，需要装备专业软件，所以发展计算效率高、结果准确，物理意义清晰的解析模型具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型，其特征在于，计算平面波垂直于小孔表面入射时，开孔中心轴线上的屏蔽体内部的场分布，将开孔屏蔽体内部空间分解为三个区域：围绕开孔附近的小孔区、靠近屏蔽体背板的波导区、以及小孔区和波导区之间的偶极区，各个区域的场分布模型分别为：小孔区采用带开孔的无限大金属平板模型替代、偶极区采用偶极辐射模型近似、波导区采用波导模式场分布等效。对开孔屏蔽体内部进行分区，各个区域建立场分布计算模型，主要包括：
主要包括：
1)小孔区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面1倍直径内的场分布可以等效成无限大金属板附近的场分布，故运用计算无限大金属板开孔附近场分布的方法建立的计算模型如下：
磁场：在平面波垂直于小孔表面入射的条件下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的磁场强度为：
其中H1为当无限大金属板上没有开孔时金属板入射波侧的磁场切向分量，数值上等于入射平面波磁场沿y轴分量H0的两倍，R为小孔的半径，z为观测点到小孔中心的距离；ey指的是y轴的单位矢量
电场：在平面波的垂直入射下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的电场强度为：
其中E0为入射平面波沿x轴分量的电场强度，λ为波长，ρ2＝R2+z2，k为波数，ex指的是x轴的单位矢量、ejkρ指的是e的jkρ次方，j为虚数单位，efks指的是e的jkz次方；
2)偶极区：开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面倍小孔直径的范围内的电磁场，依据Bethe小孔耦合理论，并结合上述模型及入射平面波的性质，用位于开孔中心的磁偶极矩m的激发场来描述，m则由入射平面波决定，
m＝-αmyH0，yey (3)
式中，H0，y为入射磁场HO在开孔面切向的y分量，极化系数αm与开孔的形状、尺寸有关，对于直径为dc的圆形孔的极化系数表达式为
由此得出磁偶极矩：
式中，E0为入射电场沿x轴分量的振幅，η0为自由空间波阻抗，η0＝377。
可以得到在偶极区，开孔中心轴线上的磁场强度为：
电场强度为：
式中，SI=2m，为波数，z为观测点到孔的距离；
3)波导区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面4倍直径之后的范围内，根据传输线波导理论，将开孔金属腔体看成到开孔金属板距离为d的金属板短路的传输线，由此可得开孔面中心轴线上的电场强度和磁场强度分别为：
E＝C1sinkg(d-z)ex (8)
H＝C2coskg(d-z)ey (9)
由于偶极区与波导区有一部分区域是重叠的，这部分区域用偶极区计算方法算出的电磁场强度与波导区计算方法算出的相同，因此利用这一点，当z在距小孔倍直径内取值时，令z＝z1，联立得到
解得
综上，在波导区，开孔面中心轴线上的电场强度为
磁场强度为
其中，E0为入射平面波沿x轴分量的电场强度振幅，dc为圆形开孔的直径，λ为波长，z为观测点到孔的距离，z1在距小孔3～4倍直径内取值，a为开孔屏蔽体的高度，kg为传播常数，为波数，η0为自由空间波阻抗，η0＝377。C1、C2为计算过程设定的两个未知数；
至此，已给出了计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的全套方程，按惯例，腔内任一点处的电场屏蔽效能定义为
SE＝20log(E0/E) (17)
式中，E0为入射平面波沿x轴方向的电场强度振幅，E为腔内任一点沿x轴方向的电场强度振幅；
腔内任一点处的磁场屏蔽效能定义为：
SH＝20log(H0/H) (18)
式中，H0为入射平面波沿y轴方向的磁场强度振幅，H为腔内任一点沿y轴方向的磁场强度振幅。
本发明的有益效果是本发明物理意义清晰，具有计算速度快，计算效率高的特点，并且可以准确地描述开孔矩形屏蔽体内部各个分区的场分布规律，为进一步研究开孔腔体内部场分布提供了新思路。
附图说明
图1是带孔矩形屏蔽体示意图。
图2-5开孔屏蔽体内部磁场屏蔽效能随观测点位置变化情况示意图。
