摘 要

随着科技的日益发展，各种电子设备辐射出的电磁波对我们生活的干扰也越来越大，电磁屏蔽作为防止电磁干扰的手段，在各个领域内也越来越受到重视。本设计用有限元分析的方法研究控制台的电磁屏蔽效率。首先分析当前各种电磁屏蔽材料的利弊，选取最符合本设计条件的一种材料。再利用HFSS和CATIA等软件完成控制台的建模操作，将其导入HFSS软件，并赋予其该材料的电磁属性。利用HFSS软件施加给该模型一个激励源和一个边界条件并进行仿真，得到电磁场分布云图和电磁屏蔽效能参数等。通过改变控制台壁厚、控制台通孔的位置、不同的电磁辐射频率等因素，探究其对电磁屏蔽的影响。对模型进行进一步的改进，最后得到符合条件的装置并优化。为汽车的电动化、智能化打下理论基础。

关键词：电磁屏蔽、屏蔽效能、偶极天线、频率、控制台

Abstract

With the development of science and technology, the electromagnetic waves radiated by various electronic devices have become more and more disturbing to our lives. As a means of preventing electromagnetic interference, electromagnetic shielding has received more and more attention in various fields. This design uses the method of finite element analysis to study the electromagnetic shielding efficiency of the display console. Firstly, the advantages and disadvantages of various electromagnetic shielding materials are analyzed, and a material that best meets the design conditions is selected. Then use the software such as HFSS and CATIA to complete the modeling operation of the display console, import it into the HFSS software, and give it the electromagnetic properties of the material. An excitation source and a boundary condition are applied to the model by HFSS software and simulated to obtain the electromagnetic field distribution cloud image and electromagnetic shielding effectiveness parameters. By changing the wall thickness of the display console, the position of the through hole of the display console, and the different electromagnetic radiation frequency, the influence on the electromagnetic shielding is explored. Further improvements are made to the model, and finally the qualified devices are obtained and optimized. It lays a theoretical foundation for the electrification and intelligence of automobiles.

Keywords: electromagnetic shielding, shielding effectiveness, dipole antenna, frequency, Display console

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.1.1电磁干扰及电磁屏蔽 1

1.1.2控制台的发展现状及研究方向 1

1.2电磁屏蔽的评定标准 2

1.2.1电磁屏蔽效能参数 2

1.2.2电磁屏蔽效能的影响因素 2

1.3研究内容 3

1.3.1研究采用的方法和措施 3

1.3.2研究意义 3

第2章 研究对象与方法 4

2.1电磁屏蔽材料的选取 4

2.2 HFSS软件简介 4

2.2.1 HFSS的边界条件及激励方式 4

2.2.2偶极天线 5

第3章 电磁屏蔽效能的研究 7

3.1箱体厚度对电磁屏蔽效能的影响 8

3.2电磁波入射角度对箱体屏蔽效能的影响 9

3.3开孔形状及个数对屏蔽效能的影响 11

3.3.1开孔形状对屏蔽效能的影响 11

3.3.2开孔个数的影响 13

3.4频率对电磁屏蔽效能的影响 15

第4章 控制台的设计及改进 17

4.1控制台模型的选取及建立 17

4.2 控制台电磁屏蔽效能的仿真分析 18

4.3控制台结构的改进 19

4.3.1控制台动力性的改进 19

4.3.2控制台电磁屏蔽效能的改进 19

第5章 结语 22

5.1研究总结 22

5.2发展展望 22

参考文献 23

致谢信 24

第1章 绪论

1.1选题背景

1.1.1电磁干扰及电磁屏蔽

电磁干扰的现象在生活中极为常见，曾经的台式电视会出现“花屏”的现象就是因为存在电磁干扰，而我们在飞机上时需要将手机调至飞行模式也是因为手机信号的传输会干扰到飞行员对地面信号的接收，甚至有人提出在战争时通过电磁干扰破坏敌方交互系统的可能性。可以说，电磁干扰无处不在^[1]。在日常生活的领域，电磁干扰可能不会给我们带来过多的困扰，然而在交通领域，尤其是航海、航天等通过人体感官对周围的环境变化无法做出正确判断的领域内，驾驶员只有通过控制台对外界的情况做出判断以及对突发情况做出应急性措施，而可能存在的电磁干扰对驾驶员做出正确的判断有很大的影响，因此电磁屏蔽就显得尤为重要了。

