CN111259521B - 一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统。所述方法首先获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据并建立有孔矩形金属腔体模型；对有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波并导出该平面波在真空中的波数和波长；选取有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；从而根据实测数据、预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及测点的电场屏蔽效能确定矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。本发明方法采用计算机仿真与简单的计算相结合，能够快速方便地得到所研究矩形金属腔体屏蔽盒的开孔阻抗参数，并且适用于带任意形状的开孔的矩形金属腔体屏蔽盒。

Description

一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统

技术领域

本发明涉及电磁骚扰抑制技术领域，特别是涉及一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统。

背景技术

依靠金属腔体进行屏蔽，是抑制电磁骚扰常用的技术手段之一。在实际应用中，小到各种电力电子设备，大到各类试验场所等，都常以金属腔体作为屏蔽，隔绝外界的电磁骚扰。但事实上，大多数金属腔体屏蔽盒都会出于通讯、通风、散热等需求而带有若干开孔。开孔的存在为金属腔体内外的电磁场提供了耦合的途径，从而大大削弱了金属腔体的屏蔽性能。所以，对于开孔的研究具有重要的工程和社会意义。

Robinson于1996年提出的有孔矩形金属腔体等效传输线模型是研究带孔金属腔体屏蔽性能的重要理论，该理论运用等效传输线原理来研究有孔矩形金属腔体屏蔽效能的特性。一般而言，由开孔耦合进入腔体中的能量要远远多于穿过腔体壁进入其中的能量，因此可以认为腔体壁的电导率足够高而只需考虑耦合的能量。图1为现有技术中Robinson提出的带孔矩形金属腔体模型示意图，图2为带孔矩形金属腔体模型的开孔中轴线示意图，图3为带孔矩形金属腔体模型的等效电路图。Robinson通过将腔体壁上的开孔等效为共面带状线，通过计算得到其等效阻抗，同时将矩形金属腔体外壳除含孔面以外的其余部分视为一段终端短路的波导，由此根据传输线理论得到等效电路，如图3所示。图1、图2中P点位于金属腔体内部正对开孔的开孔中轴线上，其距离带孔面的距离为p。图3所示的等效电路中，V₀为电磁平面波等效后波阻抗与电源， Z₀为真空波阻抗，约等于377欧姆。基于此等效电路，可以使与屏蔽相关的计算问题得以简化，大大提高分析效率。此过程关键在于带孔金属腔体上开孔阻抗Z_ap的计算公式：

其中，如图1和图2所示，a，c，b分别是金属腔体的长，宽，高。l，w分别是开孔的长与宽。k₀为真空中电磁波的波数。Z_0s是将开孔等效为共面带状线时的特征阻抗。w_e是开孔在电磁波耦合进入金属腔体过程中的有效宽度。t是金属腔体壁的厚度。j为虚数单位。

然而，以上解析公式(1)-(3)只适用于矩形开孔，因此在考察带其他形状的开孔的金属腔体的屏蔽效能时，比如评估带圆形孔、十字形孔、不规则开孔等的金属腔体的屏蔽效能时，则不能通过以上解析公式(1)-(3)计算得到开孔阻抗，也就无法得到其等效电路。如果能够得到不同形状开孔的等效阻抗，那么运用等效电路分析金属腔体屏蔽盒这一方法的适用范围将大为扩展。因此，提出一种简单有效的开孔等效阻抗的提取方法很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统，以解决现有的带孔金属腔体上开孔阻抗计算方法只适用于矩形开孔，应用局限性大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，所述方法包括：

获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长、宽、高以及腔体壁厚度；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置；

根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；

对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；

选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；

根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

可选的，所述对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长，具体包括：

对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率为f_n的平面波，并导出所述预设频率为f_n的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n；其中1MHz≤f_n≤1GHz。

可选的，所述选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能，具体包括：

选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度 E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

可选的，所述根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗，具体包括：

根据所述实测数据以及所述波长λ_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波阻抗Z_gn；其中Z₀为真空波阻抗；a为所述矩形金属腔体屏蔽盒的长；

根据所述实测数据、所述波长λ_0n以及所述波数k_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn；

根据所述波阻抗Z_gn和所述波数k_gn，采用公式 A_n＝jZ_gntan[k_gn(c-p)]确定频率为f_n时的第一系数A_n；其中j为虚数单位；c为所述矩形金属腔体屏蔽盒的宽；p为所述测点P距离带孔面的距离；

