电磁屏蔽箱性能分析

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                1  引言

                        计算机作为信息处理设备，在社会生产生活中起着重要作用。研发人员更多考虑的是计算机的主板、电源、CPU、显卡、声卡、网卡等的性能，而对机箱的考虑相对较少。但机箱对计算机的电磁兼容性的影响是不可忽视的。它不仅提供机械保护，还起到电磁屏蔽作用，使计算机免受外界电磁波的干扰，工作更加地稳定、可靠；同时，它又防止计算机自身产生的电磁波向外辐射，不影响其它设备工作，防止信息泄露及对人体造成伤害。因此机箱设计应引起研发人员的重视。计算机主机电磁泄漏方式包括:一种是以电磁波的形式辐射，称为辐射泄漏，主要通过计算机各种接口及其它孔缝等；另一种是通过各种线路传导出去的，称为传导泄漏，计算机系统电源信号线及地线等都可以作为传导媒介。这里主要考虑辐射泄漏。
                         
                        为分析计算机机箱的辐射泄漏，我们在HFSS中建立一个简单的箱体仿真模型，如图1所示，机箱壁由六片理想金属导体板构成，厚度均为0.05cm，机箱内部尺寸为22cm x 14cm x 30 cm，介质为真空（vacuum）。由50ohm同轴电缆探头对导
       

               

       

                图1  本文中的仿真模型及激励源形式

       

                 

                        体腔馈电，经半径为0.16cm的导线延长探头的中心导体部分，连接到机箱侧面板上焊接的47ohm的贴片电阻上。仿真频率1GHz~3GHz。为保证结果尽可能准确，数据均是选择在终端S参数（S11）曲线中-10db以下的频率点所测，此时负载较匹配。
                         
                        2  孔缝的方向因素分析

                        这里分别分析几种面积相同且形状相同的孔缝垂直和平行于源电流方向开置的情况，为便于分析，所有孔缝都分别开置于机箱后面板中心位置处，分别测量两种开置方式在1.09GHz固定的频率点固定线上的电场场强，为便于计算，对线进行量化。量化点数为1000。测量线为平行于开口中心轴线且距离开口3cm处与开口同长度的一条线。得到两组数据E1及E2。
                        2-1. 12 x 2cm2和2 x 12cm2 孔，仿真模型如图2所示。
       

               

       

                图2  12 x 2cm2和2 x 12cm2 开孔形式模型

       

                 

                        得到的E1及E2折线图如图3所示，由图可以看出，2 x 12cm2 孔的测量线上的场强大部分小于12 x 2cm2 孔的场强。
       

               

       

                图3  12 x 2cm2和2 x 12cm2 孔测量线场强折线图

       

                 

                        2-2. 12 x 0.1cm2和0.1 x 12cm2 缝，仿真模型如图4所示。
       

               

       

                图4  12 x 0.1cm2和0.1 x 12cm2 开缝形式模型

       

                 

                        得到的E1及E2折线图如图5所示，由图可以看出，除特殊点外，0.1 x 12cm2 缝的测量线上的场强小于12 x 0.1cm2 缝的场强。
       

               

       

                图5  12 x 0.1cm2和0.1 x 12cm2 缝测量线场强图

       

                 

                        2-3. 4.5 x 2cm2和2 x 4.5cm2 孔，仿真模型如图6所示。
       

               

       

                图6  4.5 x 2cm2和2 x 4.5cm2 开孔形式模型

                 
                        得到的E1及E2折线图如图7所示，由图可以看出，2 x 4.5cm2 孔的测量线上的场强均小于4.5 x 2cm2 孔的场强。
       

               

       

                图7  4.5 x 2cm2和2 x 4.5cm2 孔测量线场强图

                         
                        2-4. 4.5 x 0.1cm2和0.1 x 4.5cm2 缝，仿真模型如图8所示。
       

               

       

                图8  4.5 x 0.1cm2和0.1 x 4.5cm2开缝形式模型

       

                 

                        得到的E1及E2折线图如图9所示，由图可以看出，0.1 x 4.5cm2 缝的测量线上的场强均小于4.5 x 0.1cm2 缝的场强。
       

               

       

