达索系统SIMULIA获奖论文 | 船舶电子信息系统电磁耦合机理分析

本文研究了混响室(RC)和GTEM室(GC)两种方法对不同孔缝矩形腔体的屏蔽效能(SE)测试结果，并利用计算机仿真软件(CST)与测试数据进行了比较。结果表明，CST仿真的数据与GC测试结果吻合较好，与RC测试数据有一定的差异。五种不同孔缝的矩形腔体的屏蔽效能RC测试结果通常比GC测试的SE大。其原因与RC内部的随机极化和入射角有关，其中各种极化和入射角平均随机耦合到受试目标中。对于GC测试，垂直偏振的正入射通常对应于较恶劣的情况，这导致了腔体的SE较小。令人惊讶的是，我们从带有九个周期矩形的腔体GC测试结果中发现了异常现象。然而，结合前人（Charles F Bunting）的工作，我们觉得这一异常仍然是合理的，因为腔体上的多矩形孔导致斜入射的耦合能量可能大于正入射的耦合能量。最后，我们对两种测试方法在SE测量中的应用进行了总结。

电磁屏蔽技术，既能防止外部磁场的辐射，又能防止船舶电子信息系统的电磁泄漏，是确保电子信息系统满足电磁兼容性(EMC)要求的重要手段之一[1-7]。然而，这些电子设备壳体表面的完整性经常受到各种表面孔缝、连接件等的影响。通过这样的“后门”途径，外部电磁场可以耦合到设备内印刷电路板(PCB)上，从而在内部导体上产生不必要的电流和电压。因此，掌握带有孔缝的腔体电磁屏蔽效果是非常重要和必要的。通常，SE可以通过数值模拟或测量等手段予以得到[8-12]。当腔体结构表面存在有许多复杂的孔缝时，这对数值仿真形成较大技术挑战，也需要考虑测量技术予以验证。仿真和测试验证带有不同孔缝的腔体结构的屏蔽效能一直是电磁兼容性领域持续关注和发展的研究课题。

目前，电子信息系统行业已经提出较多屏蔽效能领域的测量方法、程序、仪器、设施、标准和指南等指导性资料[13]。其中，测试方法包括开阔场测试方法、暗室测试方法等，其中混响室(RC)方法和GTEM室(GC)测试方法被认为较为便利和有效的方法[14、15]。

本文采用RC和GC两种测试方法对五种典型孔缝的矩形腔体结构的屏蔽效能进行了测试。并将两种测试结果与CST商用仿真软件的仿真结果进行了比较，探讨了差异的原因。

首先，我们用文献[16]中给出的屏蔽腔体中任意点q处电磁屏蔽效能的一般定义。

(1)和(2)中的分子表示在没有屏蔽的情况下，在q处测量的时谐电场强度和磁场强度的振幅，而分母则包含在屏蔽腔体中相同位置的电磁场值。

为了找出屏蔽结构中可能存在的最恶劣干扰，通常必须旋转受试目标，然而因为混响室中可以给出统计意义上均匀的电磁场，所以目标在此可以不必旋转。而这种均匀的电磁场必须在混响室内利用多次反射来创建，从而减少受试目标对其位置和方向的依赖。这样一个均匀的电磁环境可以通过旋转一个或多个导电调谐器(反射器或搅拌器)来创建。这种混响室称为模式旋转(步进旋转)或模式搅拌(连续旋转) 混响室。模式调谐RC本质上是一个具有高品质因子的大型金属腔体，其边界条件受旋转导电调谐器的连续随机扰动。当足够的模式被激发时，这种腔内的时间平均场(或功率密度)的振幅近似相等。我们可以假设RC工作体积内各位置的场分布为统计各向同性、随机极化和均匀均匀的平面波的合成。

利用模式调谐RC测量SE是一种时间效率高、成本低的宽带、高场强测量方法。EUT可以放置在RC指定工作体积内任何方便的位置或方向，保证现场均匀性。

图 1.  混响室内测试SE的场景.

