金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析

南京青松熱設計工作室

2020年10月29日 21:39

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正文

1. 引言

隨著電子科技水平的飛速發展以及電子設備的廣泛應用，電子設備所面臨的電磁環境日益復雜，相關產品對電磁屏蔽的要求越來越高 [1]。加裝金屬電磁屏蔽罩是一種常見的電磁屏蔽手段，通過金屬對電磁波的屏蔽作用，可以使電子設備在工作時既不干擾其它設備，同時也不受其它設備影響 [2]。但是有時為了達到散熱的目的，需要對電子設備的金屬屏蔽罩進行開孔散熱。由于開孔會直接導致屏蔽效能的降低 [3]，甚至可能會使屏蔽效能完全消失，因此，研究者對具有不同散熱孔陣的金屬屏蔽罩在6 GHz以下頻段的電磁屏蔽性能展開了廣泛研究[4] [5]。如石高峰等人 [4] 比較了單個散熱孔與相同面積散熱孔陣在0~1 GHz范圍內的電磁屏蔽效果，其結果表明，圓形周期分布的散熱孔陣的電磁屏蔽效能明顯優于單個散熱孔。何新文等人 [5] 研究了不同形狀的散熱孔陣在0~4 GHz范圍下的電磁屏蔽效能，經優化后的金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能均能達到30 dB以上。

隨著5G通信時代的步步臨近，電磁設備的工作頻率不斷提高，電子設備之間的干擾愈發嚴重，同時隨著功耗的不斷增加，發熱量也不斷提高，因此電子產品的電磁屏蔽性能與散熱性能方面的平衡愈加重要。盡管已有少數研究者通過設計新型散熱孔，取得了較為不錯的電磁屏蔽性能，如徐留留等人 [6] 設計出一種新穎的介質開孔型頻率選擇表面，實現了在28 GHz頻率下電磁屏蔽效能達30 dB以上，帶寬大于2 GHz，并且在入射角0?~60?范圍內具有良好穩定性。但是該類新穎散熱孔結構對制作工藝要求較高，成本也較高，并不利于金屬電磁屏蔽罩的應用普及，因此對散熱孔陣在5G通信頻段的電磁屏蔽性能進行分析仍具有重要的現實意義。

本文利用有限元法對正六邊形排布金屬散熱孔陣在1 GHz~40 GHz頻段范圍內的電磁屏蔽性能進行分析，研究了幾何參數(散熱孔徑、金屬厚度)與電磁波入射方式(入射角度、極化方式)等因素對其電磁屏蔽效能的影響規律。該項研究對5G通信譜段的金屬電磁屏蔽開孔設計具有一定的指導意義。

2. 結構與建模

正六邊形周期分布的金屬圓形散熱孔陣不僅具有散熱效率高、均勻性好等特點，在電磁屏蔽方面還具有對電磁波極化方式不敏感等優點，是工業上最為常見的金屬散熱孔陣之一。因此本文將重點研究此種金屬散熱孔陣的電磁屏蔽性能。圖1為該類型金屬散熱孔陣的示意圖，其中T為金屬散熱孔陣的厚度，D為散熱孔的直徑，P為周期長度(兩散熱孔的孔間距)，虛線為一個散熱孔周期單元。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖3

圖1. 金屬圓形散熱孔陣示意圖。(a) 3D圖；(b) 俯視圖

通常情況下，散熱孔直徑D與周期長度P可以獨立變化，但如果考慮散熱效率一定時，散熱孔直徑D與周期長度P應滿足一定比例關系。本文定義散熱效率 η為孔面積與總面積之比，根據幾何關系可得：

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖4

式中， S孔孔代表散熱孔面積， S總總代表金屬屏蔽罩總面積(金屬與散熱孔面積之和)。由式(1)可得，當散熱效率一定時，周期長度P與散熱孔直徑D滿足下式：

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖5

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖6 此外，本文為了定量分析金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能，還定義屏蔽效能(Shielding Effectiveness，簡稱SE)為有無屏蔽時空間中同一位置的電場強度之比：

