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(yàn)證了公式的正確性。運(yùn)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(duì)屏蔽效能的影響。為了更加貼合實(shí)際，采用加載集成運(yùn)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(duì)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(jī)殼來屏蔽外界電磁場(chǎng)的干擾，機(jī)殼外部通常會(huì)開孔來提供通風(fēng)性、可見性，而這樣的開孔會(huì)使外部的電磁場(chǎng)通過孔縫耦合到設(shè)備機(jī)殼內(nèi)部，從而在機(jī)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(shí)會(huì)對(duì)內(nèi)部設(shè)備造成損壞。因此，研究有空屏蔽腔對(duì)電磁干擾的電磁屏蔽效能有重要的實(shí)際意義和價(jià)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(duì)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(yùn)用CST仿真驗(yàn)證，研究電路板大小、位置、數(shù)量等因素對(duì)后腔中心點(diǎn)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(cè)點(diǎn)；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(jī)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(diǎn)的等效電壓V2 和等效阻抗Z2 :

電路板是一個(gè)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(shí)，腔內(nèi)電磁場(chǎng)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(diǎn)的電壓為：

2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證理論結(jié)果的正確性，用電場(chǎng)強(qiáng)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(cè)點(diǎn)在一條直線上，當(dāng)屏蔽腔內(nèi)有介質(zhì)板時(shí)，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(huì)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(chǎng)。

圖3 是采用等效傳輸線法和CST 仿真方法在后腔中心點(diǎn)屏蔽效能的對(duì)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(duì)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?yàn)榻橘|(zhì)板越大，其介質(zhì)損耗越大，諧振點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)越小，屏蔽體的屏蔽效能越大。