王旭桐,郭景海,王文兵,苗建國,王一雄,周一夫

(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710024)

外界電磁干擾源能通過線纜耦合及孔縫耦合進(jìn)入內(nèi)含貫通導(dǎo)體的開孔屏蔽腔體內(nèi)部，對腔體內(nèi)部敏感電路造成影響。因此，研究腔體內(nèi)部的屏蔽效能，對設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。影響屏蔽效能的因素有開孔的形狀和面積、腔體的形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電磁波頻段、電磁波入射角與極化方向等。文獻(xiàn)[1]將矩形腔體等效為波導(dǎo)，將孔縫等效為微帶線，采用傳輸線方法對開口腔體屏蔽效能進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[2-5]采用傳輸線方法研究了不同開孔情況、多種入射角度、高頻和多模情況下的腔體屏蔽效能，文獻(xiàn)[6-7]研究了內(nèi)含窗形障礙物的腔體屏蔽效能，得到了電感性與電容性窗形障礙物對屏蔽效能的影響，文獻(xiàn)[8]利用CST進(jìn)行了含孔縫腔體場增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理仿真，研究了極化方向與孔縫長邊方向?qū)?nèi)部場的影響。 以上研究缺乏對含短貫通導(dǎo)體腔體屏蔽效能的等效電路求解，對內(nèi)部線纜參數(shù)影響屏蔽效能的物理分析較少。

本文首先利用CST仿真驗(yàn)證了擴(kuò)展傳輸線方法的正確性與高效性，然后采用傳輸線方法對含貫通導(dǎo)體的開孔腔體屏蔽效能進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，栓形障礙物會提高腔體的屏蔽效能，不同位置、不同結(jié)構(gòu)的障礙物對屏蔽效能及諧振頻率的影響也不同。

1 內(nèi)含貫通導(dǎo)體的腔體模型及等效電路

含同軸線一類貫通導(dǎo)體的腔體，當(dāng)同軸線的外屏蔽層接腔體的殼體時(shí)，只有芯線的電流可流入腔體內(nèi)部。屏蔽完整且接地良好的同軸線屏蔽效能較好，芯線電流較小，對腔內(nèi)輻射的電磁場極其微弱，可忽略其影響，只考慮同軸線作為栓形障礙物對腔體屏蔽效能的影響。圖1為內(nèi)含栓形障礙物的開孔腔體模型。

在直角坐標(biāo)系下，腔體的尺寸為a×b×d；厚度為t；矩形孔的尺寸為l×w；障礙物距孔縫面的距離為s1；D為障礙物直徑；c為電感性障礙物距離腔體側(cè)壁的距離；c1為電容性障礙物距離腔體下壁的距離；M為觀測點(diǎn)位置；s2為距離腔體后壁的距離；s3為距離障礙物的距離；E和H分別為電場和磁場強(qiáng)度矢量。

根據(jù)傳輸線理論，腔體可視為終端短路的波導(dǎo)管，栓形障礙物軸向與電場方向相同為電感性栓，栓形障礙物軸向與磁場方向相同為電容性栓。文獻(xiàn)[1]給出了開孔腔體的等效電路，文獻(xiàn)[9]給出了矩形波導(dǎo)中栓形障礙物的等效電路。結(jié)合文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[9]可推導(dǎo)出內(nèi)含栓形障礙物開孔腔體的等效電路，如圖2所示。

圖2中：U0為平面波的等效電壓源；Z0為平面波的等效阻抗，真空中Z0=377 Ω；Za,Zb為障礙物的等效阻抗；孔縫的等效阻抗可表示為[10]

(1)

(2)

(3)

(4)

經(jīng)過距離為s1的傳輸線后，Q點(diǎn)的等效電壓UQS和等效阻抗ZQS分別為

(5)

(6)

對于電容性障礙物，Q點(diǎn)和P點(diǎn)之間屬于“π”形網(wǎng)絡(luò)，如圖2(a)所示，傳輸矩陣為

(7)

對于電感性障礙物，Q點(diǎn)和P點(diǎn)之間屬于“T”形網(wǎng)絡(luò)，如圖2(b)所示，傳輸矩陣為

(8)

障礙物為電容性障礙物時(shí)選式(7)，為電感性障礙物時(shí)選式(8)，與式(6)聯(lián)合求解可得到P點(diǎn)的等效電壓UPS和等效阻抗ZPS分別為

(9)

(10)

M點(diǎn)距障礙物距離為d-s1-D-s2，M點(diǎn)的等效電壓UMS和等效阻抗ZMS分別為

(11)

(12)

將波導(dǎo)管終端視作短路，M點(diǎn)處的阻抗ZM=jZgtan (kgs2)，M點(diǎn)處電壓為

(13)

M點(diǎn)處的屏蔽效能為

(14)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的模型，對某腔體分別采用自編程序與CST進(jìn)行計(jì)算。CST計(jì)算時(shí)采用軟件中microwave studio時(shí)域求解器，頻率范圍設(shè)置為0～1 GHz，邊界條件設(shè)置為open(add space)，每波長網(wǎng)格數(shù)為10，偏差設(shè)置為-30 dB。圖3為CST建模示意圖。