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖7

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖8 式中， E0代表無金屬散熱孔陣時空間某位置的電場場強， ES 代表有金屬散熱孔陣時空間該位置處的電場場強。當入射波的電場強度相同時，屏蔽區域內電場強度越小即SE越大，表示屏蔽效能越好。

由于影響金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能因素較多，其SE不僅與散熱孔本身幾何參數及周期排布有關，還與電磁波的入射方式及頻率有關 [7]，因此，在絕大多數情況下，SE與相關因素之間的調控規律無法用簡單的解析式進行表達，這在一定程度上限制了金屬散熱孔陣的研究與應用。為了解決上述問題，研究者開發出多種電磁波數值模擬方法對金屬散熱孔陣的SE變化規律進行研究，如時域有限差分方法 [8]、有限元 [9] [10]、矩量法 [11] 等方法。上述方法在研究分析金屬散熱孔陣的SE調控規律方面，展現出靈活、快速、不受頻段限制等特點，近年來得到了研究者的廣泛青睞。

基于以上原因，本文采用有限元方法對正六邊形分布圓形金屬散熱孔的SE在5G通信譜段進行數值仿真分析。在本文中，金屬選定為銅，這主要由于其具有良好的散熱特性及電磁屏蔽特性，是最為常見的金屬屏蔽材料之一。金屬散熱孔陣上下介質設定為空氣，并在空氣層外加設一定厚度的完美吸收層，用以模擬在無限大空間中金屬散熱孔陣的電磁波屏蔽效能。同時，為了體現金屬散熱孔陣的周期性排布特點，本文選定正六邊形作為單個周期單元(如圖1(b)中虛線所示)，并將其正六邊形的六條邊設為周期性邊界條件。此外，在本文中，電磁波的頻段范圍設置為1 GHz~40 GHz，基本覆蓋了主要的5G通信頻段。

3. 結果與討論

3.1. 散熱孔徑對5G電磁屏蔽效能的影響

本文首先對金屬屏蔽散熱孔陣的孔徑大小對5G電磁屏蔽效能的影響規律進行研究。本文假定散熱效率 η均保持為50%，則根據式(2)可得，散熱孔直徑D、周期長度P取值如表1所示。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖9

表1. 散熱效率為50%時金屬屏蔽散熱孔陣的孔徑D與周期長度P的取值

此外，在該部分討論中，還設定金屬厚度T始終為2.0 mm，電磁波入射極化方式為垂直入射TM模式。利用有限元法可得，不同散熱孔徑在1 GHz~40 GHz的SE隨頻率變化如圖2所示。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖10

圖2. 不同散熱孔徑金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能

從圖2可以看出，散熱孔徑大小對金屬散熱孔陣的SE的影響較大，隨著散熱孔徑的逐漸增加，其SE逐漸降低。以28 GHz為例，當孔徑D為2 mm時，金屬散熱孔陣的SE為42.8 dB。而當孔徑D為6 mm時，金屬散熱孔陣的SE則減小為4.6 dB，這說明了較大的金屬散熱孔陣會造成5G電磁屏蔽的泄漏，而較小的金屬散熱孔陣則會具有較好的5G電磁屏蔽效能。需要指出的是，雖然金屬散熱孔陣直徑越小，其電磁屏蔽效能越好，但在實際應用中，散熱孔孔徑不易過小，從而防止灰塵積聚。此外，從圖2還可以看出，無論散熱孔徑的大小如何變化，金屬散熱孔陣的SE均呈現隨頻率的增加而減小的趨勢。在1 GHz~40 GHz范圍內，散熱孔徑D為2 mm時，其SE的最低值為37.5 dB，這說明當散熱孔徑D為2 mm時，金屬散熱孔陣在5G頻段范圍均具有良好的電磁屏蔽效能，能夠滿足工業上對5G頻段電磁屏蔽效能的需求。

