高速电子技术的发展和无线技术的广泛应用使得电磁干扰问题越来越突出,系统的电磁兼容性已成为现代电子设备设计过程中必须考虑的重要问题。电磁屏蔽是电磁干扰控制的重要手段,也是电磁兼容设计的首要方法。本文研究常用屏蔽结构的屏蔽机理,开发电子设备屏蔽性能的快速计算方法,并提出提高电子设备屏蔽性能的一般性方法。主要工作有:(1)带孔缝或孔阵屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法研究传统的等效电路法将孔缝等效为共面带状传输线,运用低频近似求解其阻抗,然后基于传输线理论计算屏蔽腔的屏蔽效能。但是,这种方法的适用范围较窄且在某些情况下精度较低。因此,本文深入考察已有的带单孔或孔阵屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法,分析它们的优缺点及适用范围。基于波导隔膜理论和传输线理论提出新的孔缝阻抗模型,从而得到更加通用、精确的屏蔽效能计算方法。同时,研究高次模在屏蔽腔内的传输规律,将等效电路法扩展到更高的频率范围。(2)带孔缝或孔阵屏蔽腔屏蔽性能的数值分析及屏蔽设计方法研究当前对于孔缝、孔阵电磁屏蔽特性的研究主要集中于仿真方法方面,缺少系统地考察孔缝与孔阵几何参数、干扰源特性、内部元器件等对屏蔽效能影响的研究。因此,本文研究孔缝和孔阵的辐射与散射原理以及带孔缝或孔阵屏蔽腔的谐振特性。对内部激励时孔缝屏蔽性能及外部平面波干扰时的孔阵屏蔽效能进行系统的研究,考察缝隙参数、孔阵参数、干扰源特性、内部元器件等对屏蔽性能的影响,提出带孔缝或孔阵屏蔽腔的屏蔽设计方法。针对实际的服务器机箱,使用数值法计算其屏蔽效能并采用测试实验的手段验证电磁屏蔽数值计算的有效性。(3)内部激励下屏蔽结构的时域有限元建模及分析方法研究在各种能够被用来仿真电磁屏蔽问题的数值方法中,时域有限元(FETD)法具有能够处理任意几何结构、复杂材料、宽带激励的优点。因此,本文研究屏蔽结构的FETD建模方法,使用Galerkin法推导适用于内部同轴电缆激励情况下屏蔽分析的FETD弱解公式,将弱解公式进行时空离散化从而获得时域迭代公式。基于推导的FETD公式开发面向对象的代码,对带缝隙或孔阵屏蔽腔的传输功率和远场电场幅值进行计算,将计算结果与实验结果进行对比,验证FETD在预测复杂结构屏蔽性能方面的准确性。(4)FETD与Prony混合方法及其在强谐振结构屏蔽分析中的使用方法研究在使用时域计算方法分析强谐振结构的屏蔽性能时,如果时域迭代计算终止的过早,频域结果的精度会降低。而如果使用纯粹的时域方法直到达到要求的精度,会使求解时间大大增长。因此,本文集中研究强谐振结构的谐振机制,基于此提出FETD与扩展Prony法的组合方法用于减少时域迭代步数和计算时间。应用组合方法对内部同轴电缆激励下带缝隙或孔阵屏蔽腔的传输功率及远场电场幅值进行计算,并和纯粹FETD方法的计算结果进行对比,验证组合方法的有效性及精确性。基于计算实例总结出组合方法实施的一般步骤和关键参数的选取方法。(5)基于GPU加速FETD的电磁屏蔽分析方法研究目前对屏蔽问题的数值分析采用FETD的较少,根本原因有两个,其一是FETD的计算量较大,其二是FETD编程复杂。针对这些问题,有必要开发并行算法对FETD进行加速。因此,本文针对FETD求解中组装集成和系统矩阵求解这两个关键步骤,研究其适合在GPU上运行的高效并行算法。应用并行化的FETD计算带缝隙或孔阵屏蔽腔的传输功率与远场电场幅值,将计算过程中的资源消耗情况和串行FETD消耗的资源进行对比,考察其加速效果并提出提高并行效率的方法。本文的创新性主要体现在以下几个方面:(1)具有更高精度和广泛适用性的屏蔽解析模型的提出本文基于波导隔膜模型与传输线理论而提出的带孔缝屏蔽腔的屏蔽效能计算方法比传统等效电路法更加准确,通用性更强。它消除了传统模型对孔缝几何参数的限制,并能够处理孔缝长度为干扰波波长整数倍的情形。另外,新的模型也考虑了屏蔽腔中高次模的传播特性,并且具有相对于传统模型更高的精度。(2)带孔缝或孔阵屏蔽腔屏蔽设计方法的提出本文对内部激励时孔缝屏蔽性能及外部平面波干扰时的孔阵屏蔽效能进行了系统的研究,考察了缝隙参数、孔阵参数、干扰源特性、内部元器件等对屏蔽性能的影响,提出了带孔缝或孔阵屏蔽腔的屏蔽设计方法。(3)FETD与Prony高效组合方法的提出本文提出的FETD和Prony组合方法能够大大减少强谐振结构屏蔽分析的时间和时域迭代步数,却可以获得与纯粹FETD几乎相同的求解精度。此外,本文还给出了使用这种组合方法的一般步骤和关键参数的选取方法。(4)基于GPU加速FETD的高效屏蔽分析方法的提出本文提出了基于GPU加速FETD的高效屏蔽分析方法,并考察了其相对于CPU程序的加速效果。对于包含约170万个未知量的孔阵屏蔽问题,单GPU程序就可以获得相对于单CPU程序22倍的加速比。