１Ｏ６ 带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
带孔缝机箱的屏蔽效能仿真研究
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｗｉｔｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ
李英杰 （大连交通大学电气信息学院，辽宁大连１１６ｏ２８）
摘 要
利用Ａｎｓｏｆｆ ＨＦＳＳ软件研究了电磁兼容设计中的孔缝耦合问题，介绍了有限元法的基本原理，对比仿真结果与对数
周期天线的测量值，验证了此有限元法的可靠性。通过对带孔缝机箱建模，改变其孔缝的形状、面积等因素进行机箱的屏
蔽效能仿真分析，获得了不同情况下的屏蔽效能仿真结果，并指导机箱内电路板的布置。
关键词：孔缝耦合，屏蔽效能，ＨＦＳＳ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｎｓｏｆｌ ＨＦＳＳ ｓｏｆｔｗ－ａｒｅ ｉｎ ＥＭＣ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｄｅ—
ｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ＣＯ—ｍＲｅｒｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ
ｌｏｇ－ｐｅｒｉｏｄｉｃ ａｎｔｅｎｎａ，ｉｔ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈ１）ｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ
ｏｆ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｅ ｏｕｔ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕ—
ｍｓｔａｎｃｅｓ，ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ．ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ，ＨＦＳＳ
近年来，由于电子元器件高度集成化、小型化，使得电子设
备对电磁干扰的敏感性增加，如何提高机箱的抗干扰性能，即机
箱的屏蔽效能，因此如何提高带孔缝机箱的屏蔽效能已成为重
要的研究课题。
１ 有限元法及屏蔽效能的介绍
随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析
（ＦＥＡ）越来越多地用于仿真模拟，来求解真实的工程问题，近年
来被广泛应用到电磁场问题求解中。有限元法（ＦＥＭ）是近似求
解数理边值的一种数值技术，它将求解域看成是由许多称为有
限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，
然后推导求解这个求解域总的满足条件，从而得到问题的解。有
限元的一个关键步骤是建立离散单元的小矩阵，只要得到了离
散单元的小矩阵，就可以将其填充到全域矩阵中”］。在利用变分
原理和离散化方法建立有限元矩阵方程后，求解以节点值为未
知数的矩阵方程。将方程写为：
Ａｘ＝ｂ （１）
式中，系数矩阵Ａ是一个ｎ ｎ方阵，ｘ是带求解的未知量，
ｂ表示已知量。为了在最短的时间内取得最大的精度，Ａｎｓｏｆｆ
ＨＦＳＳ采取了自适应迭代算法，该算法一开始选用较粗的剖分，
采用上面所给出的方法求解，然后看其进度是否满足要求，如不
满足，进一步细化剖分，再次进行求解，直到达到给定的精度。
屏蔽效能ＳＥ（Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）有时也称屏蔽损
耗、屏蔽衰减、屏蔽效果，是指未加屏蔽时某一测点的场强与加
屏蔽后同一测点的场强之比，以ｄＢ为单位 ］。其电场屏蔽效能
ＳＥ的表达式为：
ＳＥ＝２ＯＩｇ Ｅｏ／Ｅ
式中，Ｅ。是在没有屏蔽体时某一测试点Ａ处的电场强度，Ｅｉ
是在加人屏蔽体后统一测试点Ａ处的电场强度。
２屏蔽机箱实体建模及仿真分析
２．１屏蔽机箱的实体建模
以实际屏蔽机箱为研究对象，创建与实际机箱几何尺寸相
同的模型，电场中的模型如图１所示：以机箱中心点为坐标原点 （０，０，０）建立３００ｍｍｘ１２０ｍｍｘ３００ｍｍ的屏蔽机箱，同时在机
箱Ｙ０Ｚ平面上开孔，还要建立一个６００ｍｍｘ２４０ｍｍｘ６００ｍｍ
的Ａｉｒ空气体，将Ａｉｒ设置为辐射边界。现实中电磁波的传播是
无界的，而计算机仿真时只能对有限空间进行仿真分析，因此
ＨＦｓＳ设计了Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｂｏｕｎｄａｒｙ（辐射边界）对无限的自由空
