[工学]屏蔽箱体电磁屏蔽的预测.doc
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1、 屏蔽箱体电磁屏蔽的预测千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景在人类尚未发明发电机和使用电能之前,地球上就存在自然界残生的电磁现象。自从第一台发电机被发明使用以来,电子设备的应用越来越广泛,同时,也产生了越来越多有害的电磁干扰,造成了所谓电磁环境的“污染”。电子设备在正常运行的同时也向外辐射电磁能量。这些辐射的电磁能量可能对其他设备产生不良的影响,甚至造成严重的危害,这就是电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。电磁干扰
2、的问题在很早的时候就被人们发现并提出。19世纪初,电磁学刚刚萌芽并有所发展,1823年科学家安培提出了一个基本定律,即电流产生磁场。随后在1831年,法拉第发现了电磁感应现象,指出变化的磁场在导线中产生感应电动势这一规律,总结提出了电磁感应定律。1840年,美国人亨利经过研究,成功地获取了高频电磁振荡。1864年麦克斯韦在总结前人理论的基础上,引入了位移电流这一全新概念,指出变化的电场将产生出磁场,并基于此现象预言空间世界中存在着电磁波。而电磁场可以相互激发产生并在空间中进行传播,麦克斯韦的这一理论是电磁干扰理论的前期基础理论。1881年英国著名科学家希维赛发表了一篇文章,题名为“论干扰”,这
3、是电磁兼容理论研究的一个重要里程碑,是开始着手对电磁干扰问题进行研究的重要标志。1887年,全部干扰问题委员会在柏林正式成立。1888年,赫兹通过实验研究,证明了电磁波确实存在于空间范围内,他利用独创的天线,将电磁波辐射到自由空间,继而又成功地接收到电磁波。他的理论研究引领了用实验的方法来研究电磁干扰问题的趋势。1889年英国邮电部门对通信干扰问题展开了深入探讨,1934年英国有关部门对1000例干扰问题进行了分析,而从中发现,50%的干扰来源于电气设备的日常运行。随着科技的不断发展,人类社会向电子信息化技术领域扩展迅猛。进入21世纪以后,人口迅增的同时,越来越多的电子设备进入了人们生产生活的
4、各个领域。据有关资料统计,全世界空间范围内电磁能量平均每年增长7%-14%,但可以使用的空间和频率资源却是有限的,这就造成了电磁干扰越发严重的现象。电磁干扰目前已然成为威胁人类身体健康的一个公害问题1-2。为了解决电磁干扰的问题,保证设备能正常运行,提高系统的可靠性,在40年代初提出了电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility 缩写为EMC)的概念。电磁兼容,顾名思义,“兼容”可理解为“兼顾”和“容忍”。国际电工委员会对电磁兼容性的定义是:“EMC是电子设备的一种功能,电子设备在电磁环境中能完成其功能,而不产生不能容忍的干扰。”这可以理解为两个方面的含义:一是电子设
5、备工作中产生的电磁辐射要限定在一定范围内,不能过高而影响周围其他设备;二是电子设备要具有一定的抗干扰能力,周围其他设备产生的电磁辐射不至于对它造成致命的危害。最近我国颁布的EMC国家标准中,是这样进行定义EMC的:“设备或新系统在电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力” 3。由于人们认识到电磁干扰和电磁兼容问题的严重性,因此世界各个国家都展开了对电磁兼容领域的研究工作,拟定了相应的电磁辐射的标准。在我国电磁兼容领域也颇受重视,制定了3C认证标准及其改进、国军标CE/RE、民标GJB9254等相关一系列电磁辐射的标准规定。在发达国家和一些制定了相关规定的发展中国
6、家,如果电子产品无法达到相应的标准,那么该产品是不允许出厂的。电磁辐射标准中所涉及的产品范围非常广泛,小型的如儿童电子玩具,大型的如各种电子设备。这些产品想出厂和出口必须符合电磁辐射的标准,如果某个国家疏忽对此标准的重视,必然导致经济的落后。因此,电磁辐射标准的执行应用造成了贸易壁垒,这也促使各个国家更加关注电磁兼容问题。因此,电子产品在设计时要考虑电磁兼容问题。电磁兼容设计的目的是尽可能地隔离空间存在的电磁干扰,保证电子设备在有电磁干扰的环境下能可靠的运行和工作,而不出现错误动作或罢工现象。目前,电磁兼容设计由于其重要意义,已然成为电子产品设计中的一项关键工程技术。在进行电磁设计时,主要从电
