雙層加載電路板屏蔽腔屏蔽效能研究（一）

摘要：為了提高設(shè)備中電子元件抵御來自外界和內(nèi)部其他元件的電磁干擾，根據(jù)傳輸線理論，將雙層加載電路板屏蔽腔體模型轉(zhuǎn)換為電路圖，利用電路圖推導(dǎo)出腔體中心屏蔽效能的等效公式。利用Matlab生成傳輸線法屏蔽效能曲線，并通過仿真軟件CST建模仿真，仿真結(jié)果與Matlab輸出曲線良好吻合，驗證了公式的正確性。運用CST研究了一些因素如電路板大小、數(shù)量、放置方式以及距孔縫的距離對屏蔽效能的影響。為了更加貼合實際，采用加載集成運算放大電路的印制電路板來研究腔體屏蔽效能以及腔體對電路板功能的影響，最后提出了一些提高屏蔽效能的方法。

0 引言

電子設(shè)備通常用機殼來屏蔽外界電磁場的干擾，機殼外部通常會開孔來提供通風(fēng)性、可見性，而這樣的開孔會使外部的電磁場通過孔縫耦合到設(shè)備機殼內(nèi)部，從而在機殼內(nèi)部的設(shè)備或印刷電路板上感應(yīng)出電流和電壓，降低設(shè)備或元件的性能，嚴(yán)重時會對內(nèi)部設(shè)備造成損壞。因此，研究有空屏蔽腔對電磁干擾的電磁屏蔽效能有重要的實際意義和價值。從以往的研究看，提高屏蔽效能的方法有很多，如相同面積下，孔陣的屏蔽效能優(yōu)于單孔的屏蔽效能，雙層孔的屏蔽效能優(yōu)于單層的屏蔽效能，也研究了很多因素對屏蔽效能的影響，如孔的大小，形狀，孔間距，電磁波極化方向等。本文主要推導(dǎo)出雙層加載電路板屏蔽腔屏蔽效能公式，并運用CST仿真驗證，研究電路板大小、位置、數(shù)量等因素對后腔中心點屏蔽效能的影響。

1 理論

平面波垂直照射雙層有矩形孔加載電路板的屏蔽腔的模型如圖1所示。一般情況下，由孔縫耦合進(jìn)入屏蔽腔的能量要比穿透腔體壁進(jìn)入屏蔽腔的能量要多，因此只考慮耦合能量。

本文采用材料為銅的雙層屏蔽腔模型，分前腔和后腔兩部分。a ,b 是屏蔽腔的寬和高，前腔長度為d1 ,后腔長度為d2 ;w ,l 為腔體上開孔的長和寬；p 為后腔的中心觀測點；q 為內(nèi)層孔到PCB 板的距離；PCB 板厚度為t′ ;腔體厚度為t .

根據(jù)M.P.Robinson提出的傳輸線理論，孔縫等效為兩端短路的共面帶狀傳輸線，矩形機殼等效為終端短路的波導(dǎo)。該模型等效電路圖如圖2所示。

在圖2中，V0 為等效輻射源，Z0 為空氣波阻抗，約為377 Ω ,Zos 為孔縫的特性阻抗，等效矩形波導(dǎo)的特性阻抗和傳播常數(shù)為Zgmn 和Kgmn .

孔縫特性阻抗由Gupta 給出的公式[6]得出有效寬度：

經(jīng)過AB 之間的傳輸線后，由戴維南定理可得B 點的等效電壓V2 和等效阻抗Z2 :

電路板是一個復(fù)雜的整體，它包括金屬平板、導(dǎo)線、電子元件和損耗介質(zhì)等，在此采用一塊電導(dǎo)率為σ = 0.22 S - m-1 ,介電常數(shù)為εr = 2.65 的宏觀介質(zhì)板代替PCB[7-8],其特性阻抗和傳播常數(shù)為Zg 和Kg .其中當(dāng)介質(zhì)板大小與矩形腔橫截面大小無限接近時，腔內(nèi)電磁場在介質(zhì)板表面的反射可以忽略，由傳輸線理論可得介質(zhì)板左端的電壓經(jīng)過厚度為t′ 的介質(zhì)板傳輸?shù)桨逵覀?cè)的電壓V5 和阻抗Z5 為[6,8]:

每一種模式的波在P 點的電壓為：

2 仿真結(jié)果分析

為了驗證理論結(jié)果的正確性，用電場強度為1 V - m-1 的平面電磁波照射厚度為1 mm的矩形屏蔽殼，腔體尺寸為300 mm × 120 mm × 600 mm ,其中前腔長300 mm ,后腔長300 mm ,孔縫尺寸為80 mm ×20 mm ,介質(zhì)板尺寸為300 mm × 120 mm × 1 mm ,安裝在距離第二層孔縫100 mm 處，仿真頻率為200 MHz~1 GHz .

介質(zhì)板中心與開孔中心以及觀測點在一條直線上，當(dāng)屏蔽腔內(nèi)有介質(zhì)板時，入射波耦合進(jìn)入腔體，遇到介質(zhì)板，發(fā)生介質(zhì)損耗，電磁波能量主要分為三部分：一部分透過介質(zhì)板進(jìn)一步傳播，一部分反射，還有一部分通過介質(zhì)板與腔體的縫隙發(fā)生繞射，介質(zhì)板還會吸收能量。由于電磁波的透射和繞射，在介質(zhì)板之后的空間還存在電磁場。

圖3 是采用等效傳輸線法和CST 仿真方法在后腔中心點屏蔽效能的對比，可以看出兩種方法的結(jié)果在低頻有部分差異，但在300 MHz以后較好吻合。且腔體在707 MHz出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

2.1 改變介質(zhì)板大小對屏蔽效能的影響

圖4 中內(nèi)層孔到加載PCB 板的距離q=100 mm,采用三種不同大小的介質(zhì)板，分別為500 mm×10 mm,100 mm×40 mm 和200 mm×80 mm.可以看出，在給定頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)板越大，腔體屏蔽效能越高，這是因為介質(zhì)板越大，其介質(zhì)損耗越大，諧振點的場強越小，屏蔽體的屏蔽效能越大。