根据所述第一系数A_n，采用公式

确定频率为f_n时的第二系数B_n；其中θ为相角；

根据所述第二系数B_n，采用公式

确定频率为f_n时的第三系数C_n；其中符号Im[]表示取虚部；

在相角θ∈[-π,π]范围内，找到使方程

成立的4个B_n的值；

在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数 B_0n；

根据所述阻抗计算系数B_0n，采用公式

确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn。

可选的，所述在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n，具体包括：

判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中B_n-1是频率为f_n-1时的第二系数； 1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，所述系统包括：

实测数据获取模块用于获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长、宽、高以及腔体壁厚度；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置；

腔体模型建立模块，用于根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；

波数波长导出模块，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；

电场屏蔽效能计算模块，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；

开孔等效阻抗计算模块，用于根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

可选的，所述波数波长导出模块具体包括：

波数波长导出单元，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率为f_n的平面波，并导出所述预设频率为f_n的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n；其中1MHz≤f_n≤1GHz。

可选的，所述电场屏蔽效能计算模块具体包括：

测点选取单元，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

电场强度提取单元，用于在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

电场屏蔽效能计算单元，用于根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为 f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

可选的，所述开孔等效阻抗计算模块具体包括：

波阻抗计算单元，用于根据所述实测数据以及所述波长λ_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波阻抗Z_gn；其中Z₀为真空波阻抗；a为所述矩形金属腔体屏蔽盒的长；

波数计算单元，用于根据所述实测数据、所述波长λ_0n以及所述波数k_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn；

第一系数计算单元，用于根据所述波阻抗Z_gn和所述波数k_gn，采用公式 A_n＝jZ_gntan[k_gn(c-p)]确定频率为f_n时的第一系数A_n；其中j为虚数单位；c为所述矩形金属腔体屏蔽盒的宽；p为所述测点P距离带孔面的距离；

第二系数计算单元，用于根据所述第一系数A_n，采用公式

确定频率为f_n时的第二系数B_n；其中θ为相角；

第三系数计算单元，用于根据所述第二系数B_n，采用公式

确定频率为f_n时的第三系数C_n；其中符号Im[]表示取虚部；

候选值获取单元，用于在相角θ∈[-π,π]范围内，找到使方程

成立的4个B_n的值；

阻抗计算系数筛选单元，用于在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n；

开孔等效阻抗计算单元，用于根据所述阻抗计算系数B_0n，采用公式

确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn。

可选的，所述阻抗计算系数筛选单元具体包括：

预设频率判断单元，用于判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

第一阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率 f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

第二阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率 f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中 B_n-₁是频率为f_n-1时的第二系数；1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统，所述方法首先获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；从而根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。本发明方法采用计算机仿真与简单的计算相结合，能够快速方便地得到所研究矩形金属腔体屏蔽盒的开孔阻抗参数，并且适用于带任意形状的开孔的矩形金属腔体屏蔽盒，避免了针对不同开孔形状分类讨论才能提出分别的计算方法进行开孔阻抗计算的问题，扩展了运用等效电路分析金属腔体屏蔽盒这一方法的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中Robinson提出的带孔矩形金属腔体模型示意图；

图2为带孔矩形金属腔体模型的开孔中轴线示意图；

图3为带孔矩形金属腔体模型的等效电路图；

图4为本发明提供的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的采用本发明方法计算的开孔等效阻抗模值曲线与误差曲线图；其中图5(a)为1MHz-1GHz范围内采用本发明方法计算的开孔等效阻抗Z_apn模值随频率变化的曲线图，图5(b)为1MHz-1GHz范围内采用本发明方法计算的开孔等效阻抗Z_apn模值与实际测量的开孔等效阻抗的误差曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法及系统，以解决现有的带孔金属腔体上开孔阻抗计算方法只适用于矩形开孔，应用局限性大的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图4为本发明提供的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法的流程图。参见图4，本发明提供的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法具体包括：

步骤401：获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据。

本发明首先获取矩形金属腔体屏蔽盒(简称金属腔体)的实测数据，所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长a、宽c、高b以及腔体壁厚度t；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置。其中所述开孔的几何尺寸以开孔形状而定，若为矩形开孔，则测量所述矩形开孔的长l与宽w，以及矩形开孔中心在壁板上的位置；若为圆形开孔，则其几何尺寸为圆形开孔的半径，同时测量圆形开孔中心在壁板上的位置等等。

