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[摘 要]电磁屏蔽效能的好坏决定了电子设备电磁兼容性能，所以研究屏蔽室外壳孔缝对电磁屏蔽特性会产生何种影响是很有必要的。本文在利用时域有限差分法（FDTD）的基础上，通过建模计算分析孔缝的大小和形状会对屏蔽室的电磁屏蔽效能产生哪些影响，旨在为研究设计电子设备机箱的电磁兼容性能提供技术参考。
[关键词]电磁干扰；屏蔽效能；FDTD；孔缝耦合
中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0089-01
一、引言
电子设备工作时，常常会受到来自自身和其他设备的各种电磁干扰，同时电子设备也会对其它正在工作的电子设备产生一定的电磁干扰。电磁辐射对电子设备的干扰主要是通过电子设备上屏蔽室外壳的孔缝耦合进入到电子设备内部。通过研究分析电子设备屏蔽室外壳的各种孔缝耦合的能力，有助于优化电子设备屏蔽室内部的电路和器件的布局设计。
二、电磁屏蔽效能
屏蔽效能SE用来度量屏蔽室抑制电磁辐射干扰的能力。在进行屏蔽效能的计算时，首先应确定电磁屏蔽，也就是对电磁波产生衰减的作用，屏蔽效能用来度量这一作用的大小，单位为dB，计算公式如下：
SE=20*lg（El/E2）或 （1）
SE=20*lg（H1/H2） （2）
（1）式中E1和E2分别为屏蔽前和屏蔽后的电场强度；（2）式中H1和H2分别为屏蔽前和屏蔽后的磁场强度[1]。又因为屏蔽效能包括三部分：吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗，所以有
SE=20*lgA+20*lgB+30*lgR （3）
（3）式中，A、B和R分别为吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗。
三、孔缝对电磁屏蔽效能的影响
若屏蔽室外壳上有方形或圆形的孔缝，则电磁波会通过这些孔缝向外泄露。带有孔缝的金属导体的屏蔽室后侧的总传输系数T总，应为金属导体本身与孔缝二者的穿透传输系数之和，所以有：
T总=TN+Tnh （4）
所以带有孔缝的屏蔽室的电磁屏蔽效能为
SE=20*lg[1/（TN+Tnh）]
1、孔缝对电场屏蔽效能的影响
由于屏蔽室金属板本身的传输系数TN几乎为零，可以忽略不计，因此屏蔽室孔缝的穿透传输系数Tnh决定了屏蔽室总的传输系数T总，屏蔽室电场的屏蔽效能基本上不会随着距离和频率的变化而变化[2]；
为了对比不同形状的孔缝引起的屏蔽室电场屏蔽效能的差异，可在高频条件下，对屏蔽室外壳上分别开有不同形状（正方形、长方形、圆形）、不同分布情况（分别开在屏蔽室外壳的一层或者两层的屏蔽板上）和相同面积的孔缝情况进行分别计算，可以得到屏蔽室中心点位置处电场屏蔽效能SE随孔缝变化的曲线图，如图1所示。
从图1我们可以看出：
1）当孔缝面积相同时，正方形孔缝的屏蔽室的屏蔽效果要优于圆形和长方形孔缝的情况。
2）当长方形孔缝的短边与电磁脉冲的极化方向处于平行时，孔缝长短边比值越大，屏蔽室的屏蔽效果越差。
3）在高于800MHz时，正方形和圆形孔缝屏蔽室的屏蔽效果没有明显差别，
2、孔缝对磁场屏蔽效能的影响
磁场屏蔽效能在低频的情况下，屏蔽室金属板本身的传输系数TN决定了屏蔽室总的传输系数T总，在高频的情况下，孔缝的穿透传输系数Tnh决定了屏蔽室总的传输系数T总。因此，在相同距离时，频率增加，屏蔽室磁场的屏蔽效能也会随之增加；在相同频率时，距离增加，蔽室磁场的屏蔽效能也会随之增加。
四、孔缝处理
1、FDTD方法原理
Maxwell方程组的微分形式如（5）和（6）所示：
△x*H=J+аD/аt（5）
△x*E=-аB/аt（6）
令在磁场或电场在直角坐标系中，某一分量在空间和时间上的离散用f{x，y，z，t}表示，并且有：
