腔体结构电磁屏蔽特性解析计算方法研究

摘要

面对日益复杂的电磁环境，电子电气产品的电磁兼容变得越来越重要。电磁屏蔽作为电磁兼容的重要手段，不可避免成为该领域的研究热点。为快速、准确计算腔体结构的电磁屏蔽特性，本文对开孔屏蔽腔屏蔽效能、开孔屏蔽腔内传输线负载电磁干扰以及开孔屏蔽腔内电磁谐振的计算与预测方法进行了系统研究，以为腔体结构的电磁屏蔽设计提供理论依据。具体研究内容包括以下四个部分：
　　（1）Robinson解析算法的修正与扩展研究
　　由于Robinson算法在电小孔和较大孔情况下存在较大误差，基于传输线矩阵（transmission line matrix, TLM）法，修正了孔腔耦合因子，推导出一种在电小孔和较大孔情况下具有较高精度的Robinson修正算法。针对Robinson算法只能处理中心孔和中线上 TE10模传播的不足，基于导行波理论，引入电压响应的分量形式以及包含高次模影响的开孔位置系数，推导出一种能够准确预测任意位置开孔屏蔽腔内任意点屏蔽效能和高阶谐振的 Robinson扩展算法。最后利用实验数据与TLM法对两种新的解析算法进行了验证。
　　（2）开孔非连续屏蔽腔屏蔽效能的解析算法研究
　　为分析具有阶梯、开孔金属隔板以及带金属外壳设备等非连续结构的开孔屏蔽腔的屏蔽效能，首先基于波导理论和等效电路原理，建立屏蔽腔的等效电路，然后基于微波电路理论，推导开孔以及腔内非连续结构对应的等效电路的散射矩阵，最后基于传输线网络 BLT（Baum-Liu-Tesche）矩阵方程，推导出一种能够快速预测开孔非连续屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法，并基于该算法和TLM法分析了非连续结构对腔体屏蔽效能以及电磁谐振的影响。
　　（3）开孔屏蔽腔内传输线负载电磁干扰的解析算法研究
　　外界电磁场通过开孔与腔内线缆的耦合问题比较复杂，分析难度大。针对这一问题，基于电磁拓扑（electromagnetic topology, EMT）理论，将耦合问题分解为两个独立的子问题：孔腔耦合问题和场线耦合问题，然后利用等效电路法求解孔腔耦合问题中的耦合电场，再利用求得的耦合电场与Agrawal形式的场线耦合BLT方程求解传输线负载所受的电磁干扰，最终推导出一种能快速计算开孔屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法。
　　（4）开孔屏蔽腔电磁谐振模式的预测方法研究
　　开孔屏蔽腔的电磁谐振特性受孔缝参数和孔腔耦合作用的影响。首先利用TLM法和等效电路法分析开孔尺寸对屏蔽腔电磁谐振的影响规律；然后针对电小孔，基于波导激励原理，推导屏蔽腔内被激励谐振模式与开孔位置的对应关系，并进一步扩展到孔阵情况；最后，基于前两点研究的结论，提出一种基于孔位置与分布的屏蔽腔谐振模式快速预测方法。在TLM仿真与实验数据的验证基础上，给出了一些可用于指导开孔屏蔽腔设计的结论。
　　本文的创新点主要体现在以下三个方面：
　　（1）预测开孔屏蔽腔屏蔽效能的解析计算方法的提出
　　提出的Robinson修正算法修正了Robinson原算法中的孔腔耦合因子，极大地提高了原算法对电小孔和较大孔情况的计算精度。提出的Robinson扩展算法能够准确预测任意位置开孔屏蔽腔内，任意点的屏蔽效能以及包括 TMmn0在内的高阶谐振，极大地扩展了Robinson原算法的应用范围。提出的快速预测具有阶梯、内部金属隔板或带金属外壳设备等非连续结构开孔屏蔽腔屏蔽效能的解析算法，扩展了解析算法的分析范围，比传统的等效电路模型更易于计算机的建模和求解。
　　（2）屏蔽腔内传输线负载所受电磁干扰的解析算法的提出
　　该解析算法利用等效电路法计算外界平面波通过开孔耦合进屏蔽腔内的电场分布，具有不错的计算精度，相比于其他数值法或者半解析法，该算法具有更高的计算效率。此外，该算法还可用于任意入射与极化平面波辐照下，任意位置开孔屏蔽腔内任意点处的屏蔽效能计算。
　　（3）基于孔位置与分布的屏蔽腔谐振模式快速预测方法的提出
　　该预测方法给出了电小孔的位置或分布与屏蔽腔内被激励谐振模式的对应关系，只需根据二者的对应关系就可以快速获得腔内被激励的谐振模式，因此，通过对电小孔位置或分布的设计可以轻易地避开某些谐振模式，提高屏蔽效能，这对开孔屏蔽腔的设计具有重要的应用价值。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 开孔屏蔽腔屏蔽效能Robinson算法的修正研究

2.1 传输线矩阵法

2.2 Robinson算法及其误差

2.3 Robinson算法的修正

2.4 修正算法的有效性验证与结果分析

2.5 本章小结

第三章 开孔屏蔽腔屏蔽效能Robinson算法的扩展研究

3.1 导行波理论

3.2 扩展算法的理论推导

3.3 扩展算法的有效性验证与结果分析

3.4 关于扩展算法的讨论与结论

3.5 本章小结

第四章 开孔非连续屏蔽腔屏蔽效能的计算方法研究

4.1 传输线网络BLT方程

4.2 非连续结构的等效电路及散射矩阵

4.3 非连续腔体屏效的BLT计算方法推导

4.4 计算方法的有效性验证与结果分析

4.5 本章小结

第五章 开孔腔内传输线负载所受电磁干扰的计算方法研究

5.1电磁拓扑基本理论

5.2 Agrawal形式的BLT方程

5.3 计算方法的理论推导

5.4 计算方法的有效性验证与结果分析

5.5 本章小结

第六章 开孔屏蔽腔谐振模式的快速预测方法研究

6.1 波导激励与电磁谐振机理概述

6.2 孔缝尺寸与分布对电磁谐振的影响研究

6.3 腔体谐振模式的预测方法研究

6.4 预测方法的有效性验证与结果分析

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果