步骤402：根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型。

然后采用计算机，在全波仿真软件中对所研究矩形金属腔体屏蔽盒依据实测数据(包括金属腔体的长、宽、高、腔体壁厚度以及开孔的几何尺寸、开孔中心在壁板上的位置)建立所研究矩形金属腔体屏蔽盒的有孔矩形金属腔体模型(以矩形开孔为例，所得模型同图1、图2)，并在全波仿真软件中设置未开孔处媒质为理想导体(电导率为无穷大)，其余为自由空间。

由于真实金属腔体屏蔽盒均由高电导率材料(比如铝)来制作，在仿真中可视为理想导体，用以加快仿真速度；至于金属腔体屏蔽盒所处的环境，可视为自由空间，以简化问题。

步骤403：对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长。

在全波仿真软件中对所述有孔矩形金属腔体模型(简称金属腔体模型)施加垂直入射开孔所在面的平面波，频率f_n设置为1MHz-1GHz，并导出频率f_n对应的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n。

步骤404：选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能。

选取金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P，可参考图2，比如选取开孔中心线上前、后壁距离的二分之一处的点作为测点P，测量得到测点P距离带孔面的距离p。

通过软件仿真计算提取测点P的电场屏蔽效能S_E(以dB为单位)，具体操作为：在频率范围为1MHz≤f_n≤1GHz的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度大小E₀与加上屏蔽盒时的电场强度大小E，则通过公式

可得到该频率范围内的电场屏蔽效能(随频率变化而变化)。

因此，所述步骤404选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能，具体包括：

选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度 E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

步骤405：根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

已知电场屏蔽效能S_En，使用计算机执行相应计算，可以自动得到步骤403 设置的频率f_n范围内，不同频率电磁波照射下，所研究矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn，Z_apn的值随频率f_n变化而变化。

所述步骤405中利用计算机计算开孔等效阻抗Z_apn的过程，需要从频率 f_n＝1MHz开始，按频率递增顺序，重复执行以下步骤：

步骤5.1：利用步骤401中实测模型的长a与电磁平面波在当前计算频率f_n下真空中的波数k_0n与波长λ_0n作为输入，计算金属腔体外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn与波阻抗Z_gn：

其中，k_0n与λ_0n分别为步骤403中所施加电磁波在当前计算频率f_n下在真空中传播的波数与波长，其存在关系k_0n＝2π/λ_0n，可由软件直接给出。Z₀为真空波阻抗，约等于377欧姆。a为金属腔体的长(见图1、图2)。

步骤5.2：计算系数A_n、B_n：

A_n＝jZ_gntan[k_gn(c-p)] (6)

其中，c为金属腔体的宽(见图1、图2)。p为步骤404中所选取测点P距离带孔面的距离。S_En为步骤404中得到的电场屏蔽效能。θ为相角，在本发明中也是一个角度变量，单位弧度，取值在步骤5.4中进行说明。j为虚数单位。A_n表示频率为f_n时的第一系数；B_n是频率为f_n时的第二系数。

步骤5.3：使用步骤5.2得到的第二系数B_n输入到下列公式，计算第三系数C_n：

其中，j表示虚数单位。符号Im[]表示取虚部。

步骤5.4：在相角θ∈[-π,π]范围内，改变步骤5.2中θ的值，找到使以下方程成立的4个B_n的值：

步骤5.5：在步骤5.4中得到的4个B_n的值中，按当前计算的频率值f_n，分两种情况，筛选出同时满足下列筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数 B_0n：

若当前计算频率f_n是1MHz，那么需满足以下筛选条件：(1)B_n的实部非负；(2)B_n的虚部非负；(3)在满足(1)、(2)的前提下，B_n的相角θ最接近90度。

若当前计算频率f_n大于1MHz，那么需满足以下筛选条件：(1)B_n的实部非负；(2)B_n的实部与前一频率f_n-1下得到的B_n-1的差值，此差值与当前频率下的B_n的虚部的乘积为非负。

即，判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中B_n-1是频率为f_n-1时的第二系数；f_n-1为f_n的前一频率，1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

步骤5.6：将选出的唯一阻抗计算系数B_0n，输入到下列公式中，得到仿真所用金属腔体模型对应的矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn：

下面采用一个具体的实施例说明本发明矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法的具体应用过程：

步骤1：现有一带孔矩形金属腔体屏蔽盒，结合图1，其数据为：金属腔体的长a＝0.2m，金属腔体的宽c＝0.1m，金属腔体的高b＝0.1m。金属腔体壁的厚度t＝0.001m。矩形开孔的长l＝0.05m、宽w＝0.01m。开孔位于面板中央，呈几何对称。