f{x，y，z，t}=f{i*△x，j*△y，k*△z，n*△t}=fn{i，j，k}（7）其中，△x、△y和△z分别表示空间网格在三个坐标方向的步长，△t表
示时间步长，i、j和k分别表示网格在三个坐标方向的编号，n表示时间步，（7）式中的i、j、k和n均为整数。
各个电磁场分量的时域有限差分方程可以通过整理离散化的各电磁场分量得到。在有限区域内计算，在空间和时间上进行离散取样电磁场量，媒质问的相互作用和电磁波传播可用数值模拟，以得到近似实际连续的电磁波，这样一来就可以得到无限区域的时域电磁信息，从而得到了整个计算区域内的时域电磁信息。
2、孔缝处理
在实际环境中，有孔缝的屏蔽室的电磁干扰现象十分复杂，要将这一复杂现象完全准确地模拟出来是根本不可能的。在进行孔缝处理分析时，可结合电磁波迎面正照射到孔面的情况来建立孔缝屏蔽模型，此时孔缝的耦合是最大的，屏蔽效能也是最差的。
图2孔缝屏蔽模型的示意图。令计算空间大小为30*30*100，网格编号在三个坐标轴方向的变化范围分别为：-45≤i≤45、-45≤j≤45、-50 孔前侧：Hyn+1/2（i+1/2，j，k-1/2）=Hyn-1/2（i+1/2，j，k-1/2）
+△t/u*{[Exn（i+1，j，k-1/2）-Exn（i，j，k-1/2）]/△x
+[Exn（i+1/2，j，k-1）-Ws*Exn（i+1/2，j，k）/△x]/△z（8）
孔后侧：Hyn+1/2（i+1/2，j，k+1/2）=Hyn-1/2（i+1/2，j，k+1/2）
+△t/u*{[Exn（i+1，j，k+1/2）-Exn（i，j，k+1/2）]/△x
+[Exn（i+1/2，j，k）-Ws*Exn（i+1/2，j，k）/△x]/△z（9）
其中，Ws为孔缝宽，屏蔽室其他面上孔缝两侧磁场分量的FDTD计算公式可以根据（8）和（9）以此类推得到。
五、总结
本文分析研究了屏蔽室外壳孔缝的形状、大小和数量对屏蔽室屏蔽效能的影响，对电力设备机箱的电磁兼容性能研究及设计具有一定的参考意义。
参考文献
[1] 杨欣.电磁脉冲孔耦合[D].哈尔滨理工大学.2006年.
[2] 孙大伟.导体机箱孔缝的电磁辐射仿真研究[D].重庆大学.2005年.
[关键词]电磁干扰；屏蔽效能；FDTD；孔缝耦合
中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0089-01
一、引言
电子设备工作时，常常会受到来自自身和其他设备的各种电磁干扰，同时电子设备也会对其它正在工作的电子设备产生一定的电磁干扰。电磁辐射对电子设备的干扰主要是通过电子设备上屏蔽室外壳的孔缝耦合进入到电子设备内部。通过研究分析电子设备屏蔽室外壳的各种孔缝耦合的能力，有助于优化电子设备屏蔽室内部的电路和器件的布局设计。
二、电磁屏蔽效能
屏蔽效能SE用来度量屏蔽室抑制电磁辐射干扰的能力。在进行屏蔽效能的计算时，首先应确定电磁屏蔽，也就是对电磁波产生衰减的作用，屏蔽效能用来度量这一作用的大小，单位为dB，计算公式如下：
SE=20*lg（El/E2）或 （1）
SE=20*lg（H1/H2） （2）
（1）式中E1和E2分别为屏蔽前和屏蔽后的电场强度；（2）式中H1和H2分别为屏蔽前和屏蔽后的磁场强度[1]。又因为屏蔽效能包括三部分：吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗，所以有
SE=20*lgA+20*lgB+30*lgR （3）
（3）式中，A、B和R分别为吸收损耗、反射损耗和多次反射损耗。
三、孔缝对电磁屏蔽效能的影响
若屏蔽室外壳上有方形或圆形的孔缝，则电磁波会通过这些孔缝向外泄露。带有孔缝的金属导体的屏蔽室后侧的总传输系数T总，应为金属导体本身与孔缝二者的穿透传输系数之和，所以有：
