电子设备电磁兼容仿真建模的特点

   摘要：对电磁屏蔽仿真建模应考虑的主要因素进行讨论，分析同面积不同形状时孔洞对屏蔽效能的影响。
   关键词：电子设备；电磁兼容；仿真模型

    单电子器件的基本物理原理是源于纳米隧道结中单个电输运产生的库仑阻塞效应，其通过操纵单个或少数几个电子运动来完成器件工作。它具有极低功耗、极小尺寸和一些固有功能特性，如库伦振荡等优点。即使器件缩小到分子尺度其器功能仍然有效，且理论上讲，性能随着尺寸的减小而提高，极可能称为未来大规模集成电路的重要组成部分之一。目前，随高密度高频率电子设备的不断出现，电磁兼容仿真得到了重视，同时仿真模型的简化问题也日益受到关注。国内外一般都采EDA软件来仿真印制电路板的电磁辐射。

1.电子设备的主要特点

1.1电子设备电路的特点
（1）工作频率较高。（2）内部电路复杂。
1.2电子设备结构的特点‘
（1）结构的非对称性。一般电子设备的结构都是非对称形式的，即使整体结构具有较强的对称性，内部结构也很难做到对称形式。（2）内部结构复杂。许多电子设备的内部因为固定某些器件或减轻重量的需要会有很多凹槽和凸台，同时还存在很多的PCB电路板和各种微小的元器件。（3）缝隙为电磁场主要泄漏途径。电子设备，在它的结构上，由于各功能模块的拼接而存成大量的缝隙，这些缝隙是引起电磁场泄漏的主要通道；电子设备一般都有电磁兼容性能，对于许多明显的接插件孔洞都经过适当的处理，从而明显的孔洞都转换为缝隙的泄漏。

2 电磁屏蔽仿真建模的主要因素

2.1 缝隙结构的仿真建模处理
缝隙是电磁场泄漏的一个主要途径，要正确预测电子设备的电磁兼容性能，就必须考虑由缝隙引起的电磁场泄漏，接缝由于接触的不充分以及接触面受到油污、氧化等导致了接缝处导电性能的下降。通常可以在两导体间添加导电衬垫，以提高壳体的电连续性，从而提高壳体的屏蔽效能。

金属直接接触形成的缝隙，其结构相当复杂，缝隙的导电性能与两金属的表面情况、所受压力有很直接的关系。同样加有导电衬垫的缝隙，导电衬垫的导电性能也随压力有着极大的变化。软件能够仿真的前提是电子设备上各部分结构有明确的输入参数。电子设备各连接部分的关系很明确，接触即为接触，不接触比有相对分开的距离，像缝隙这种在有些接触有些点不接触的情况，无法提供明确参数，即使根据一系列假设前提能够提供接触的参数，由于仿真算法的限制，目前商用软件都无法将这些参数直接作为仿真输入参数进行求解。

2.2通风孔洞对屏蔽效能的影响
机箱上为散热、通风、操作等实际需要所设置的孔洞，破坏了屏蔽壳体的导电连续性，成为电磁屏蔽的一个薄弱环节，严重影响到屏蔽壳体的屏蔽效能。对于热设计来说，开口率越大越好，而电磁兼容设计正好相反，开口率为零最佳，在相同开口率下，不同的开孔形式对屏蔽效能的影响是不同的。研究开孔形状、数量、大小及排列，对电子设备的屏蔽效能各有什么样的影响就显得格外重要。本文对相同面积不同形状对屏蔽效能的影响进行分析，建立300mmx300mmx120mm的机箱为对象进行建模，分别在机箱同一面板上创建单圆孔、方形孔、矩形孔、双圆孔、小圆孔阵列，且它们的孔洞面积相等。

实验结果显示，当开孔面积相等时，小圆孔阵列的屏蔽效能最好，矩形孔最差，矩形孔比小圆孔阵列屏蔽效能低10dB以上。还可以看出机箱腔体在700MHz左右发生谐振，内部的电磁能量也很容易通过孔缝耦合到内部，使腔体的屏蔽效能能急剧下降，电磁辐射急剧增大，此时屏蔽效能最差。由此为屏蔽体设置通风孔时，尽量避免使用矩形缝隙，当开孔面积相同时，应尽量少开大孔以及细长孔，对于可集中又可分开开孔的机箱，应分别开孔，以减少泄漏量。

2.3 微小结构对网络划分的影响
在有限元仿真软件中，频率的高低和模型结构的尺寸共同影响着单元网络的尺寸和网格数。一方面，频率的高低对网格划分的影响很显著，为了取得一定精度的仿真结果，在一个波长λ为空间内需要划分一定数量的网格数随着频率的升高，波长λ逐渐减少；另一方面，在有限元方法中必须用此模型结构尺寸更小的网格才能较为精确地描述模型，因而尺寸越小的结构在其上划分的单元网格越密，即网格数将会急剧增加；同时由于网格的关联性，网格的划分是缓慢过度的，微小结构处的微小网络使得其附近区域内的网格也急剧加密，更加影响到网格数量。网格数目的增多将会导致计算量的上升，仿真时间也因此增加，其中对网格划分影响较大的结构主要有：（1）外部零件；（2）内部线缆；（3）微小结构。

3 结束语

    本文首先对电子设备电磁兼容的仿真模型作了初步研究，介绍了电子设备的电磁兼容特点：电子设备内部电路复杂；工作频率较高；结构繁琐。在此基础上对电磁屏蔽仿真建模时应考虑的主要因素进行讨论，通过数值仿真分析了同面积不同形状时孔洞对屏蔽效能的影响。其中外部零件、内部线缆和微小结构对网格划分影响较大，网格数目的增多将会导致计算量的上升，仿真时间也因此增长。