步骤2：采用计算机，在全波仿真软件中对所研究矩形金属腔体屏蔽盒依据实测数据建立有孔矩形金属腔体模型，并设置未开孔处媒质为理想导体，其余为自由空间；

步骤3：在软件中施加垂直入射开孔所在面的平面波，频率f_n设置为 1MHz-1GHz，并导出平面波在真空中的波数k_0n，波长λ_0n。

步骤4：选取金属腔体内部正对开孔的开孔中心线上1/2处作为测点P(参考图2)，得到测点P距离带孔面的距离p0.05m。通过CST(电磁仿真分析) 软件仿真计算提取测点P的电场屏蔽效能S_E(以dB为单位)，具体操作为：在频率范围为1MHz-1GHz的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度大小E₀与加上屏蔽盒时的电场强度大小E，则通过公式

可得到该频率范围内的电场屏蔽效能(随频率f_n变化而变化)；

以相邻两采样频率，f₁＝1MHz与f₂＝11.3MHz为例。f₁＝1MHz下平面波在真空中的波数k₀₁＝0.0209，波长λ₀₁＝300m，屏蔽效能S_E1＝91.6694； f₂＝11.3MHz下平面波在真空中的波数k₀₂＝0.2366，波长λ₀₂＝26.5511m，屏蔽效能S_E2＝70.5997。

步骤5：已知电场屏蔽效能S_E，使用计算机执行相应计算，自动得到步骤 4设置的频率范围内，不同频率电磁波照射下，所研究矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn(随频率f_n变化而变化)。

所述步骤5中利用计算机计算开孔等效阻抗的过程，需要从频率1MHz 开始，按频率递增顺序，重复执行以下步骤。这里仅以f₁＝1MHz与f₂＝11.3MHz 为例详细说明计算过程：

步骤501：利用步骤1中实测模型的长a与电磁平面波在真空中的波数k_0n与波长λ_0n作为输入，计算金属腔体外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn与波阻抗Z_gn：

其中，k_0n与λ_0n分别为步骤3中所施加电磁波在真空中传播的波数与波长，真空波阻抗Z₀＝377Ω。自由金属腔体的长a＝0.2m。得到1MHz下 Z_g1＝-j0.754Ω，k_g1＝j10.472；11.3MHz下Z_g2＝-j8.5216Ω， k_g2＝j10.4693。

步骤502：计算系数A_n、B_n：

A_n＝jZ_gntan[k_gn(c-p)] (6)

其中，c＝0.1m为金属腔体的宽(见图1)。p＝0.05m为步骤4中所选取测点P距离带孔面的距离。S_E为步骤4中得到的电场屏蔽效能。θ为一角度变量，单位弧度。

步骤503：使用步骤502得到的第二系数B_n输入到下列公式，计算第三系数C_n：

其中，j表示虚数单位。符号Im[]表示取虚部。

步骤504：在相角θ∈[-π,π]范围内，改变步骤502中θ的值，找到使以下方程成立的4个B_n的值：

f₁＝1MHz下得到4个B₁的值分别为：

-0.0001+j0.0255，0.0000+j0.0255，0.0001-j0.0239，0.0000-j0.0239；

f₂＝11.3MHz下得到的4个B₂的值分别为：

-0.0009+j0.2886，0.0000+j0.2886，0.0008-j0.2702，0.0000-j0.2702。

步骤505：在步骤504中得到的4个B_n的值中，按当前计算的频率值f_n，分两种情况，筛选出同时满足下列条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n。

若当前计算频率f₁是1MHz，那么需满足(1)B₁的实部非负；(2)B₁的虚部非负；(3)在满足(1)、(2)的前提下，B₁的相角最接近90度。得到B₀₁＝j0.0255。

若当前计算频率f₂大于1MHz，那么需满足(1)B₂的实部非负；(2)B₂的实部与前一频率f₁(即1MHz)下得到的B₁的差值，此差值与当前频率下的B₂的虚部的乘积为非负；得到B₀₂＝j0.2886。

步骤506：将选出的唯一阻抗计算系数B_0n，输入到下列公式中，得到仿真所用模型对应的矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn：

