有内置薄板腔体的HEMP屏蔽效能研究

在HEMP(高空核电磁脉冲)平面波照射下,依据传输线理论和波导理论,结合电路原理,分别建立了HEMP在金属腔内传播时的等效电路模型和信号流图,得到了腔体各部分的等效阻抗以及HEMP 在腔体内传播过程中的传输矩阵和散射矩阵。采用了传输线法(TLM)和广义Beam-Liu-Tesche(BLT)方程法两种快速算法计算有内置薄板的开孔矩形金属腔的屏蔽效能,与仿真计算进行了对比,验证了扩展算法的准确性,并分析了内置薄板的宽度和位置对腔体屏蔽效能的影响。结果表明:两种快速算法均能准确地计算腔体的屏蔽效能;内置薄板越宽,且越靠近中央位置,腔体的屏蔽效能越高,谐振频率越大。研究所得结论可以为电子设备的HEMP防护提供重要的理论依据。     

带孔缝矩形金属腔体屏蔽效能研究

针对带孔缝矩形金属腔体在电磁辐射下的屏蔽效能问题,利用基于时域有限积分法的电磁仿真软件CST,建立了平面波辐照条件下含孔缝金属腔体的耦合模型,重点研究了电场极化方向,腔体材料,矩形孔缝的长度、宽度和深度,孔缝填充介质介电常数及其厚度等参数对屏蔽效能的影响规律.研究结果表明:典型金属材料对屏蔽效能的影响差别不大,垂直于电场极化方向的孔缝边长更能影响腔体的屏蔽效能,孔缝尺寸会影响矩形金属腔体的谐振点,孔缝深度能够通过衰减入射波在一定程度上影响屏蔽效能,孔缝填充介质会降低屏蔽效能,介质厚度及其介电常数会影响屏蔽效能峰值点.研究结果对金属腔体的电磁兼容设计有一定的指导意义.     

开缝腔体场强增强效应抑制方法研究

开缝屏蔽腔体不能完全阻断能量耦合,导致在腔内局部区域、特定频点附近形成场强增强效应,对敏感器件或线路构成威胁。以分析腔内场强增强效应及研究抑制方法为出发点,建立3 种开缝腔体数值模型,提出并验证腔体涂覆吸波材料、内置吸波柱、内置双层PCB 板等谐振抑制方法的有效性。结果表明:在3 种腔体模型内表面涂覆吸波材料均能有效抑制场强增强效应,并且涂覆磁损耗型吸波材料效果最好;随着涂覆厚度的增加,谐振抑制效果也增强;腔体中心放置吸波柱,应使用电损耗型吸波材料。腔体内置PCB 板既能实现对电子器件和线路的承载功能,还可整体大幅度提升腔体屏蔽效能,对谐振效应的抑制体现在迫使腔体主谐振点偏移,结合使用吸波材料,高阶第2 谐振点处谐振抑制效果也明显改善。     

双面含孔金属腔体屏蔽效能的快速计算

为研究双面含孔矩形金属腔体的屏蔽效能问题,运用矢量分解和等效传输线相结合的原理,给出了双面含单孔的矩形金属腔体内部中心点屏蔽效能计算方法,通过与电磁数值软件CST 的计算结果对比,验证了该计算方法的有效性,且耗时少、收敛快,运用该方法进一步研究了双面含孔阵矩形金属腔体屏蔽效能,得到了腔体内部多模谐振规律。在共振频率附近,腔体内中心点的耦合电场较强,当频率低于主频谐振时,屏蔽效能随着频率的降低而增大;在2GHz 频率范围内,腔体内部各个方向的屏蔽效能都存在多模谐振的现象,且谐振模式不相同;开有相同面积的孔阵屏蔽效能比单孔差,谐振模式变化不大。     