                图9  4.5x 0.1cm2和0.1x 4.5cm2 缝测量线场强图

                         
                        由以上几组不同模型的仿真结果得到如下结论：在激励源方向固定、孔缝面积和形状相同的情况下，孔缝的开置方向对辐射强度有较大的影响，孔缝沿源电流平行开置对外的辐射强度要远低于比垂直于源电流方向开置的孔缝。
                         
                        3  孔缝的形状因素分析

                        这里分析两组相同面积的圆孔、方孔及平行于源电流方向的矩形孔的情况，为便于分析，所有孔缝都分别开置于机箱后面板中心位置处，分别测量三种开置方式在固定频率点固定线上的电场场强，为便于计算，对线进行量化。量化点数为1000。圆孔和方孔的测量线为距离开口3cm处平行和垂直于源电流的两条线，矩形孔测量线为平行于开口中心轴线且距离开口3cm处与开口同长度的一条线。然后测量距后面板4cm处面上的电场场强。最后由导出数据计算面的平均场强。
                        第一组开孔面积均为9 cm2 ，仿真模型如图10所示。圆孔r= 1.69256875 cm ，方孔 3 X 3 cm2 ，矩形孔 2 X 4.5 cm2 。测量频率点为1.09 GHz。
       

               

       

                图10  开孔面积均为9cm2圆孔、方孔、矩形孔模型

       

                 

                        得到的测量线折线图如图11所示。
       

               

       

                图11  测量线场强折线图

       

                 

                        （图例中2x4.5表示矩形孔的测量线， 3x3 V和3x3 H分别表示方孔垂直和平行于源电流的测量线，CircleV和CircleH分别表示方孔垂直和平行于源电流的测量线）
                        距后侧面板4cm处面上的电场场强图如图12所示，计算后的面场强的平均值为
                        圆孔：0.520086842 V/m ，方孔：0.480214061 V/m ，矩形孔：0.085773967 V/m。
       

               

       

                图12  开孔面积均为9cm2的圆孔、方孔、
                矩形孔距后侧面板4cm处面电场场强图

       

                 

                        可以看到，在此组比较中，矩形孔的屏蔽效果是最好的，方孔和圆孔较前者要差的多，并且圆孔是最差的。
                         
                        第二组开孔面积均为16 cm2 ，仿真模型如图13所示。圆孔r= 2.256758334191 cm ，方孔 4 X 4 cm2 ，矩形孔 2 X 8 cm2 。测量频率点为2.15 GHz。
       

               

       

                图13  开孔面积均为9cm2圆孔、方孔、矩形孔模型

       

                 

                        得到的测量线折线图如图14所示。
       

               

       

                图14  测量线场强折线图

                         
                        （图例中2x8表示矩形孔的测量线， 4x4 V和4x4 H分别表示方孔垂直和平行于源电流的测量线，CircleV和CircleH分别表示方孔垂直和平行于源电流的测量线）
                        距后侧面板4cm处面上的电场场强图如图15所示，计算后的面场强的平均值为
                        圆孔：0.096899033 V/m ，方孔：0.034421045 V/m ，矩形孔：0.034946021 V/m
       

               

       

                图15  开孔面积均为16cm2的圆孔、方孔、
                矩形孔距后侧面板4cm处面电场场强图

       

                 

                        可以看到，在此组比较中，圆孔的屏蔽效果最差，矩形孔和方孔较前者要好。
                         
                        通过以上两组比较可以看出：在激励源方向固定、孔缝面积相同时，孔缝的形状对辐射强度有较大的影响，当孔缝沿源电流平行开置时，平行于源电流方向的矩形孔对外辐射强度要比同等面积的圆孔低得多。
                         
                        4  结论

                        本文利用HFSS软件仿真分析计算机机箱上开口的辐射特性及其屏蔽性能，在激励源方向固定的前提下得出了以下结论：
                        ①孔缝面积和形状相同时，孔缝的开置方向对辐射强度有较大的影响，孔缝沿源电流平行开置对外的辐射强度要远低于比垂直于源电流方向开置的孔缝；
                        ②孔缝面积相同时，当孔缝沿源电流平行开置时，对外辐射强度要比同等面积的圆孔低得多，此点结论只在激励源固定的条件下成立，如果激励源不确定，源电流方向不唯一，孔缝不能沿源电流方向开置，此时要权衡各个方向，此时圆孔屏蔽效果是最好。