得到1MHz下Z_ap1＝j0.0255Ω，11.3MHz下Z_ap2＝j0.2886Ω。

图5(a)给出1MHz-1GHz范围内采用本发明方法计算的开孔等效阻抗 Z_apn模值随频率变化的曲线，其横坐标为频率，纵坐标为开孔等效阻抗模值；图5(b)给出1MHz-1GHz范围内采用本发明方法计算的开孔等效阻抗Z_apn模值与实际测量的开孔等效阻抗的误差曲线，其横坐标为频率，纵坐标为误差值。可以看出除了在0.9794GHz外，采用本发明方法计算的开孔等效阻抗Z_apn模值与实际测量的开孔等效阻抗的计算误差均小于1％，证明了采用本发明方法计算的开孔等效阻抗Z_apn具有极高的准确率。

本发明提供的一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，采用计算机仿真与简单的计算相结合，能够快速方便地得到所研究矩形金属腔体屏蔽盒的开孔阻抗参数，适用于带任意形状的开孔的矩形金属腔体屏蔽盒，避免了针对不同开孔形状分类讨论才能提出分别的计算方法。并且在步骤404仿真计算中，只需计算某一频率下的电场屏蔽效能，所需的时间非常短，如采用电磁场仿真CST软件，一分钟即可得到仿真结果；步骤405给出的计算过程时间甚至可以忽略不计，因此采用本发明方法能够以较短的时间处理带任意形状的开孔的矩形金属腔体屏蔽盒，效率极佳。

基于本发明所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，本发明还提供一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，所述系统包括：

实测数据获取模块用于获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长、宽、高以及腔体壁厚度；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置；

腔体模型建立模块，用于根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；

波数波长导出模块，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；

电场屏蔽效能计算模块，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；

开孔等效阻抗计算模块，用于根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

其中，所述波数波长导出模块具体包括：

波数波长导出单元，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率为f_n的平面波，并导出所述预设频率为f_n的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n；其中1MHz≤f_n≤1GHz。

所述电场屏蔽效能计算模块具体包括：

测点选取单元，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

电场强度提取单元，用于在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

电场屏蔽效能计算单元，用于根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为 f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

所述开孔等效阻抗计算模块具体包括：

波阻抗计算单元，用于根据所述实测数据以及所述波长λ_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波阻抗Z_gn；其中Z₀为真空波阻抗；a为所述矩形金属腔体屏蔽盒的长；

波数计算单元，用于根据所述实测数据、所述波长λ_0n以及所述波数k_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn；

第一系数计算单元，用于根据所述波阻抗Z_gn和所述波数k_gn，采用公式 A_n＝jZ_gntan[k_gn(c-p)]确定频率为f_n时的第一系数A_n；其中j为虚数单位；c为所述矩形金属腔体屏蔽盒的宽；p为所述测点P距离带孔面的距离；

第二系数计算单元，用于根据所述第一系数A_n，采用公式

确定频率为f_n时的第二系数B_n；其中θ为相角；

第三系数计算单元，用于根据所述第二系数B_n，采用公式

确定频率为f_n时的第三系数C_n；其中符号Im[]表示取虚部；

候选值获取单元，用于在相角θ∈[-π,π]范围内，找到使方程

成立的4个B_n的值；

阻抗计算系数筛选单元，用于在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n；

开孔等效阻抗计算单元，用于根据所述阻抗计算系数B_0n，采用公式

确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn。

所述阻抗计算系数筛选单元具体包括：

预设频率判断单元，用于判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

第一阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率 f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

第二阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率 f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中 B_n-₁是频率为f_n-1时的第二系数；1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，其特征在于，所述方法包括：

获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长、宽、高以及腔体壁厚度；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置；

根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；

对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；

选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；

根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

2.根据权利要求1所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，其特征在于，所述对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长，具体包括：

对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率为f_n的平面波，并导出所述预设频率为f_n的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n；其中1MHz≤f_n≤1GHz。

3.根据权利要求2所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，其特征在于，所述选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能，具体包括：

选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

4.根据权利要求3所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取方法，其特征在于，所述根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗，具体包括：

根据所述实测数据以及所述波长λ_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波阻抗Z_gn；其中Z₀为真空波阻抗；a为所述矩形金属腔体屏蔽盒的长；

根据所述实测数据、所述波长λ_0n以及所述波数k_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn；

根据所述波阻抗Z_gn和所述波数k_gn，采用公式A_n＝jZ_gn tan[k_gn(c-p)]确定频率为f_n时的第一系数A_n；其中j为虚数单位；c为所述矩形金属腔体屏蔽盒的宽；p为所述测点P距离带孔面的距离；

