双层加载电路板屏蔽腔屏蔽效能研究（第一部分）

2018-9-13 16:02:17

1304 电磁干扰电路板

　　摘要：为了提高设备中电子元件抵御来自外界和内部其他元件的电磁干扰，根据传输线理论，将双层加载电路板屏蔽腔体模型转换为电路图，利用电路图推导出腔体中心屏蔽效能的等效公式。利用matlab生成传输线法屏蔽效能曲线，并通过仿真软件CST建模仿真，仿真结果与Matlab输出曲线良好吻合，验证了公式的正确性。运用CST研究了一些因素如电路板大小、数量、放置方式以及距孔缝的距离对屏蔽效能的影响。为了更加贴合实际，采用加载集成运算放大电路的印制电路板来研究腔体屏蔽效能以及腔体对电路板功能的影响，最后提出了一些提高屏蔽效能的方法。
　　0 引言
　　电子设备通常用机壳来屏蔽外界电磁场的干扰，机壳外部通常会开孔来提供通风性、可见性，而这样的开孔会使外部的电磁场通过孔缝耦合到设备机壳内部，从而在机壳内部的设备或印刷电路板上感应出电流和电压，降低设备或元件的性能，严重时会对内部设备造成损坏。因此，研究有空屏蔽腔对电磁干扰的电磁屏蔽效能有重要的实际意义和价值。从以往的研究看，提高屏蔽效能的方法有很多，如相同面积下，孔阵的屏蔽效能优于单孔的屏蔽效能，双层孔的屏蔽效能优于单层的屏蔽效能，也研究了很多因素对屏蔽效能的影响，如孔的大小，形状，孔间距，电磁波极化方向等。本文主要推导出双层加载电路板屏蔽腔屏蔽效能公式，并运用CST仿真验证，研究电路板大小、位置、数量等因素对后腔中心点屏蔽效能的影响。
　　1 理论
　　平面波垂直照射双层有矩形孔加载电路板的屏蔽腔的模型如图1所示。一般情况下，由孔缝耦合进入屏蔽腔的能量要比穿透腔体壁进入屏蔽腔的能量要多，因此只考虑耦合能量。

　　本文采用材料为铜的双层屏蔽腔模型，分前腔和后腔两部分。a ,b 是屏蔽腔的宽和高，前腔长度为d1 ,后腔长度为d2 ;w ,l 为腔体上开孔的长和宽；p 为后腔的中心观测点；q 为内层孔到PCB 板的距离；PCB 板厚度为t′ ;腔体厚度为t .
　　根据M.P.Robinson提出的传输线理论，孔缝等效为两端短路的共面带状传输线，矩形机壳等效为终端短路的波导。该模型等效电路图如图2所示。

　　在图2中，V0 为等效辐射源，Z0 为空气波阻抗，约为377 Ω ,Zos 为孔缝的特性阻抗，等效矩形波导的特性阻抗和传播常数为Zgmn 和Kgmn .
　　孔缝特性阻抗由Gupta 给出的公式[6]得出有效宽度：

　　经过AB 之间的传输线后，由戴维南定理可得B 点的等效电压V2 和等效阻抗Z2 :

　　电路板是一个复杂的整体，它包括金属平板、导线、电子元件和损耗介质等，在此采用一块电导率为σ = 0.22 S - m-1 ,介电常数为εr = 2.65 的宏观介质板代替PCB[7-8],其特性阻抗和传播常数为Zg 和Kg .其中当介质板大小与矩形腔横截面大小无限接近时，腔内电磁场在介质板表面的反射可以忽略，由传输线理论可得介质板左端的电压经过厚度为t′ 的介质板传输到板右侧的电压V5 和阻抗Z5 为[6,8]:

　　每一种模式的波在P 点的电压为：

　　2 仿真结果分析
　　为了验证理论结果的正确性，用电场强度为1 V - m-1 的平面电磁波照射厚度为1 mm的矩形屏蔽壳，腔体尺寸为300 mm × 120 mm × 600 mm ,其中前腔长300 mm ,后腔长300 mm ,孔缝尺寸为80 mm ×20 mm ,介质板尺寸为300 mm × 120 mm × 1 mm ,安装在距离第二层孔缝100 mm 处，仿真频率为200 MHz~1 GHz .
　　介质板中心与开孔中心以及观测点在一条直线上，当屏蔽腔内有介质板时，入射波耦合进入腔体，遇到介质板，发生介质损耗，电磁波能量主要分为三部分：一部分透过介质板进一步传播，一部分反射，还有一部分通过介质板与腔体的缝隙发生绕射，介质板还会吸收能量。由于电磁波的透射和绕射，在介质板之后的空间还存在电磁场。
　　图3 是采用等效传输线法和CST 仿真方法在后腔中心点屏蔽效能的对比，可以看出两种方法的结果在低频有部分差异，但在300 MHz以后较好吻合。且腔体在707 MHz出现谐振现象。

　　2.1 改变介质板大小对屏蔽效能的影响
　　图4 中内层孔到加载PCB 板的距离q=100 mm,采用三种不同大小的介质板，分别为500 mm×10 mm,100 mm×40 mm 和200 mm×80 mm.可以看出，在给定频率范围内，介质板越大，腔体屏蔽效能越高，这是因为介质板越大，其介质损耗越大，谐振点的场强越小，屏蔽体的屏蔽效能越大。