电磁屏蔽又被分为静电屏蔽，静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽，静电屏蔽是指将密封的金属壳体放入电场中，在电场的作用下使其表面上分布异种电荷，并在壳体内形成与外部场强相反且处处相等的电磁场，达到屏蔽外部场强的目的，该屏蔽类型对屏蔽体的密封性要求极高，并不适用于日常生活领域。静磁屏蔽是利用高磁导率μ的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场。它与静电屏蔽作用类似而又有不同。因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层，故静磁屏蔽又叫铁磁屏蔽。静磁屏蔽多应用于恒定磁场屏蔽领域。

高频电磁场屏蔽则是由于电磁场的频率较高，导体上的感应电荷不能产生稳定的电磁场，因此电磁屏蔽效能较其他电磁屏蔽低，高频电磁场电磁屏蔽主要依靠电磁波在腔体表面的反射以及腔体材料层内部的吸收达到减小入射电磁场的目的，其示意图如图1所示。因为生活中大多数通讯设备都采用交变磁场进行信息传播，因此我们大都采用高频电磁场电磁屏蔽的方式来消除电磁干扰^[2]。

1.1.2控制台的发展现状及研究方向

控制台是显示控制台的简称 ,是电子信息系统与人机交互的重要设备，存在于各种交通设备上，同时也是容易受到电磁干扰的设备^[4]。由于相对于陆上交通，电磁干扰对航天、航海等领域的影响更大，造成的后果可能是致命的，因此这些领域对电磁屏蔽的要求更高，目前对于控制台的电磁屏蔽效能研究主要集中在船舰、飞机或是重型汽车上。

当然目前国内外对控制台的研究重点并不是在电磁屏蔽上，更多的是在追求控制台的动力性和人机交互性，学界更习惯从工程动力性学和人体动力学的角度来考虑并设计控制台。但可以预见的是，随着科技的不断发展，控制台的功能也会越来越多，智能化的程度也会越来越高，相应的对电磁屏蔽的需求也会越来越大。

图 1高频电磁场屏蔽示意图

1.2电磁屏蔽的评定标准

1.2.1电磁屏蔽效能参数

电磁屏蔽的效果也和其他物理量一样，有着自己的评判标准，电磁屏蔽的评判标准是屏蔽效能SE，屏蔽效能定义为：

SE=20lg(入射功率密度/透入功率密度）

式中：入射功率密度为加屏蔽前测量点的功率密度；透入功率密度为加屏蔽后同一测量点的功率密度。^[5]

只要两种场是在具有同一波阻抗的同一介质中进行测量，上述方程就可以用场强来定义：

SE=20lg(Eb/Ea） 1.1

SE=20lg(Hb/Ha） 1.2

式中：Eb为安装屏蔽前的电场强度；Ea为安装屏蔽体后的电场强度；Hb为安装屏蔽体前的磁场强度，Ha为安装屏蔽体后的磁场强度。

屏蔽效能SE越大，表明材料的电磁屏蔽效果越好。一般认为，电磁屏蔽效能参数达到30dB就代表有着良好的电磁屏蔽效能，可用于一般的民用工业和交通领域。而在航天、军工等领域，电磁屏蔽效能参数可能要达到75dB以上。

1.2.2电磁屏蔽效能的影响因素

根据实际生活经验及网上查阅相关资料，我们认为控制台电磁屏蔽效能的主要因素包括如下四个：控制台箱体的厚度、电磁激励源入射角度、电磁波频率、控制台上电线出入孔及通风孔的形状和个数。

一般认为，电磁屏蔽的效能的因素在不同的频段范围内对屏蔽效能的影响是不同的。^[6]如箱体开孔数目及形状在低频率(90HZ-20MHZ)范围内对电磁屏蔽效能的影响较大、而在谐振频率（20MHZ-300MHZ）范围及高频率（300MHZ-18GHZ）范围内对电磁屏蔽效能的改进则不太理想。而箱体厚度在谐振频率范围内对电磁屏蔽效能的影响微乎其微，但在低频率范围和高频率范围内对电磁屏蔽效能的影响则较大。具体的仿真结果会在第3部分予以详述。

1.3研究内容

1.3.1研究采用的方法和措施

研究采用有限元分析的方法完成对某现有控制台的建模及电磁仿真分析。首先建立该控制台的简单模型，并根据GBT12190-2006的规定，用单一变量的原则改变上述四个因素，得出不同因素对该控制台电磁屏蔽效能的影响。在此基础上完成对控制台的完整建模，并分析它的电磁屏蔽效能，最后完成对这个模型的改进。