图1显示了用于SE测量的模式调谐RC的场景照片。本研究中使用的模式调谐RC的尺寸为4.8×3×2.8m，本质上是一个理想屏蔽铝外壳，包括一个输入天线(对数周期天线)、一个校准天线(各向同性电场探头)、两个垂直定向的导电调谐器，以及控制和测试室外的附件。测试时，将天线放置在腔室中，使输入天线与校准天线和EUT的直接耦合最小化。为了测量SE（典型而言，是电场屏蔽效能），在外壳底部安装了一个直径为1mm，长度为半个矩形腔体尺度的单极子（确保监测的是腔体中心处电场），然后通过电缆与频谱仪端口连接起来。

图 2.  GTEM室内测试SE的原理示意图.

图2显示了GC的测量设置，其中EUT水平放置在一个绝缘支撑架上。光纤用于连接EUT和光纤发射机，以确保EUT在GC工作体积内在此位置处于平面波照射。图3显示了GC中入射波的入射方向和偏振方向。此外，仿真模拟的研究场景与GC相似，即垂直于孔缝表面入射，而这通常意味着最恶劣的情况

图 3.入射波的入射方向和偏振方向

矩形腔体外壳由镀锡铝板构成，所有的边和顶部接缝都焊接在一起，然后用铝带覆盖在外面。由于本研究设计了多个孔缝结构场景，前面板由包含不同样式孔缝的可互换面板构成，如图4所示。

图 4.腔体的前面板由包含不同样式孔缝的可互换面板构成

另外，矩形腔体的尺寸为35×15×35cm，而孔缝的大小则不同，我们将重点考虑腔体中心的屏蔽效果。经过谐振腔理论分析可知，腔体的第一谐振频率为606MHz，而接下来更高的谐振频率将为958 MHz。图4(a)展示了带有开口一侧的腔体外壳。在此，我们考虑的最恶劣的开孔情况是有孔的一面全部移走。图4(b)和图4(c)分别给出了典型的分形圆孔和分形方孔的腔体结构。分形圆孔结构的前面板正面中心有一个半径为3cm的大孔，大孔周围有8个半径为1cm的小孔。同时，大孔的中心与任何一个小孔之间的距离都是5厘米。同样，对于分形方孔的腔体结构，在前面板正面中心有一个边长为5cm的大正方形孔，而边长为1cm的小正方形有规律地围绕着大正方形。此外，类似的距离为4.25 cm和6 cm。值得注意的是，每个圆孔的尺寸与相应方孔的尺寸相同。图4(d)为带周期十字缝的腔体，腔体前面板有8个十字缝，每一个十字缝由两个相同的窄直缝组成(5×0.3cm)。两个相邻交叉槽的中心沿x轴和z轴的距离为7厘米。图4(e)展示了一个侧面有九个矩形孔的腔体结构。相邻两个矩形孔径中心沿x轴和z轴的距离分别为10cm和4cm。图5为CST仿真建模场景。请注意入射波的偏振方向垂直于外壳的长边。此外,网格的密度在λ/ 20(λ为波长)至λ/ 25之间以确保收敛性（能量残余小于-30dB）。

图 5.  CST软件建模带孔缝的典型矩形腔体

在典型的频率范围内，典型矩形腔体的SE实测结果如图6 -图10所示，包括五种不同孔缝。很显然，后四种情况下的屏蔽效果比第一种情况下的屏蔽效果要高30 dB左右，因为后四种情况下的孔缝之余面积可以防止大量耦合能量的穿透。后四种情况下SE数据在0.5 – 1GHz频率范围内变化约为20dB。

