屏蔽腔体EMC特性的解析算法及仿真方法研究

摘要

对于复杂电磁干扰环境，电子设备的电磁兼容特性（ Electromagnetic Compatibility, EMC）尤为重要。在电子设备出产之前，其EMC特性必须通过国家规定的相关电磁兼容测试，这对电子设备元器件中屏蔽电磁辐射的屏蔽腔体提出了极高的要求。如果在测试过程中才发现屏蔽腔体存在电磁兼容问题从而进行整改必然费时费力。因此，在设计阶段就对屏蔽腔体进行EMC分析和结构整改显得尤为重要。
　　本文针对屏蔽腔体的多种EMC特性解析算法进行了深入研究，同时提出了一种新的仿真方法，并采用仿真软件分析了屏蔽腔体的多种结构参数对其EMC特性的影响。本文的主要研究工作有：
　　（1）基于广义边界条件推导出孔阵结构透射、反射系数的解析表达式，利用透射、反射系数的解析表达式推导了孔阵结构屏蔽效能解析算法，并利用数值仿真软件对透射、反射系数的解析表达式以及屏蔽效能解析算法进行了验证。利用推导的解析算法以及数值仿真软件，分析了孔阵结构的相关结构参数对其EMC特性的影响规律。
　　（2）Robinson解析算法可以快速、准确预测开孔腔体的屏蔽效能，该算法虽经多次扩展，但适用范围仍有较大局限。本文对Robinson解析算法进行了进一步扩展，使之能够计算任意位置开孔时腔体内部任意点的屏蔽效能。此外，还对Robinson原始及扩展解析算法的准确性进行了分析，研究了观测点与开孔之间的距离参数对其准确性的影响，并推导出由屏蔽腔体结构参数构成的原始及扩展解析算法的准确性评价公式。
　　（3）基于微扰原理推导出开孔腔体谐振频率的解析算法，并用仿真方法和实验测试验证了该算法的准确性。对于因装配导致的贯穿形式长缝隙，因其长度尺寸较大不能使用谐振频率解析算法对其进行分析，本文运用仿真软件对贯穿形式长缝隙的多种结构参数进行了分析，总结出缝隙的结构参数对其电磁谐振特性的影响规律。
　　（4）对于以PCB为内部干扰源的屏蔽腔体，本文提出了研究其EMC特性的全波仿真方法。将实际PCB模型文件导入电磁仿真软件，通过仿真计算获得PCB电磁辐射能量，再将PCB电磁辐射能量导入腔体做为内部干扰源，通过仿真计算即可得到包含PCB和屏蔽腔体的全波EMC特性。基于以实际PCB作为内部干扰源的屏蔽腔体全波仿真方法，本文同时分析了屏蔽腔体多种结构参数对其电磁屏蔽效能的影响。
　　基于上述几项研究内容，本文的主要创新点在于：
　　（1）提出了一种预测开孔腔体屏蔽效能的 Robinson扩展解析算法。原始Robinson算法仅能计算中心开孔时开孔中轴线上观测点的屏蔽效能，扩展解析算法则可计算任意开孔条件下腔体内部任意位置的屏蔽效能，因此其适用范围更广，实用性更强。
　　（2）提出一种开孔腔体谐振频率的解析算法。封闭腔体的谐振频率可由经典公式得出，但腔体表面的开孔会使得谐振频率发生偏移，经典公式将不再适用。本文基于微扰原理，得出开孔对谐振频率产生的偏移量，从而推导出开孔屏蔽腔体的谐振频率解析算法。
　　（3）提出一种以PCB做为内部干扰源的屏蔽腔体EMC全波仿真方法。对屏蔽腔体进行EMC分析所采取的内部源大多为单极子天线、偶极子天线或耦合微带线，这些内部源并不能较好地模拟实际内部干扰源。本文提出将实际PCB电磁辐射能量导入腔体做为内部干扰源，再通过数值仿真获取其EMC特性。这种全波仿真方法更能模拟实际内部干扰源，因此具有更高的准确性。
　　本文提出的解析算法和全波仿真方法可在设计阶段就对屏蔽腔体进行EMC分析和结构整改。根据本文的分析、仿真以及实验可总结出屏蔽腔体的诸多结构参数对其EMC特性之间的影响规律，该规律可为屏蔽腔体的电磁理论分析与实际生产加工提供一定的建议。

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第一章 绪 论

1.1 课题的提出和研究目的

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容以及创新点

第二章 基于透射和反射系数的孔阵结构屏蔽效能解析算法研究

2.1 分析孔阵金属板透射系数和反射系数的必要性

2.2 传统边界条件和广义边界条件

2.3 孔阵金属板透射、反射系数解析算法的推导

2.4 解析算法和数值仿真的结果对比

2.5 基于透射、反射系数的孔阵结构屏蔽效能解析算法研究

2.6 本章小结

第三章 腔体屏蔽效能Robinson解析算法的扩展及其准确性分析

3.1 开孔屏蔽腔体屏蔽效能解析算法的扩展分析

3.2 观测点位置与解析算法准确性之间的关系研究

3.3 本章小结

第四章 屏蔽腔体电磁谐振特性的解析算法研究及数值仿真分析

4.1 对屏蔽腔体谐振点处EMC特性进行分析的必要性

4.2 基于微扰原理的屏蔽腔体谐振频率解析算法推导及其准确性验证

4.3 贯穿形式长缝隙的电磁谐振现象数值仿真分析

4.4 本章小结

第五章 以实际PCB作为内部干扰源的屏蔽腔体全波仿真分析

5.1 基于内部干扰源的屏蔽腔体EMC特性分析的必要性

5.2 仿真环境介绍

5.3 以PCB作为内部干扰源的屏蔽腔体全波仿真方法

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续展望

致谢

参考文献

科研经历

攻读博士学位期间取得的成果