1.3.2研究意义

在当下，因为汽车领域对电磁屏蔽的要求不高，电磁屏蔽的研究主要集中在船舰、飞机和重型汽车上，而在普通的中小型汽车上则极少。然而，随着汽车智能化、电动化的程度逐渐提高，电磁辐射对汽车行驶及交通安全的影响逐渐增大，特种交通装备对于构件除轻量化要求外，还有电磁屏蔽等多功能要求，可以预见电磁屏蔽在汽车领域会日渐提上议程,因此急需开展基于电磁屏蔽的某特种交通装备多功能复合材料控制台结构设计。作者考虑设计一种可运用于船舰上的特种交通设备，分析其电磁屏蔽效果，为其他工业领域电磁屏蔽功能研发提供参考。

第2章 研究对象与方法

2.1电磁屏蔽材料的选取

目前，用于电磁屏蔽的材料主要有本征导体高聚物材料(如聚苯胺等)^[7][9]、碳纤维材料^[8]、有机导体纤维材料（如金属氧化物）、纳米材料，功能纤维材料等。其中碳纤维不仅拥有良好的导电性能，在电磁屏蔽方面有着良好的应用前景，而且有着良好的力学性能、化学性能，包括密度小，阻热性能好、热膨胀系数小、强度高等，已广泛应用于各种交通设备的轻量化领域。因此，本设计选取碳纤维复合材料为控制台的材料，图二显示了不同碳纤维含量的样品电磁屏蔽效能。

图 2不同碳含量的碳纤维材料电磁屏蔽效能

2.2 HFSS软件简介

HFSS是一款功能强大的电磁分析软件，集建模、分析于一身，同时可兼容CATIA等建模软件做出的模型，对于建立的模型，HFSS可以对其分配电导率、磁导率、相对介电常数、磁损耗正切等各种电磁参数，并分配边界条件和激励条件，目前已广泛应用于航空航天、电子、计算机等领域，是分析电磁屏蔽效能的不二之选。HFSS也可以独立完成建模工作，它自带的作图工具栏可以做出长方体、球体、圆柱体等简单的三维模型，同时运用工具栏中的布尔运算操作，可以将这些简单的模型进行合并、镜像等操作，这样就可以完成大部分简单模型的建模。

HFSS软件进行电磁分析的步骤如下：建模、分配材料、分配边界条件和激励条件、仿真运行、查看结果。

2.2.1 HFSS的边界条件及激励方式

HFSS的原理就是利用有限元方法求解微分形式的麦克斯韦方程，只有在场矢量和导数都是单值、有界且沿空间连续分布的假设下，这些方程才可以使用。在边界处，场是不连续的，场的导数变得没有意义，因此需要用边界条件确定跨越不连续边界处场的性质。^[10]同时，边界条件的确定可以简化复杂的模型，HFSS定义了七种类型的边界条件，包括理想导体边界条件、理想磁边界条件、有限导体边界条件、辐射边界条件等。其中辐射边界条件可在HFSS分析辐射、散射类问题时用以模仿开放的自由空间，系统在边界处吸收了电磁波，本质上就像是把边界看成无限延伸的空间，简化了电磁场的分析计算问题。在本设计的仿真中，采用的边界条件就是辐射边界条件。^[11]如图3所示，在软件界面左边的Project Manager工作栏中，右键点击Boundaries便可以分配辐射边界条件Radiation。

图 3 HFSS工程管理栏

在进行电磁分析时，通常需要设置一个发射电磁波的激励源，HFSS的激励源类型包括波端口激励、集总端口激励、入射波激励、电压源激励等。本设计采用的激励方式是入射波激励，入射波激励是用户自己设定的朝某一个固定方向传播的电磁波激励，根据激励源形式的不同又分为七种不同的入射波激励方式。根据GB12190-2006高频电磁场的电磁屏蔽效率分析大多采用偶极天线作为激励源，因此本设计的激励源也采用入射波激励中偶极天线入射波激励。如图3所示，在软件界面左边Project Manager工作栏中，右键单击Excitations，分配Incident Wave入射波激励中的偶极天线入射波激励。

2.2.2偶极天线

偶极天线是由两根并排放置的圆棍型天线组成，在两根天线的结合处馈电，天线上的电流分布类似于开路传输线上的电流分布，它的两末端是电流波节，是一种常见的电线架构形式。偶极天线的电流分布如图4所示：

图 4偶极天线 图 5HFSS软件中建立的控制台模型

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