图6-9波导区的磁场屏蔽效能的CST计算结果的示意图/
具体实施方式
本发明提出一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型，具体计算平面波垂直于小孔表面入射时，开孔中心轴线上的屏蔽体内部的场分布，将开孔屏蔽体内部的区域划分为小孔区、偶极区、波导区，在不同的区域建立场分布计算模型；以该区域的解析模型对其场分布进行计算；按惯例，
腔内任一点处的电场屏蔽效能定义为
SE＝20log(E0/E)
式中，E0为入射平面波沿x轴方向的电场强度振幅，E为腔内任一点沿x轴方向的电场强度振幅；
腔内任一点处的磁场屏蔽效能定义为：
SH＝20log(H0/H)
式中，H0为入射平面波沿y轴方向的磁场强度振幅，H为腔内任一点沿y轴方向的磁场强度振幅。
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
实施例1，具体实施步骤
步骤1：根据开孔矩形屏蔽体内部到开孔面的距离，可将开孔矩形屏蔽体内部分为三个区域：其中1倍小孔直径内的空间为小孔区；倍小孔直径内的空间为偶极区；4倍小孔直径外的部分为波导区。
步骤2：本优选实施例所用的模型如图1所示，是一个高＝120mm，宽＝300mm，深度＝300mm；开孔半径为r＝10mm，直径为dc＝20mm，材料为理想导体的金属腔体。施加的入射平面波垂直入射并沿x轴极化，且极化电场强度为E0＝1V/m。观测点位于开孔中心轴线上，且观测点在轴线上均匀分布，分别计算在500MHz和1GHz下各个区域的场分布。
步骤3：用公式(1)、(2)计算小孔区的场分布，并将模型数据代入公式，可得在小孔区，开孔中心轴线上的电场强度和磁场强度的值。
步骤4：用公式(3)、(4)、(5)计算得磁偶极矩m，将m和模型数据带入(6)、(7)，求得偶极区开孔中心轴线上的电场强度和磁场强度。
步骤5：将模型数据带入公式(15)、(16)，可计算得到波导区开孔中心轴线上的电场强度和磁场强度。
步骤6：将以上得到的各个区域的电场强度和磁场强度，带入公式(17)、(18)，计算得到腔体开孔中心轴线上的电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能。
步骤7：根据步骤1所述，1倍小孔直径20mm内的空间为小孔区，倍小孔直径内的空间为偶极区，4倍小孔直径80mm外的部分为波导区，将得到的各区域电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能以观测点到开孔中心的距离为横坐标，电场屏蔽效能或磁场屏蔽效能为纵坐标，将各区域电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能画在同一图上，便于比较。
由于波导区的计算公式中的C1、C2是由偶极区的计算公式(6)、(7)与波导区的计算公式(8)、(9)联立求得，其中C1、C2的大小随观测点距开孔的距离而变化，而能联立求解的条件是z在偶极区与波导区重叠的区域内取值，此时令z＝z1，故z1的取值范围为
实施例2：
1GHz和500MHz时，开孔屏蔽体内部磁场屏蔽效能随观测点位置变化的情况如图2、3所示：
实施例3
1GHz和500MHz时，开孔屏蔽体内部电场屏蔽效能随观测点位置变化的情况如图4、5所示：
实施例4
如图6、7所示，1GHz和500MHz时，波导区的磁场屏蔽效能的计算公式中的r取55mm、76mm、85mm时的结果与CST计算结果的示意图。
实施例5
如图8、9所示，1GHz和500MHz时，波导区的电场屏蔽效能的计算公式中的r取55mm、76mm、85mm时的结果与CST计算结果的示意图。
由图可以看出，利用由z1在之间取值得到的波导区计算公式，计算得到的结果与用CST软件计算得到的波导区的电磁屏蔽效能结果一致的比较好，因此z1在之间取值得到的波导区计算公式能较为准确的反映波导区电磁场的变化规律。
综上所述，将开孔屏蔽体内部分为小孔区、偶极区、波导区三个区域，在不同区域建立其场分布解析模型，以该解析模型计算得到的结果与基于全波仿真软件CST的频域求解器得到的结果一致性较好，能准确反映腔体内部电磁场的变化规律，因此该解析模型是合理可行的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型，其特征在于，计算平面波垂直于小孔表面入射时，开孔中心轴线上的屏蔽体内部的场分布，将开孔矩形屏蔽体内部空间分解为三个区域：围绕开孔附近的小孔区、靠近屏蔽体背板的波导区、以及小孔区和波导区之间的偶极区，各个区域的场分布模型分别为：小孔区采用带开孔的无限大金属平板模型替代、偶极区采用偶极辐射模型近似、波导区采用波导模式场分布等效。对开孔屏蔽体内部进行分区，各个区域建立场分布计算模型，主要包括：