基于HFSS的有孔屏蔽体的屏蔽效能分析

为了解腔体结构和孔缝对屏蔽效能的影响,寻找提高屏蔽效能的方法,在建立单层腔体的物理模型的基础上对单腔做了改进,建立孔阵和带有分仓的矩形腔体模型,使用有限元仿真软件HFSS对屏蔽效能进行仿真和分析。结果表明:分仓可以使腔体内仓的屏蔽效能提高,但对外仓的屏蔽效能影响不大,而且分仓会使主谐频率发生偏移;在保持孔缝面积不变的情况下,孔阵的屏蔽效能比单腔要好,而且缝隙长宽比越小,屏蔽效能越好。     

有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐振抑制研究

介绍了用传输线解析计算法分析有孔矩形腔屏蔽效能的基本原理,对基本公式作进一步修正,使其能计算孔阵列情形,并对修正的传输线模型计算公式进行了扩展,使其能计算任意极化方向时的情况.通过在腔体内表面敷设经过优化计算的复合电介质涂层,实现了对特定谐振频率抑制.计算和仿真结果表明:当处于谐振频率时,屏蔽系数很低甚至为负;孔阵的屏蔽效能比相同面积的单孔的屏蔽效能好;屏蔽效能随极化角度增加而变化,当耦合电场极化方向平行孔缝的长边时,屏蔽效果最好;在腔体内表面上敷设对应腔体谐振频率的复合电介质涂层,实现了在相同的厚度条件下对腔体谐振频率最佳的抑制效果.根据计算结果提出了设计屏蔽腔的建议.     

高频有损斜开孔腔体屏蔽效能研究

针对带孔屏蔽腔体工作时受复杂电磁干扰问题,基于电磁拓扑理论和BLT 方程,考虑开孔倾斜、偏 心、任意平面波照射、任意观测点位置等情况,提出用于计算斜开孔腔体屏蔽效能的解析模型。同时将腔体材料考 虑为有损导体,对BLT 方程中散射矩阵和传播矩阵进行修改;并利用电压和电场分布关系,考虑腔体内多种传播模 式,将模型的可计算频段拓展为0~3 GHz。最后,设计五组试验,对比CST 仿真值、Robinson 拓展算法计算值与文中 所提模型计算值,验证所提模型的准确性与优化性。为实际工程中孔缝腔体屏蔽问题的预测与计算提供方法。     

基于BLT计算复杂腔体结构屏蔽效能的拓展方法

本文通过拓展BLT(Baum-Liu-Tesche)方法,计算了复杂结构腔体的屏蔽效能（Shielding Effectiveness,SE）. BLT方法最初被用于分析传输线模型,后被拓展到计算腔体屏蔽效能,然而其局限于计算矩形腔体和圆柱腔体的屏蔽效能,无法分析更加复杂的腔体结构.本文将BLT方法与数值方法相结合,同时利用机器学习的回归方法,将其拓展到复杂腔体结构的屏蔽效能计算中.本文首先计算了腔体二维截面的特征模;然后,基于电磁波传播规律建立了等效电路网络结构,结合BLT方法获得腔体屏蔽效能的频域响应分布;最后,利用机器学习方法训练支持向量回归模型（Support Vector Regression,SVR）,修正频域响应幅值,得到腔体目标的屏蔽效能.本文采用了3种不同结构的腔体对提出的方法进行了验证,频率范围为0.1～3 GHz.以商业软件仿真得到的结果为标准,本文提出的方法可以在85%的置信度条件下,实现均方根误差小于3,同时计算速度相比商业软件提升80倍以上.     

一种基于缝隙天线阻抗的带缝腔体谐振频率计算方法

电磁波经缝隙进入机箱腔体后,会在某些频率点形成驻波而发生电磁谐振,导致腔体屏蔽效能急剧下降.为快速准确预测谐振频率以指导屏蔽腔体设计,本文基于缝隙天线阻抗理论提出一种带缝腔体谐振频率的计算方法.将电磁场用自由空间和腔体格林函数表示,根据缝隙处的边界条件建立等效磁流源的积分方程.通过矩量法求解积分方程,计算出腔体输入阻抗.根据谐振发生时电抗为零或电阻最小,可从频率-阻抗曲线获得谐振频率.本文方法不仅能预测缝隙谐振和低阶模式腔体谐振,还能预测出高阶谐振.与实验和CST仿真结果对比验证了本文方法的准确性及快速性.最后用本文方法分析了腔体和缝隙尺寸以及缝隙位置对谐振频率的影响.     