根据所述第一系数A_n，采用公式

确定频率为f_n时的第二系数B_n；其中θ为相角；

根据所述第二系数B_n，采用公式

确定频率为f_n时的第三系数C_n；其中符号Im[]表示取虚部；

在相角θ∈[-π,π]范围内，找到使方程

成立的4个B_n的值；

在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n；

根据所述阻抗计算系数B_0n，采用公式

确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn；

所述在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n，具体包括：

判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

若所述第一判断结果为所述预设频率f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中B_n-1是频率为f_n-1时的第二系数；1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

5.一种矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，其特征在于，所述系统包括：

实测数据获取模块用于获取矩形金属腔体屏蔽盒的实测数据；所述实测数据包括屏蔽盒实测数据以及开孔实测数据；所述屏蔽盒实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒的长、宽、高以及腔体壁厚度；所述开孔实测数据包括所述矩形金属腔体屏蔽盒上开孔的几何尺寸以及开孔中心在壁板上的位置；

腔体模型建立模块，用于根据所述实测数据建立有孔矩形金属腔体模型；

波数波长导出模块，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率的平面波，并导出所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长；

电场屏蔽效能计算模块，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点，计算提取所述测点的电场屏蔽效能；

开孔等效阻抗计算模块，用于根据所述实测数据、所述预设频率的平面波在真空中的波数和波长以及所述测点的电场屏蔽效能确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗。

6.根据权利要求5所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，其特征在于，所述波数波长导出模块具体包括：

波数波长导出单元，用于对所述有孔矩形金属腔体模型施加垂直入射开孔所在面的预设频率为f_n的平面波，并导出所述预设频率为f_n的平面波在真空中的波数k_0n和波长λ_0n；其中1MHz≤f_n≤1GHz。

7.根据权利要求6所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，其特征在于，所述电场屏蔽效能计算模块具体包括：

测点选取单元，用于选取所述有孔矩形金属腔体模型内部正对开孔的开孔中心线上任一点作为测点P；

电场强度提取单元，用于在频率为f_n的电磁波照射下，提取测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n；

电场屏蔽效能计算单元，用于根据所述测点P处未加屏蔽盒时的电场强度E_0n与加上屏蔽盒时的电场强度E_n，通过公式

确定频率为f_n时所述测点P的电场屏蔽效能S_En。

8.根据权利要求7所述的矩形金属腔体屏蔽盒上开孔等效阻抗提取系统，其特征在于，所述开孔等效阻抗计算模块具体包括：

波阻抗计算单元，用于根据所述实测数据以及所述波长λ_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波阻抗Z_gn；其中Z₀为真空波阻抗；a为所述矩形金属腔体屏蔽盒的长；

波数计算单元，用于根据所述实测数据、所述波长λ_0n以及所述波数k_0n，采用公式

确定将所述矩形金属腔体屏蔽盒外壳除含孔面以外的其余部分等效为一段终端短路的波导的波数k_gn；

第一系数计算单元，用于根据所述波阻抗Z_gn和所述波数k_gn，采用公式A_n＝jZ_gn tan[k_gn(c-p)]确定频率为f_n时的第一系数A_n；其中j为虚数单位；c为所述矩形金属腔体屏蔽盒的宽；p为所述测点P距离带孔面的距离；

第二系数计算单元，用于根据所述第一系数A_n，采用公式

确定频率为f_n时的第二系数B_n；其中θ为相角；

第三系数计算单元，用于根据所述第二系数B_n，采用公式

确定频率为f_n时的第三系数C_n；其中符号Im[]表示取虚部；

候选值获取单元，用于在相角θ∈[-π,π]范围内，找到使方程

成立的4个B_n的值；

阻抗计算系数筛选单元，用于在所述4个B_n的值中筛选出满足筛选条件的唯一B_n值作为阻抗计算系数B_0n；

开孔等效阻抗计算单元，用于根据所述阻抗计算系数B_0n，采用公式

确定所述矩形金属腔体屏蔽盒的开孔等效阻抗Z_apn；

所述阻抗计算系数筛选单元具体包括：

预设频率判断单元，用于判断所述预设频率f_n是否等于1MHz，获得第一判断结果；

第一阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率f_n等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第一联立方程组

且B_n对应的相角θ最接近90度的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中符号Re[]表示取实部；

第二阻抗计算系数筛选子单元，用于若所述第一判断结果为所述预设频率f_n不等于1MHz，在所述4个B_n的值中筛选出满足第二联立方程组

的唯一B_n值作为所述阻抗计算系数B_0n；其中B_n-1是频率为f_n-1时的第二系数；1MHz≤f_n-1≤1GHz且f_n-1＜f_n。

Images