電子設(shè)備電磁屏蔽特性分析與設(shè)計方法研究.pdf

1、高速電子技術(shù)的發(fā)展和無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得電磁干擾問題越來越突出,系統(tǒng)的電磁兼容性已成為現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計過程中必須考慮的重要問題。電磁屏蔽是電磁干擾控制的重要手段,也是電磁兼容設(shè)計的首要方法。本文研究常用屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽機(jī)理,開發(fā)電子設(shè)備屏蔽性能的快速計算方法,并提出提高電子設(shè)備屏蔽性能的一般性方法。主要工作有:
　　(1)帶孔縫或孔陣屏蔽腔屏蔽效能的解析計算方法研究
　　傳統(tǒng)的等效電路法將孔縫等效為共面帶狀傳輸線,運(yùn)用低頻近

2、似求解其阻抗,然后基于傳輸線理論計算屏蔽腔的屏蔽效能。但是,這種方法的適用范圍較窄且在某些情況下精度較低。因此,本文深入考察已有的帶單孔或孔陣屏蔽腔屏蔽效能的解析計算方法,分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。基于波導(dǎo)隔膜理論和傳輸線理論提出新的孔縫阻抗模型,從而得到更加通用、精確的屏蔽效能計算方法。同時,研究高次模在屏蔽腔內(nèi)的傳輸規(guī)律,將等效電路法擴(kuò)展到更高的頻率范圍。
　　(2)帶孔縫或孔陣屏蔽腔屏蔽性能的數(shù)值分析及屏蔽設(shè)計方法研究

3、r>　　當(dāng)前對于孔縫、孔陣電磁屏蔽特性的研究主要集中于仿真方法方面,缺少系統(tǒng)地考察孔縫與孔陣幾何參數(shù)、干擾源特性、內(nèi)部元器件等對屏蔽效能影響的研究。因此,本文研究孔縫和孔陣的輻射與散射原理以及帶孔縫或孔陣屏蔽腔的諧振特性。對內(nèi)部激勵時孔縫屏蔽性能及外部平面波干擾時的孔陣屏蔽效能進(jìn)行系統(tǒng)的研究,考察縫隙參數(shù)、孔陣參數(shù)、干擾源特性、內(nèi)部元器件等對屏蔽性能的影響,提出帶孔縫或孔陣屏蔽腔的屏蔽設(shè)計方法。針對實(shí)際的服務(wù)器機(jī)箱,使用數(shù)值法計算其屏蔽

4、效能并采用測試實(shí)驗(yàn)的手段驗(yàn)證電磁屏蔽數(shù)值計算的有效性。
　　(3)內(nèi)部激勵下屏蔽結(jié)構(gòu)的時域有限元建模及分析方法研究
　　在各種能夠被用來仿真電磁屏蔽問題的數(shù)值方法中,時域有限元(FETD)法具有能夠處理任意幾何結(jié)構(gòu)、復(fù)雜材料、寬帶激勵的優(yōu)點(diǎn)。因此,本文研究屏蔽結(jié)構(gòu)的 FETD建模方法,使用Galerkin法推導(dǎo)適用于內(nèi)部同軸電纜激勵情況下屏蔽分析的 FETD弱解公式,將弱解公式進(jìn)行時空離散化從而獲得時域迭代公式?；谕茖?dǎo)的

5、FETD公式開發(fā)面向?qū)ο蟮拇a,對帶縫隙或孔陣屏蔽腔的傳輸功率和遠(yuǎn)場電場幅值進(jìn)行計算,將計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證 FETD在預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)屏蔽性能方面的準(zhǔn)確性。
　　(4)FETD與Prony混合方法及其在強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)屏蔽分析中的使用方法研究
　　在使用時域計算方法分析強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)的屏蔽性能時,如果時域迭代計算終止的過早,頻域結(jié)果的精度會降低。而如果使用純粹的時域方法直到達(dá)到要求的精度,會使求解時間大大增長。因此,本文集中

6、研究強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)的諧振機(jī)制,基于此提出FETD與擴(kuò)展Prony法的組合方法用于減少時域迭代步數(shù)和計算時間。應(yīng)用組合方法對內(nèi)部同軸電纜激勵下帶縫隙或孔陣屏蔽腔的傳輸功率及遠(yuǎn)場電場幅值進(jìn)行計算,并和純粹 FETD方法的計算結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證組合方法的有效性及精確性?；谟嬎銓?shí)例總結(jié)出組合方法實(shí)施的一般步驟和關(guān)鍵參數(shù)的選取方法。
　　(5)基于GPU加速FETD的電磁屏蔽分析方法研究
　　目前對屏蔽問題的數(shù)值分析采用FETD的較少,

7、根本原因有兩個,其一是FETD的計算量較大,其二是 FETD編程復(fù)雜。針對這些問題,有必要開發(fā)并行算法對FETD進(jìn)行加速。因此,本文針對FETD求解中組裝集成和系統(tǒng)矩陣求解這兩個關(guān)鍵步驟,研究其適合在GPU上運(yùn)行的高效并行算法。應(yīng)用并行化的FETD計算帶縫隙或孔陣屏蔽腔的傳輸功率與遠(yuǎn)場電場幅值,將計算過程中的資源消耗情況和串行FETD消耗的資源進(jìn)行對比,考察其加速效果并提出提高并行效率的方法。
　　本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個方

8、面:
　　(1)具有更高精度和廣泛適用性的屏蔽解析模型的提出
　　本文基于波導(dǎo)隔膜模型與傳輸線理論而提出的帶孔縫屏蔽腔的屏蔽效能計算方法比傳統(tǒng)等效電路法更加準(zhǔn)確,通用性更強(qiáng)。它消除了傳統(tǒng)模型對孔縫幾何參數(shù)的限制,并能夠處理孔縫長度為干擾波波長整數(shù)倍的情形。另外,新的模型也考慮了屏蔽腔中高次模的傳播特性,并且具有相對于傳統(tǒng)模型更高的精度。
　　(2)帶孔縫或孔陣屏蔽腔屏蔽設(shè)計方法的提出
　　本文對內(nèi)部激勵時孔縫屏蔽

9、性能及外部平面波干擾時的孔陣屏蔽效能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,考察了縫隙參數(shù)、孔陣參數(shù)、干擾源特性、內(nèi)部元器件等對屏蔽性能的影響,提出了帶孔縫或孔陣屏蔽腔的屏蔽設(shè)計方法。
　　(3)FETD與Prony高效組合方法的提出
　　本文提出的FETD和Prony組合方法能夠大大減少強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)屏蔽分析的時間和時域迭代步數(shù),卻可以獲得與純粹 FETD幾乎相同的求解精度。此外,本文還給出了使用這種組合方法的一般步驟和關(guān)鍵參數(shù)的選取方法。