T总=TN+Tnh （4）
所以带有孔缝的屏蔽室的电磁屏蔽效能为
SE=20*lg[1/（TN+Tnh）]
1、孔缝对电场屏蔽效能的影响
由于屏蔽室金属板本身的传输系数TN几乎为零，可以忽略不计，因此屏蔽室孔缝的穿透传输系数Tnh决定了屏蔽室总的传输系数T总，屏蔽室电场的屏蔽效能基本上不会随着距离和频率的变化而变化[2]；
为了对比不同形状的孔缝引起的屏蔽室电场屏蔽效能的差异，可在高频条件下，对屏蔽室外壳上分别开有不同形状（正方形、长方形、圆形）、不同分布情况（分别开在屏蔽室外壳的一层或者两层的屏蔽板上）和相同面积的孔缝情况进行分别计算，可以得到屏蔽室中心点位置处电场屏蔽效能SE随孔缝变化的曲线图，如图1所示。
从图1我们可以看出：
1）当孔缝面积相同时，正方形孔缝的屏蔽室的屏蔽效果要优于圆形和长方形孔缝的情况。
2）当长方形孔缝的短边与电磁脉冲的极化方向处于平行时，孔缝长短边比值越大，屏蔽室的屏蔽效果越差。
3）在高于800MHz时，正方形和圆形孔缝屏蔽室的屏蔽效果没有明显差别，
2、孔缝对磁场屏蔽效能的影响
磁场屏蔽效能在低频的情况下，屏蔽室金属板本身的传输系数TN决定了屏蔽室总的传输系数T总，在高频的情况下，孔缝的穿透传输系数Tnh决定了屏蔽室总的传输系数T总。因此，在相同距离时，频率增加，屏蔽室磁场的屏蔽效能也会随之增加；在相同频率时，距离增加，蔽室磁场的屏蔽效能也会随之增加。
四、孔缝处理
1、FDTD方法原理
Maxwell方程组的微分形式如（5）和（6）所示：
△x*H=J+аD/аt（5）
△x*E=-аB/аt（6）
令在磁场或电场在直角坐标系中，某一分量在空间和时间上的离散用f{x，y，z，t}表示，并且有：
f{x，y，z，t}=f{i*△x，j*△y，k*△z，n*△t}=fn{i，j，k}（7）其中，△x、△y和△z分别表示空间网格在三个坐标方向的步长，△t表
示时间步长，i、j和k分别表示网格在三个坐标方向的编号，n表示时间步，（7）式中的i、j、k和n均为整数。
各个电磁场分量的时域有限差分方程可以通过整理离散化的各电磁场分量得到。在有限区域内计算，在空间和时间上进行离散取样电磁场量，媒质问的相互作用和电磁波传播可用数值模拟，以得到近似实际连续的电磁波，这样一来就可以得到无限区域的时域电磁信息，从而得到了整个计算区域内的时域电磁信息。
2、孔缝处理
在实际环境中，有孔缝的屏蔽室的电磁干扰现象十分复杂，要将这一复杂现象完全准确地模拟出来是根本不可能的。在进行孔缝处理分析时，可结合电磁波迎面正照射到孔面的情况来建立孔缝屏蔽模型，此时孔缝的耦合是最大的，屏蔽效能也是最差的。
图2孔缝屏蔽模型的示意图。令计算空间大小为30*30*100，网格编号在三个坐标轴方向的变化范围分别为：-45≤i≤45、-45≤j≤45、-50
+△t/u*{[Exn（i+1，j，k-1/2）-Exn（i，j，k-1/2）]/△x
+[Exn（i+1/2，j，k-1）-Ws*Exn（i+1/2，j，k）/△x]/△z（8）
孔后侧：Hyn+1/2（i+1/2，j，k+1/2）=Hyn-1/2（i+1/2，j，k+1/2）
+△t/u*{[Exn（i+1，j，k+1/2）-Exn（i，j，k+1/2）]/△x
+[Exn（i+1/2，j，k）-Ws*Exn（i+1/2，j，k）/△x]/△z（9）
其中，Ws为孔缝宽，屏蔽室其他面上孔缝两侧磁场分量的FDTD计算公式可以根据（8）和（9）以此类推得到。
五、总结
本文分析研究了屏蔽室外壳孔缝的形状、大小和数量对屏蔽室屏蔽效能的影响，对电力设备机箱的电磁兼容性能研究及设计具有一定的参考意义。
参考文献
[1] 杨欣.电磁脉冲孔耦合[D].哈尔滨理工大学.2006年.
[2] 孙大伟.导体机箱孔缝的电磁辐射仿真研究[D].重庆大学.2005年.