3.2. 金屬厚度對5G電磁屏蔽效能的影響

金屬散熱孔陣的SE不僅會受到散熱孔徑D影響，會還受到金屬厚度的影響。通常情況下，金屬越厚，屏蔽效能越好，但厚度過大也會導致散熱不好以及金屬屏蔽罩成本的增加，因此研究滿足5G電磁屏蔽要求的金屬屏蔽散熱孔厚度也具有重要意義。在該部分討論中，仍設定散熱效率 η為0.5，設定散熱孔徑D為4 mm，此時對應周期長度為5.40 mm，電磁波入射極化方式仍為垂直入射TM模式。利用有限元法可得，不同金屬厚度在1 GHz~40 GHz的SE隨頻率變化如圖3所示。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖11

圖3. 不同厚度金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能

3.3. 入射角對5G電磁屏蔽效能的影響

在實際應用中，由于電磁波不會總是垂直入射，因此探究電磁波在不同入射角度下金屬散熱孔陣的屏蔽效能也十分重要。依據散熱孔徑及金屬厚度對金屬散熱孔陣的屏蔽效能的影響規律，并綜合考慮金屬散熱孔陣的防積灰要求及易用性，本文設定金屬厚度為2 mm，金屬散熱孔徑D為2 mm，周期長度為2.70 mm，由式(2)易知，此時金屬散熱效率 η仍保持為0.5。考慮電磁波TM極化，改變電磁波入射角(0?~80?)，數值模擬計算金屬散熱孔陣在1 GHz~40 GHz頻段的屏蔽效能，結果如圖4所示。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖12

圖4. 不同厚度金屬散熱孔陣的電磁屏蔽效能

3.4. 極化方式對5G電磁屏蔽效能的影響

為了全面研究金屬散熱孔陣對各類電磁波的屏蔽效能，需要對不同極化方式下金屬散熱孔陣的SE進行探究。本文保持金屬散熱孔陣的金屬厚度(2 mm)、散熱孔徑(2 mm)及周期長度(2.70 mm)不變，計算電磁波在TE極化方式下，入射角為0?~80?時金屬散熱孔陣的SE，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，與TM極化規律相同，在TE極化方式下金屬散熱孔陣的SE也隨著入射角和頻率的增大逐漸降低。所不同的是，1 GHz~40 GHz頻段間的TE極化電磁波以0?~80?入射時，金屬散熱孔陣的SE均大于30 dB，略優于TM極化時金屬散熱孔陣的屏蔽效能。綜上所述，無論為何種極化方式，當1 GHz~40 GHz 頻段電磁波以0?~60?入射時，金屬屏蔽圓形散熱孔陣均能保持良好的電磁屏蔽效能。

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖13

金屬圓形散熱孔陣5G電磁屏蔽效能仿真分析的圖14

圖5. 不同入射角度下金屬屏蔽散熱孔陣對TE極化的電磁屏蔽效能

4. 結論

本文針對正六邊形周期排布圓形金屬散熱孔陣，探討了散熱孔徑、金屬厚度、入射角度及極化方式對其電磁屏蔽效能的影響規律。結果表明，減小散熱孔徑或增大金屬厚度能有效提高金屬散熱孔陣電磁屏蔽效能，并且該性能對電磁波入射角度與極化方式均能保持較好的穩定性。當金屬厚度為2 mm、散熱孔徑為2 mm，散熱效率為50%時，TE或TM極化電磁波以0?~60?入射時，正六邊形周期排布圓形金屬散熱孔陣在1 GHz~40 GHz頻段內的SE均大于30 dB，基本滿足了5G通信對于電磁屏蔽需求，在一定程度上平衡了散熱與電磁屏蔽之間的矛盾，對工程上的開孔型電磁屏蔽罩的設計具有一定的參考意義。

參考文獻

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