作者 | 付強

來源 | 本文為老貓電磁館原創作品，上海安世亞太授權轉載

 

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前言

機箱是容納電子設備各種功能模塊、電子部件的常用載體，電磁屏蔽效能是其重要的技術指標，電磁屏蔽效能越好，一方面可以使得機箱內部的功能模塊或電子部件對外輻射發射更小，另一方面也使得其內部的功能模塊或電子部件受外部電磁環境的影響更小。通過電磁仿真軟件對機箱的屏蔽效能進行評估，相對于實物測試而言，既可以降低機箱類產品的測試成本，又可以縮短反復驗證帶來的開發周期。

本案例基于ANSYS HFSS對帶有縫隙的機箱屏蔽效能進行仿真分析，并將針對機箱縫隙介紹三種不同的建模方式：實物建模、理想電邊界+理想磁邊界等效建模、阻抗邊界條件等效建模。

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 1 機箱模型

1.1 機箱主體結構

如圖1所示，機箱主體結構的長×寬×高=30.1×30.04×20.1 (mm)，壁厚0.05mm，材質為鋁(Aluminum)開口位于機箱前方中心，長×寬=20×10 (mm)。

【注】縫隙模型的處理有3種方式，實體建模、PE+PH邊界條件等效和阻抗邊界等效，以下分別介紹3種方式的建模方法。后續則在不同仿真設計中，分別利用3種縫隙模型進行求解分析。

圖1 機箱主體結構

 

1.2 實體縫隙模型

如圖2所示，實體縫隙模型位于機箱前方開口處，縫隙外觀的長×寬=20×10 (mm)，厚為0.05mm，材質為鋁(Aluminum)。縫隙由4×10個小孔掏空構成且均勻分布，小孔長×寬=4.96×0.96 (mm)。

圖2 實體縫隙模型

 

1.3 PE+PH等效縫隙模型

如圖3所示，在機箱前方開口處創建一個面，并設置為PE邊界條件；然后在該面上創建4×10個矩陣小面，小面長×寬=4.96×0.96 (mm)，且呈均勻分布。小面設置為PH邊界條件。PE和PH重疊的區域將被視為開放邊界。

圖3 PE+PH等效縫隙模型

 

1.4 阻抗邊界等效縫隙模型

1.4.1 uUnit-cell模型

在使用阻抗邊界進行等效前，在同一個Project中，新建兩個HFSS Design，分別創建X方向極化和Y方向極化的Unit-cell模型，名稱分別修改為xpol和ypol。如圖4所示為X方向極化的Unit-cell模型，Unit-cell模型是一個5毫米寬，1毫米高的平行板波導，內部為真空，中部的方形金屬環材質為pec。

圖4-a X方向極化Unit-cell模型

圖4-b X方向極化Unit-cell模型的電邊界(左)和磁邊界(右)

圖4-c X方向極化Unit-cell模型的端口p1(左)和p2(右)

圖4-d X方向極化Unit-cell模型的端口設置：p1(左)和p2(右)

如圖5所示為Y方向極化的Unit-cell模型，除電邊界、磁邊界和端口外，其余設置相同。

圖5-a Y方向極化Unit-cell模型的電邊界(左)和磁邊界(右)

圖5-b Y向極化Unit-cell模型的端口p1(左)和p2(右)

 

1.4.2 u阻抗邊界等效模型

如圖6所示，在機箱前方開口處創建一個面(名稱修改為screen)，并設置為Linked Impedance邊界條件，彈出窗口孔中選擇Anisotropic Impedance(各向異性阻抗)。

圖6 Linked Impedance邊界條件設置

然后依次點擊Setup X Direction Link、Setup X Direction Link，進行如下設置。

圖7  Linked Impedance邊界條件設置（續）

 

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2 天線模型

利用偶極子天線作為發射和接收天線，偶極子天線模型如圖8所示。其工作頻率為10~15GHz。

圖8 偶極子天線模型

 

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3 整體模型

在機箱中心處放置偶極子天線作為接收天線，在距離機箱25mm處放置相同的偶極子天線作為發射天線。如圖9所示。

圖9 機箱模型與收發天線

創建合適的空氣盒子，并設置為Radiation邊界條件。如圖10所示。

圖10 空氣盒子設置

 

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4 仿真設置

4.1 求解類型Solution Types

此處采用“Modal Network”求解類型，具體設置如圖11所示。

4.2 求解設置Solution Setup

中心解算頻率設置為10GHz，迭代步數設置為12，Maximum Delta S設置為0.01；Minimum Converged Passes(最小收斂步數)設置為4。如圖12所示。

4.3 掃頻設置

掃頻類型設置為Interpolating，掃頻范圍5GHz~15GHz，step為0.01GHz。如圖13所示。

 

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5 仿真結果

分別基于三種縫隙模型，進行仿真得到如下屏蔽效能仿真結果。

5.1 基于實體縫隙模型的仿真結果

如圖14所示，為基于實體縫隙模型的仿真結果。仿真總耗時約為28分鐘，最大內存占用約為5.2GB，總網格數量為158998。

圖14 基于實體縫隙模型的仿真結果

5.2 基于PE+PH等效模型的仿真結果

如圖15所示，PE+PH等效建模得到的仿真結果與實際建模極為接近。但是，PE+PH等效建模仿真總耗時約為17分鐘，最大內存占用約為5.1GB，總網格數量為127728。

圖15 基于PE+PH等效模型的仿真結果

5.3 基于阻抗邊界條件等效模型的仿真結果

如圖16所示，基于阻抗邊界條件等效建模得到的仿真結果與上述兩類重合度較高。但是，其仿真總耗時約為17分鐘，最大內存占用約為5.1GB，總網格數量為127728。

圖16 基于阻抗邊界條件等效模型的仿真結

 

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6 結論

本案例利用HFSS對機箱屏蔽效能進行仿真分析，三種不同的縫隙模型處理方式均可有效得到機箱屏蔽效能，建模方法具備較強的靈活性，仿真結果具備良好的一致性。