2.1.1 算例1

腔體尺寸為40 cm×20 cm×40 cm，厚度為3 mm，孔縫尺寸為15 cm×4 mm。障礙物距離腔體開孔壁s1=10 cm，觀測點(diǎn)M距離腔體后壁的距離s2=20 cm，障礙物的直徑D=2 cm，電感性障礙物距離腔體側(cè)壁c=20 cm，電容性障礙物距離腔體下壁的距離c1=10 cm。圖4為本文方法與CST計(jì)算給出的腔體屏蔽效能隨頻率的變化關(guān)系。由圖4可見，本文方法得到的計(jì)算結(jié)果與CST計(jì)算結(jié)果在低頻段基本一致，在高頻段有所區(qū)別。本文方法計(jì)算耗時(shí)0.02 s，CST計(jì)算耗時(shí)61 s。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，本文提出的擴(kuò)展傳輸線法只考慮波導(dǎo)內(nèi)部的主模，腔體的諧振頻率可表示為

(15)

其中：a和d均為0.4 m；b為0.2 m；m，n和p均為整數(shù)，可得到主模，即TM110模的頻率為530 MHz。因此，在頻率大于530 MHz的高頻段，傳輸線法與CST計(jì)算結(jié)果有偏差。

2.1.2 算例2

調(diào)整腔體尺寸為30 cm×12 cm×30 cm，矩形孔縫的尺寸為10 cm×5 mm，其他計(jì)算條件不變，此時(shí)波導(dǎo)TM110模的頻率為707 MHz。圖5為本文方法與CST計(jì)算給出的腔體屏蔽效能隨頻率的變化關(guān)系。由圖5可見，當(dāng)頻率為0～1 GHz時(shí)，本文方法與CST計(jì)算結(jié)果基本一致，傳輸線法計(jì)算耗時(shí)0.02 s，CST計(jì)算耗時(shí)114 s。

由圖4和圖5可見，在主模頻段內(nèi)，傳輸線法與CST計(jì)算結(jié)算基本一致，在高次模頻段諧振點(diǎn)有偏差，驗(yàn)證了傳輸線方法的正確性；同時(shí)，與CST計(jì)算耗時(shí)相比，傳輸線法大大縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。

2.2 障礙物直徑對屏蔽效能的影響

采用算例1計(jì)算條件，計(jì)算給出了不同障礙物直徑條件下，腔體屏蔽效能隨頻率的變化關(guān)系，如圖6所示。由圖6(a)可見，與空腔體相比，電感性障礙物使諧振頻率向上偏移且屏蔽效能略微增大；障礙物直徑越大，屏蔽效能越高，諧振頻率提升越大；由圖6(b)可見，電容性障礙物對屏蔽效能和諧振頻率的影響較小，且障礙物直徑的改變對屏蔽效能和諧振頻率影響不大。這是因?yàn)檎系K物會影響電磁波耦合到測試點(diǎn)的能量，不同類型障礙物對應(yīng)不同等效電路，改變障礙物直徑會使等效電感和等效電容改變，使諧振頻率偏移。因此，障礙物尺寸越大，諧振頻率的偏移越大，屏蔽效能越好。

2.3 障礙物與腔體開孔面的距離對屏蔽效能的影響

采用算例1計(jì)算條件，計(jì)算給出了不同障礙物與腔體開孔面距離條件下，腔體屏蔽效能隨頻率的變化關(guān)系，如圖7所示。由圖7(a)可見，與空腔體相比，電感性障礙物使諧振頻率向上偏移且屏蔽效能略微增大，距離腔體開孔面距離越遠(yuǎn)，屏蔽效能越高，諧振頻率提升越大；由圖7(b)可見，電容性障礙物對屏蔽效能和諧振頻率的影響較小，且改變距離腔體開孔面距離對屏蔽效能和諧振頻率影響不大。這是因?yàn)榫嚯x腔體開孔面越遠(yuǎn)，距離中心觀測點(diǎn)就越近，障礙物對觀測點(diǎn)信號的影響就越大。因此，障礙物距離腔體開孔面越遠(yuǎn)，諧振頻率偏移量越大，屏蔽效能越好。

2.4 障礙物與腔體壁距離對屏蔽效能的影響

采用算例1計(jì)算條件，計(jì)算給出了不同障礙物與腔體側(cè)壁距離條件下，腔體屏蔽效能隨頻率的變化關(guān)系，如圖8所示。

由圖8(a)可見，與空腔體相比，電感性障礙物使諧振頻率向上偏移且屏蔽效能略微增大，距離腔體壁距離越遠(yuǎn)，屏蔽效能越高，諧振頻率提升越大。由圖8(b)可見，電容性障礙物對屏蔽效能和諧振頻率的影響較小，且改變障礙物與腔體壁的距離對屏蔽效能和諧振頻率影響不大。這是因?yàn)楦淖冋系K物與腔體壁的距離會使等效電感和等效電容發(fā)生變化，從而使諧振頻率偏移。因此，障礙物距離腔體側(cè)壁越遠(yuǎn)，諧振頻率偏移量越大，屏蔽效能越好。

3 結(jié)論

本文擴(kuò)展了傳輸線法求解屏蔽效能的應(yīng)用范圍，通過與CST計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了方法的正確性和高效性。研究了內(nèi)部含栓形障礙物情況下開孔腔體的屏蔽效能。結(jié)果表明：內(nèi)含栓形障礙物時(shí)，腔體的屏蔽效能略微提高；對于栓形障礙物，無論是電感性還是電容性都會提高腔體的諧振頻率；與電容性障礙物相比，電感性障礙物對腔體屏蔽效能影響更為顯著，同時(shí)電感性障礙物直徑、距腔體開孔面距離及與腔體壁距離越大，腔體屏蔽效能越好。