基于进化卷积神经网络的外壳屏蔽效能预测

随着设备功率密度和可靠性要求的不断提升，设备电气外壳应设计孔缝以解决散热和电磁屏蔽问题。为了优化孔缝结构和位置，需在设计过程中计算和预测电气外壳屏蔽效能。针对现有屏蔽效能分析方法误差较大等问题，先建立了基于电磁拓扑理论BLT方程的带孔外壳屏蔽效能等效模型，并提出了基于进化卷积神经网络的屏蔽效能参数提取方法，再以外壳屏蔽效能部分频点结果作为模型输入，提取屏蔽效能模型参数，最后根据模型计算其它频点的外壳屏蔽效能。对比分析结果表明，文中方法能够实现带孔缝外壳屏蔽效能预测，误差小于10 dB且不受外壳结构、孔缝位置和屏蔽材料参数影响。     

Shielding effectiveness of rectangular cavity made of a new shielding material and resonance suppression

New shielding material has become an alternative to traditional metal to shield boxes from electromagnetic interferences. This article introduces the theory of transmission line method to study the shield boxes made of a new sort of material, and then expands the fundamental formulas to deal with the cases of multiple holes and polarization with arbitrary angle. By means of genetic algorithms with the aid of a three dimensional simulation tool, the damping of electromagnetic resonances in enclosures is researched. The computation indicates that under resonant frequency, electromagnetic resonance results in low, even negative shielding coefficient; whereas, for the same areas, shielding effectiveness of a single hole is worse than that of multiple holes. Shielding coefficient varies when polarization angle increases, and the coupled field through the rectangular aperture with the long side parallel to the thin wire is much weaker than that with the long side vertical to the thin wire. By using the metallic-loss dielectric layer of optimized calculation on the internal surface of the cavity, the best result of resonance suppression has been realized with the same thickness of coating. Finally, according to the calculation result, suggestions for shielding are proposed.     

高频状态下的圆孔屏蔽效能经验公式

电子设备电磁屏蔽效能的好坏直接影响着屏蔽体内电子器件工作的稳定性,而电磁屏蔽体上的孔洞造成的电磁泄漏是一个不容忽视的问题。针对这个问题,对有孔洞的屏蔽体的电磁泄漏进行了仿真计算,定量分析孔洞大小对屏蔽外壳的屏蔽性能的影响。分析结果表明在屏蔽体壁厚保证的情况下,孔洞的直径越小,屏蔽效能越高。当孔洞的半径在10mm以下时,屏蔽效能在30dB以上,满足实际工程要求的屏蔽效能要求。并由此得到屏蔽效能经验公式。     

内置金属/电介质同心圆柱的金属孔阵列结构强透射特性

采用有限时域差分(FDTD)法研究了内置金属/电介质同心圆柱结构的材料属性、半径及其相对高度对金属孔阵列强透射特性的影响.发现该结构与内置单一金属、单一电介质和电介质/金属三种不同的同心圆柱结构相比较,光的透射性能得到显著的增强;这种内置金属/电介质同心圆柱结构具有进一步增强表面等离激元与局域表面等离激元共振耦合作用.结果表明,金属、电介质的材料属性对强透射特性影响明显,当金属圆柱为Au、电介质圆柱折射率较小时,其透射性能较好;圆柱半径是影响透射率与共振峰位置的主要因素,半径越大,共振峰红移越明显,但其透射率先增大而后持续减小.同时,金属/电介质圆柱的相对高度也影响透射率大小,当金属圆柱高度为60 nm时,其透射性能较好.     