7、路、结构、工艺和安装等各个方面采取有效措施来抑制电磁干扰。电磁屏蔽(Electromagnetic Shielding)是电磁兼容工程中被广泛采用的抑制电磁干扰的重要技术措施,是解决电磁干扰问题的有效方法。电磁屏蔽的基本原理是在空间传播过程中切断电磁波能量,从而达到消除或者减弱电磁干扰的目的。在工程应用中,常常采用屏蔽的手段来抑制电磁干扰所造成的危害。工程中最简单有效并被广泛应用的屏蔽方法是在产品设备外加屏蔽体外壳,当电子设备处于金属屏蔽体内时能很好的避开电磁干扰。这样既可以防止电子设备受到外界电磁波的干扰,又可以防止电子设备产生电磁泄漏进而造成电磁污染。电子产品的屏蔽效果由其屏蔽效能(Shi
8、elding Effectiveness)来评价,因此,对屏蔽效能的计算研究实质就是对产品电磁兼容性的考量,有着重要的价值及意义4-10。在日常生活中,根据电磁屏蔽原理研制的产物有很多,大型的有变电站保护小室,小型的有各种电子设备的机箱,它们的材料大多为金属,在工艺加工过程中难免导致缝隙的存在。有些设备为了散热等需要,还要在设备外壳上开些小孔或者缝隙,如设计通风散热孔、电缆通道以及各种接口的通道等。这些小孔和缝隙对设备的屏蔽效果都会产生影响,导致屏蔽效果差,容易受到电磁干扰。因此,在电子产品进行设计的时候,常常因为机箱存在孔缝导致电磁屏蔽效果差,进而影响到设备电磁兼容性能,无法满足标准要求。电
9、子产品出场后如果经检测电磁兼容性不达标,需要花费大量的人力物力进行修改,严重的可能报废。这不仅浪费了时间,同时耗资巨大。因此,机箱对电子产品电磁兼容性能的影响已引起人们的普遍重视。提高屏蔽体的电磁屏蔽效能,将有助于缓解上述问题。这就需要一种简便易行的测试方法,保证在整机完成之前可以对机箱的屏蔽效能进行较准确的测试与评价11。测试屏蔽效能也可以采用实验测量的方法,但是由于电磁干扰本身的特性和电磁环境的复杂程度,实验检测要求测试条件非常苛刻,这就为用实验的方法测量电磁屏蔽带来了巨大的难度。通常只有国家级重点实验室和航天、军事科研机关才拥有实际测试电磁兼容性的能力。即使拥有检测能力,却同样要花费巨资
10、。因此,实际测量的方法虽然可行却不是最优的方法。采用采用计算和仿真相结合的方法得到屏蔽效能,可以不用考虑环境电磁的干扰,而且比电磁屏蔽试验室投入要少的多12。因此,对电子设备屏蔽效能的预测研究,可以为电磁屏蔽设计前期方案制定和后期电磁屏蔽检测提供一定的指导依据,具有理论价值和实际意义。1.2 国内外现状研究和分析电磁兼容性问题已被广泛关注,应用解析计算和仿真的方法对这方面的研究也有很大的进展。目前,国内外在这一领域采用的方法有矩量法、传输线法、时域有限差分法、有限元法、以及矩阵束法。矩量法的理论是基于未知场的积分方程来计算场的分布。此方法的优势在于建模相对简单,不需要考虑边界条件等因素。因此应
11、用广泛,很多学者应用此方法研究了屏蔽体内部的电磁场的分布情况。Beck等人应用此种方法对开孔壳体的屏蔽效能进行了探索,利用矩量法求解未知区域的电磁场分布13。首先,建立关于壳体内部以及外部的两个格林函数,并通过开孔径面的切向磁场分量连续的关系,将两个方程联立。Bunting等科学家应用矩量法探索壳体的屏蔽效能,利用任意入射角度和极化角度的平面波对带有孔缝的金属壳体进行照射,得出两个结论,一是平面波的极化方向和入射角对金属壳体的屏蔽效能有深刻的影响;二是当用一定入射角和极化方向的平面波对箱体进行照射时,壳体内部不同位置的屏蔽效能是不相同的。但是,需要统计意义上的评估才能对屏蔽效能进行计算估计14
12、。Bruns等也应用矩量法来分析壳体的屏蔽效能,应用时将矩量法与物理光学法结合,综合运用一致性绕射理论来进行分析,但重复性不好15。但是这种方法目前还存在着较大的缺陷,如果分割不理想,计算结果仅在4050 dB范围内较为精确。由于方法使用范围较小,所以还没有被广泛接受。等效传输线法的原理是以平面电磁波通过无限大平板的传输过程为研究对象,通过计算得到电流及电压在传输线上传播过程的类比。有多名学者专家应用此算法对屏蔽效能进行理论研究。国内学者高攸纲应用此算法计算屏蔽效能的通用理论公式,将各个国家所采用的屏蔽效能计算公式进行了比较,发现这些公式的实质是一致的,只是形式稍有不同16。田涛等人利用仿真建