间进行模拟。在辐射边界表面，二阶辐射边界条件为：
（ＶｘＥ） Ｊｋｏ 一 Ｖ坦ｎＸ（ ｘ ）十 Ｖ捃几（ ‘Ｅ 鲫） 、Ｏ 、０ 其中，Ｅ 是表面电场的切向分量；ｊ为、／一１。
激励源设定为平面波，沿孔缝面垂直入射，此软件有高性能
的前处理程序，能够实现３Ｄ模型的全自动自适应网格剖分，应
用者只需设置好自适应的步数和剖分的误差精度，程序就能够
进行求解分析，并获得较高的计算精度；在加载、网格剖分后进
行求解，求解频率设置为５５０ＭＨｚ，最大迭代步数为３０，求解精
度为０．１，扫频范围设置为０．０１～１ＧＨｚ，步进为Ｏ．Ｏ３ＧＨｚ。
图１屏蔽机箱
２．２机箱屏蔽效能的影响分析
首先对ｓｌ＝ｌ０Ｏｍｍ、ｓｗ＝５ｍｍ的孔缝机箱进行仿真分析，
并与实测值进行比较，验证仿真软件的正确性和精确度。在后处
理过程中，屏蔽效能的仿真曲线如图２实线所示，虚线是用对数
周期天线进行的实测值，可以看出仿真值和实测值有很好的相
关性，因为源放置在阻尼很差的屏蔽室内，实测值的屏蔽效能曲
线出现抖动是必然的。通过实测值，很好的验证了此软件仿真的 《工业控制计算机》２０１２年第２５卷第３期 １Ｏ７
ＨＦｓｓ仿毒值
｝ ． 时数用．ＩＩ 天线的潮量使 ‘
’
一 ． ｊ
图２屏蔽效能实测值与仿真值
正确性和精确度，可以利用此软件进行更深层次的研究。
２．３孔缝大小对机箱屏蔽效能的影响
保持机箱的尺寸大小不变，将孔缝的大小进行调整，孔缝
分别调整为ｓｌ＝１００ｍｍ、ｓｗ＝３０ｍｍ，ｓｌ＝２００ｍｍ、ｓｗ＝３０ｍｍ这
两种情况，仿真结果如图３所示，由曲线图中可以看出，在同一
频率上，随着孔缝的增大，屏蔽效能是减小的；同一孑Ｌ缝曲线上，
随着频率的增加，屏蔽效能也是减小，这是因为越接近孔缝Ｅ场
电平越高。还可以看到在Ｏ－７ＧＨｚ左右的时候出现了负的屏蔽
效能，此时出现了谐振，即电场得到增强。
曼
毫
耋 ｓｗ＝Ｓｍｍ，ｓｌ＝ｌＯｃｍ
Ｉ｜ ｓｗ＝ｍｍ。＝ｌ３Ｏｍ，ｓｌ２Ｏｃｍ ｊ
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ＦｒｅｑｌＧＨｚｌ
图３不同尺寸孔缝的屏蔽效能曲线
｝一一｝…一 ｄｌ三 ６ｏｎｌ１５，ｌ２４０ｒａｍ． 一
｝
～
｝ ｛ ｝ｌ｛ ｛
Ｆｒｅｑ｜ＧＨｚｌ
图４不同位置处屏蔽效能曲线
２．４机箱内不同位嚣处的屏蔽效能
对于屏蔽机箱内不同位置，其屏蔽效能也不同。取距孔缝中
心的距离分别为ｄｌ＝６０ｍｍ、ｄ２＝１５０ｍｍ、ｄ３＝２４０ｍｍ，进行仿
真后，得出不同位置处的屏蔽效能曲线如图４所示，从图中看以
看出，屏蔽效能随着远离孔缝而得到提高，因此，在布置电路时，
应尽量将敏感电路或元器件远离孔缝放置。 ２．５孔缝形状对机箱屏蔽效能的影响
不同形状的孔缝会对机箱屏蔽效能产生巨大的差异，下面
将采用长方形和圆形孔隙进行仿真分析，每一种情况下的孔缝
面积都是３０００ｍｍ２，其它条件保持不变，计算的结果如图５所
示。从曲线图中可以看出，相同孑Ｌ缝面积下，圆形孔比长方形孔
的屏蔽效能高１０ｄＢ左右。因此，在选择开孑Ｌ的时候应尽量选择
圆形的开孔形式。
艟孔 ｌ 长蠢彤飘 ～
、．＼ ＼＼
～—、 —’－ 、 、、
ＦｒｅｑＩＧＨｚｌ 图５不同开孔形状下的屏蔽效能
２．６孔缝数目对机箱屏蔽效能的影响
通过上面的结论，这里将选择不同圆孔数目进行机箱屏蔽
效能的仿真。同样，每一种情况下的开孔面积仍为６０００ｍｍ ，仿
真分析结果如图６所示。从仿真曲线图中可以看出，具有更多且
更小的孔缝会改善机箱的屏蔽效能。因此，在设计机箱时，应用
更多的小的孔缝来代替大的孔缝设计。
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ＦｒｅｑＩＧｌｌｚｌ 图６不同圆孔数目下的屏蔽效能 ３结束语
屏蔽机箱由于通风、散热等需要，其表面需要做开孔设计，
真正影响屏蔽机箱屏蔽效能的因素有两个：一是屏蔽机箱表面
是否是导电连续的；二是是否有导体直接穿过屏蔽机箱。从以上
不同开孔情况的电场屏蔽效能曲线中可以看出，孔缝的大小和
形状直接影响着屏蔽机箱的屏蔽效能，特别是在谐振频率处屏
蔽效能最差；在相同面积的圆形和长方形孔缝中，圆形孔缝的电
场屏蔽效能最高，在机箱设计时最好采用圆形孔缝作为通风孔；
在开孔面积相同情况下，采用孔阵比单孑Ｌ的屏蔽效能要高很多。
参考文献
［１］曹善勇．Ａｎｓｏｆｔ ＨＦＳＳ磁场分析与应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水电
出版社，２０１０ ［２】周志敏，纪爱华．电磁兼容技术：屏蔽・滤波・接地・浪涌・工程应用
［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７
［收稿日期：２０１１．１２．６］ ∞ －喜 ＩｐＰｌＩＨ
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