VFTO 空间场对腔体耦合试验研究*

采用基于时域有限差分法(FDTD)的电磁仿真软件,建立了在VFTO空间辐射场下的二次设备外壳仿真模型,分析了该外壳内不同开孔及孔阵部位耦合场特性。然后通过现场测试,研究了在1000k V GIS变电站中,VFTO空间场辐射下的二次设备内耦合场特性。结果表明:二次设备外壳上的孔阵及缝隙阵对VFTO空间场辐射有明显的抑制作用,且耦合场在腔体内的持续时间要明显大于VFTO空间场在自由空间中的持续时间;二次设备内的PCB板对腔体内的耦合场有一定的抑制作用,因而当腔体内存在PCB时,腔体内耦合场幅值将比空腔时要小,同时由于介质板对高频振荡的抑制作用,耦合场的持续振荡时间也会有所缩短,且发现腔体内的PCB会改变原有空腔内耦合场的主频分布。     

水雾热遮蔽过程的辐射与导热耦合换热

人工水雾对热辐射有着强烈的散射和吸收,可用于火灾安全和红外隐身。将水雾视为吸收、各向异性散射的灰体介质,考虑水雾的介质辐射、多重散射和环境的影响,利用窄谱带模型和Mie散射理论计算离散谱带的平均光学系数,将辐射传输方程和能量守恒方程耦合计算,建立了8~14微米红外辐射在水雾中衰减的计算模型。应用蒙特卡洛法与本文算法作对比,验证了模型的正确性;计算分析了目标在水雾遮蔽下的辐射强度场、热流密度散度以及对水雾温度场的影响;利用本文模型计算了光谱半球通过率,通过与朗伯比尔定律作对比,反映了介质辐射、多重散射、辐射热流等因素使得水雾遮蔽效率降低。     

Development and Use of the BLT Equation in the Time Domain as Applied to a Coaxial Cable

This paper discusses the use of the Baum-Liu-Tesche (BLT) equation for calculating transmission-line load responses directly in the time domain. From the frequency-domain BLT equation, its transient counterpart is first derived. For the special case of a coaxial cable, explicit expressions for the transient propagation function, the surge impedance and admittance, and the transient reflection coefficients at each end of the line are derived. These quantities, together with the transient-BLT equation, are used to compute the transient load voltages. The computed results are subsequently compared with transient responses obtained using the frequency-domain BLT equation and Fourier inversion, and the agreement is excellent for highly conducting cables. The benefit of deriving the BLT equation in the time domain is that it may be used, with slight modifications, to treat the case of nonlinear or time-varying loads. This will be described in a future paper     

A new type of traveling-wave deflection system

The analysis of the meander-line type of traveling-wave deflection system shows that the deficiency in the dispersion characteristics is due to the interaction of the electromagnetic field on a section of a finger with that on other fingers. Insertion of a shielding plate between two neighboring sections of the fingers reduces mutual interactions. The meander line with the shielding plate is called the trough-type traveling-wave deflection system. The analysis shows that uniform characteristics of the dispersion and the admittance with respect to the frequency are expected in the trough-type traveling-wave deflection system. Loading by the dielectric material of the space among electrodes serves to decrease the phase velocity and to increase the deflection sensitivity. In the experimental CRT in which the trough-type traveling-wave deflection system is used, a uniform sensitivity is confirmed experimentally in the frequency range from dc to above 4 GHz and the deflection of 6 mm by 10-mW input is measured.     

水雾热遮蔽过程的辐射与导热耦合换热

人工水雾对热辐射有着强烈的散射和吸收,可用于火灾安全和红外隐身.将水雾视为吸收、发射、各向异性散射的非灰介质,考虑水雾自身辐射、多重散射和环境影响,利用Mie理论和谱带离散计算雾滴的辐射特性参数;将辐射传输方程(RTE)和能量守恒方程(ECE)耦合计算,建立红外辐射在水雾中的衰减模型.利用该模型计算了光谱半球透射率,通过与朗伯比尔定律作对比,反映了介质辐射、多重散射、辐射热流等因素会降低水雾遮蔽效率.