1)小孔区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面1倍直径内的场分布可以等效成无限大金属板附近的场分布，故运用计算无限大金属板开孔附近场分布的方法建立的计算模型如下：
磁场：在平面波垂直于小孔表面入射的条件下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的磁场强度为：
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其中H1为当无限大金属板上没有开孔时金属板入射波侧的磁场切向分量，数值上等于入射平面波磁场沿y轴分量H0的两倍，R为小孔的半径，z为观测点到小孔中心的距离；ey指的是y轴的单位矢量
电场：在平面波的垂直入射下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的电场强度为：
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其中E0为入射平面波沿x轴分量的电场强度，λ为波长，ρ2＝R2+z2，k为波数，ex指的是x轴的单位矢量、ejkρ指的是e的jkρ次方，j为虚数单位，ejkz指的是ｅ的jkz次方；
2)偶极区：开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面倍小孔直径的范围内的电磁场，依据Bethe小孔耦合理论，并结合上述模型及入射平面波的性质，用位于开孔中心的磁偶极矩m的激发场来描述，m则由入射平面波决定，
m＝-αmyH0，yey (3)
式中，H0，y为入射磁场H0在开孔面切向的y分量，极化系数αm与开孔的形状、尺寸有关，对于直径为dc的圆形孔的极化系数表达式为
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式中，E0为入射电场沿x轴分量的振幅，η0为自由空间波阻抗，η0＝377。可以得到在偶极区，开孔中心轴线上的磁场强度为：
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1
式中，SI＝2m，为波数，z为观测点到孔的距离；
3)波导区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面4倍直径之后的范围内，根据传输线波导理论，将开孔金属腔体看成到开孔金属板距离为d的金属板短路的传输线，由此可得开孔面中心轴线上的电场强度和磁场强度分别为：
E＝C1sin kg(d-z)ex (8)
H＝C2cos kg(d-z)ey (9)
由于偶极区与波导区有一部分区域是重叠的，这部分区域用偶极区计算方法算出的电磁场强度与波导区计算方法算出的相同，因此利用这一点，当z在距小孔倍直径内取值时，令z＝z1，联立得到
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其中，E0为入射平面波沿x轴分量的电场强度振幅，dc为圆形开孔的直径，λ为波长，z为观测点到孔的距离，z1在距小孔3～4倍直径内取值，a为开孔屏蔽体的高度，kg为传播常数，为波数，η0为自由空间波阻抗，η0＝377。C1、C2为计算过程设定的两个未知数；
至此，已给出了计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的全套方程，按惯例，腔内任一点处的电场屏蔽效能定义为
SE＝20log(E0/E) (17)
式中，E0为入射平面波沿x轴方向的电场强度振幅，E为腔内任一点沿x轴方向的电场强度振幅；
腔内任一点处的磁场屏蔽效能定义为：
SH＝20log(H0/H) (18)
式中，H0为入射平面波沿y轴方向的磁场强度振幅，H为腔内任一点沿y轴方向的磁场强度振幅。
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