13、模的方法对屏蔽效能进行了探讨分析,他对多层材料的壳体的屏蔽效能进行了研究。并分情况进行讨论,讨论了平面波垂直照射和倾斜照射的壳体屏蔽效能,以及金属和非金属壳体材料的壳体的屏蔽效能17。国外的很多学者也采用仿真建模的方法来探索壳体的屏蔽效能。Attari等人对金属壳体的屏蔽效能进行理论研究,研究发现应用此方法在时域中建模很精确,且能获得较大的带宽。将用此法得到的计算数据与实验测量数据对比分析时,发现计算数据更为精确18。国外有很多学者应用传输线法来研究壳体开缝的情况。Kraft通过改变开孔的数目、孔的尺寸、孔的位置以及测试频率,应用传输线法研究这些因素对壳体屏蔽效能的影响19。McFeetors
14、等学者应用传输线理论进行建模分析,讨论外壳和外壳上存在小孔时的屏蔽效能情况20。等效传输线法,是在时域范围的应用方法,它的缺点是无法完成对复杂系统和环境抗干扰问题的解决。因而应用受限。时域有限差分法简称差分法,是1966年有K S Yee提出的。它是用来计算电磁场的一种新方法。差分法的原理是将Maxwell方程转化为差分方程,然后在时间轴上求解空间电磁场。国内外有很多专家学者应用此方法研究了壳体的屏蔽效能问题。国内学者贾超群等人将时域有限差分法进行改进,并应用改进后的算法来计算壳体的屏蔽效能,得到较精确的数值解。经比较分析,此解与应用传输线法得到的结果吻合度很高21。王建清等人用电磁脉冲照射的
15、方法研究壳体的屏蔽效能,并且通过仿真分析远场和近场的电磁泄漏问题22。吕飞燕等人应用差分法对开有小孔的金属板的屏蔽效能进行了研究。通过对实验建立仿真模型,发现模拟仿真结果和实验数据误差较小,拟合度高。在此基础上,进一步讨论金属板上开孔的大小、形状、数目以及金属板厚度等因素对屏蔽效能的影响23。国外的学者如Gkatzianas、Archambeault、LM.、Park、Harles等也应用差分法对屏蔽效能进行了分析和研究。Gkatzianas等人运用差分法分析研究壳体的屏蔽效能,并且讨论壳体的厚度这一因素对屏蔽效能的影响作用24。通过分析论证,指出差分法对于计算在低频下的壳体屏蔽效能十分精确。
16、Archambeault等人应用此方法对于如何预测金属壳体的屏蔽效能进行了研究。发现壳体的结构对壳体的屏蔽效能有很大的影响。并且通过对壳体的建模分析此种影响25。LM.等学者利用有差分法进行研究,讨论在壳体上开缝以及开缝的数目对壳体屏蔽效能的影响。经研究发现,当处于谐振频率时,屏蔽腔与孔形成共振,此时屏蔽效能很低。此项研究结果对后人分析研究带孔壳体的屏蔽效能具有指导意义。Park等也运用时域有限差分法分情况讨论了壳体的屏蔽效能,对有各种狭缝和开槽的壳体进行了探索,为后人的理论探讨留下了宝贵的经验。Harles等人运用差分法在混响室中对带孔的壳体进行建模,仿真分析屏蔽效能,通过与实验测量结果进行
17、对比分析,发现拟合度高28。时域有限差分法主要有两大缺点:一是,由于数值色散、数值稳定性、各向异性的影响,会产生误差。而随着仿真的运行,误差会随之积累,这就造成了计算结果的失真。二是,由于采用规则的结构网格,当要仿真的对象为曲面金属或者材质存在不连续性时,应用此方法就存在一定的困难。有限元法也是解决电磁问题应用比较多的一种方法,概括的说,它是近似求解数理边值问题的一种数值技术。它的原理是将整个连续区域分成许多个小的子域。在各个子域中,用简单的插值函数来替换难解的未知函数。从而将问题简化,从无限的边值问题变为有限的自由度问题。针对自由度问题,利用迦辽金法得到代数方程组,最后求解此方程组得到问题的
18、解。国内的学者如石俊营、詹志杰等都应用此方法对屏蔽效能进行了研究。石俊营等有限元法分析研究不同材料的屏蔽特性,以及屏蔽壳体上的小孔对屏蔽效能的影响。通过研究发现,在低频段,磁导率大的材料屏蔽效果较好;而在高频段,电导率大的材料屏蔽效果较好。壳体上存在的小孔对屏蔽效能具有影响29。石俊营的此项研究对分析研究壳体的屏蔽效能具有参考价值,但研究过程中都是仿真理论的探讨,缺乏实验数据的支持。詹志杰等学者也应用此方法研究了屏蔽体的屏蔽效能,主要分析计算麦克斯韦方程,建模分析得出计算结果,将仿真计算结果与实验结果对比分析,发现误差很小。此研究对理论分析屏蔽效能具有指导意义。国外也有很多专家学者应用有限元法