从图6到图10，仿真结果(CST软件计算)与GC测得的数据吻合较好，与RC测得的数据有一定的差异，除了3个频段(0-200MHz、在500MHz左右、930MHz左右)。分歧可能有两个原因。首先，对于0 – 200MHz下的SE，屏蔽壳的场强太小，由于测量设备的噪声和精度限制，难以准确测量。其次，对于SE在500MHz和930MHz左右的情况，所有的结果都表明，腔体是处于谐振状态的。当然，500MHz左右的谐振并不十分清晰，但是我们也可以看到它周围有一个最小的SE值。此外，根据参考文献[17]，由于孔缝面积较大，结果出现谐振频率偏移现象。因此，腔体的谐振频率在500MHz和930MHz左右，而不是第一和第二频率(606MHz和958 MHz)。从图6到图9可以看出，RC方法的SE结果比GC方法高，这意味着GC测试对应的情况更恶劣。其原因与RC内部的随机极化和入射角有关，其中各种极化和入射角平均随机耦合到EUT中。然而，对于GC，垂直偏振的正入射通常对应于较恶劣的情况，这意味着腔体的SE较差。因此，RC的结果通常大于GC的结果是合理的。图7和图8分别给出了分形圆孔和分形方孔的对应结果。很明显，它们在整个频段内非常相似。这个不难理解，Turner就发现圆孔的屏蔽效果与相同尺寸的方孔[18]的屏蔽效果基本相同。

图 6.  The SE of the enclosure with opening at a side comparison by using two different measurement methodologies and simulation.

图 7.  The SE of the enclosure with fractal hole comparison by using two different measurement methodologies and simulation.

图 8.  The SE of the enclosure with fractal square comparison by using two different measurement methodologies and simulation.

图 9.  The SE of the enclosure with periodic cross slot comparison by using two different measurement methodologies and simulation.

图 10.  The SE of the enclosure with periodic rectangle comparison by using two different measurement methodologies and simulation.

然而，令我们惊讶的是，图10显示了一些异常现象。在0.5 ~ 1GHz范围内，前面板是9个周期矩形的腔体RC的测试结果小于GC。但是，如果我们考虑这个腔体的前面板特殊配置，结果仍然可能是合理的。根据Charles F Bunting的工作[19]，最常见的假设垂直入射是最大耦合现象存在前提条件——只有一个孔缝。一旦孔缝的增加，不同孔缝的辐射模式之间的相互作用有可能导致更强的耦合，从而增强某些斜入射角度下的耦合场。图8对应的是9个矩形孔的腔体，这种异常现象会更加明显，导致RC的平均值可能大于GC的平均值。需要注意的是，周期性十字缝的测试结果没有出现类似的效果。实际上，这一对比表明，孔缝的变化对腔体屏蔽效果异常现象的存在有很大影响。

我们采用RC法和GC法对五种不同孔缝布局下矩形腔体结构的屏蔽效能进行了测试，并结合CST软件模拟计算了相应的情况。结果表明，GC结果与CST仿真的数据吻合较好，与RC数据有一定的差异。GC测得的SE值与RC测得的SE值相比，具有较大的动态范围。此外，混响室的SE结果普遍大于GTEM室的，这主要是由于RC内部的随机极化和统计平均的效应所致。令人惊讶的是，由RC和GC测得的9个矩形孔缝的腔体结构显示出异常现象。结合前人的工作，我们给出了较为合理的解释——多孔缝可能导致斜入射的耦合能量大于正入射的耦合能量。然而，利用模式调谐RC来评估腔体的屏蔽性能仍然是一种重要的测试方法，其优点之一是易于模拟复杂的、高场强的电磁环境。因此，我们认为，对于复杂、高场强的电磁环境的模拟，用RC来评价SE可能更好;对于模拟一个特定的耦合情况，特别是对于最恶劣的情况，GC大多数情况下较为便利。当然，应该注意的是，通常的假设正入射是最恶劣的情况下，可能在多个孔缝条件不成立。我们相信，上述结论将对测试人员或屏蔽腔体的设计者有较好的借鉴意义和参考价值。

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