19、进行分析研究。Bunting等在混响室中进行研究分析,首先建立二维有限元模型,然后研究带有小孔的壳体的屏蔽效能。经分析得出结论:有限元法能精确分析壳体内部的电磁场分布。 有限元法存在一些不足,比如在使用该方法前,需要知道电磁分布的边值,而且建模比较复杂。由此,制约了有限元法的使用。矩阵束法是研究电磁理论的一种新方法。它的原理是将求解衰减指数信号极点问题转化为求解矩阵束的广义特征值问题。目前用矩阵束算法来研究电磁屏蔽效能,国内还处于空白阶段,有巨大的研究空间和光明的研究前景。在国外,一些专家学者已经将矩阵束算法应用到了信号处理和电磁理论等方面。Jing Liang,Zhi Ding在信道评估的高
20、阶统计算法中采用矩阵束算法进行研究。Li, S-Q等将矩阵束算法与快速Hankel变换结合,应用于封闭空间电场的格林函数的计算34。Mengtao Yuan, Sarkar T.K. 应用矩阵束算法计算Sommerfeld型积分35。Sommerfeld型广义积分在电磁理论、天线与电波传播技术中是非常重要的。Elkamchouchi等对四元天线进行定点测量,结合了矩阵束算法 。Seema Sud等也采用了矩阵束算法进行研究,他们应用此算法对同通道强干扰下卫星的CDMA进行检波37。Franklin Da, Costa Silva等用矩阵束方法应用于减少天线模式的多通道干扰38。Shiyong
21、Li等应用改进的矩阵束算法测量散射中心39。在国内,黄小红等将矩阵束法应用于ISAR 成像。徐少坤等做了基于矩阵束算法的多雷达信号融合超分辨成像信号处理的研究。由于矩阵束法属于迭代法的一种,它无需对初值进行限定,也没有累积误差,计算量也相对较小。因此,是一种高效的计算方法,发展和应用空间广泛。1.3 主要研究内容本文主要研究内容是应用矩阵束算法对含孔洞的电子设备箱体的屏蔽效能进行预测分析。具体研究内容如下:1. 了解电子设备箱体屏蔽的背景及意义,讨论屏蔽效能的各种分析方法、国内外发展现状。并分析本文应用的矩阵束方法的原理及应用。2. 分析电磁兼容性的原理及预测的方法,进而研究屏蔽效能的数值计算
22、方法。3. 深入研究矩阵束算法的基本原理,并在传统的矩阵束算法的基础上进行改进,加入互相关处理技术,使之去除噪声的效果更好,计算精度更高。4. 建立实际测量模型,将实际测得波形与理论仿真波形进行对比、分析,验证改进矩阵束算法理论的正确性和有效性。第2章 电磁兼容性的原理及方法2.1 电磁兼容性的预测原理2.1.1 电磁兼容性的预测意义电磁兼容性预测(Electromagnetic Compatibility predection)是一种通过理论计算对电子设备或系统的电磁兼容程度做分析、评估的方法。通常应用在系统或设备的前期研发设计阶段或者工程研制阶段。电磁兼容预测的目的是为了评价系统或者设备兼
23、容的安全域度。为方案修改、防护设计提供可参考的依据。电磁兼容性预测分析不仅应用于新研制的系统或者设备,也可以应用于已经使用的系统整改或者新添加系统的兼容性分析。当电子设备的功能设计方案初步形成之后,就可以根据电磁兼容性的要求和指标,对提出的方案开展电磁兼容性的预测分析,如果发现不兼容的问题,在设计方案的基础上进行电磁兼容性的检验和防护设计。 电磁兼容预测就是模拟电磁干扰传播的过程、耦合程度以及敏感的过程,使设计得到验证。电磁兼容性预测又是一种数字模拟验证技术,以计算机仿真作为辅助设计。它具有计算快、成本低、参数修改方便、可以多次反复的进行计算、预测的成功率高的优点,因此,自从预测技术发明以来,
24、电磁兼容性预测受到了世界发达国家的高度重视和青睐。我国自90年代以来也逐步开展了这方面的研究。2.1.2 电磁兼容性的预测方法在电磁兼容预测分析中,首先要建立干扰源和干扰传播与耦合的数学模型。从电磁理论的角度着眼,实际上就是求解电磁场的麦克斯韦(Maxwell)方程。但在求解的过程中,要考虑场源的结构、媒质的形状分布和性质等诸多因素,因此简单的数值计算是不可能解决问题的。一般的处理办法都是将整个问题分成几个独立的小问题进行处理,并加以理想化,即假设某些条件是在理想状态下成立的,利于数学表达和计算。2.1.2.1 解析法解析法包括严格建立和求解偏微分方程或者积分方程。其中,分离变量法是严格求解偏
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