矩形孔缝耦合特性实验研究
矩形开口谐振环腔间耦合特性研究
耦 合 谐 振 的 电路 模 型 ， 得 到 了耦 合 系 数 的 计算 公 式 ； 对矩形微 带环 、 矩 形 地 面 缺 陷 环 不 同位 置 下 的 耦 合 特 性 分 别 进 行 了分 析 ， 系 统 总 结 了矩形 谐 振 环 之 间不 同位 置 形 式下 的耦 合 强度 ； 根 据 不 同 腔 间耦 合 形 式 设 计 了 两个 带 通 滤 波 器 ， 验 证 了文 中 的研 究． 关 键 词 ：微 带 开 口谐 振 环 ； 地 面缺 陷结 构 ； 耦合特性； 带 通 滤 波 器 中图 分 类 号 ： ＴＮ７ ５ １ ． ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ２ ４ ０ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ６ — ０ ４
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｃ ｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎｇ ｐ ｒ ｏ ｐｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｑｕ ａ ｒ ｅ ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ
ＬＩ Ｔｏ ｎ ｇ， ＺＨ ＡＩ Ｈ ｕｉ ｑ ｉ ｎ ｇ， ＬＩ ＡＮ Ｇ Ｃｈａ ｎｇｈｏ ｎｇ， ＬＪ
２ ０ １ ３年 ２ 月 第 ４ Ｏ卷 第 １ 期
西 安 电子 科 技 大学 学 报 （ 自然 科 学版 ）
Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＸＩ ＤＩ ＡＮ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｓ Ｉ ＴＹ
Ｆ ｅ ｂ ． ２ Ｏ １ ３
Ｖｏ １ ． ４ ０ Ｎｏ ．１
正弦调制高斯脉冲激励下矩形腔体孔缝电磁耦合的FDTD仿真
电子 质 量 （ ２ ０ １ ４ 第ｏ ７ 期）
正弦调制 高靳 脉冲激 髓下 矩形睦体孔缝电磁耦 合的 Ｆ Ｄ Ｔ Ｄ仿真
ｘ １
腔 体存在号膝体 不存在两种情 况下Ｅ ｘ ３ ｓ 蟠分ｌ时域信号 对比
ｌ ｝ — Ｅ ｘ ３ ５ ｃ ｌ
ｘ ３ ， ￣ ｎ ｃ Ｉ
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ｘ １ ０ ５
腔体存在与腔体不存在两种情况下Ｅ ｘ ２ Ｂ 场分纛对域信号对比局部透视
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１ ０ ０ ０
图 ７腔体 存在 与腔 体不 存 在 电场时 域信 号对 ￣ Ｅ （ ｚ ＝ ２ ｏ ｏ ）
２讨论
比较 图 ２和图 ３ ，容 易看 出腔体存 在时 Ｅ ｘ 场分量
比腔体不存在时小一个数量级左 右 ， 同时 图 ３中的时域
时， 应使敏感器件远离孔缝。
参考 文献 ：
［ １ 】 王建 国． 高功率微波脉 冲孔 缝耦合 的理 论 和数 值研究
＾＾ － Ｊ
－
ｇ
，
≤ ，
基于FDTD的环形孔缝电磁耦合规律研究_孙延鹏
x、y 和 z 轴上分布半波的数目，m n q 取值不同，则其所对应
的的谐振波模式也不同。
1.3 激励源
目前，电磁脉冲激励源有多种类型，如快前沿电磁脉冲、
超宽带（UWB）电磁脉冲等 [9]。 相对于另外其他电磁脉冲，超
1 计算模型与理论
1.1 腔体模型 屏蔽腔体模型如图 1 所示，材质为理想导体。 屏蔽腔体
为边长 20 cm 的正方体，腔体壁厚度为 2 mm。 腔体位于入射 电磁波的远场区域。
图 2 环形孔缝模型 Fig. 2 Annular aperture model
形式的麦克斯韦方程进行二阶中心差分离散，从而得到时域 上的递推公式，然后利用给定电磁场初值及边界条件，求解 出空间中各个时刻的电磁场数值。
2. Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, China)
Abstract: To enhance the stability of the electronic system in complex electromagnetic environment, the characteristics of electromagnetic pulse (EMP) with different pulse width coupling into annular apertures with different shapes (square, circle and rectangle) were analyzed by the finite-difference time-domain method (FDTD). It shows that, the coupling phenomenon of electromagnetic pulse into annular apertures is obvious, and the coupling energy of the electromagnetic pulse into the circular annular aperture is smallest than the square and the rectangular ones. To the rectangular annular aperture, while the polarization direction of the incident pulse is parallel to the short side of the aperture, the coupling energy is larger when the aspect ratio of the rectangular annular aperture is larger, and the coupling energy is smaller when the aspect ratio of the rectangular annular aperture is larger while the polarization direction of the incident pulse is perpendicular to the short side of the aperture.The shorter the pulse width is, the easier the electromagnetic pulse coupling into annular apertures is. The coupling effect is enhanced by the reflection and the resonance of the cavity. Key words: electromagnetic pulse; annular apertures; aspect ratio；coupling effect；FDTD
场线耦合 孔缝耦合 天线耦合
场线耦合、孔缝耦合和天线耦合是电磁学中常见的耦合方式，它们在电磁场传播和能量传输过程中扮演着重要的角色。
本文将从三个方面分别介绍这三种耦合方式的概念、特点、应用领域和相关理论知识。
一、场线耦合场线耦合是指通过电磁场的相互作用而实现能量传输和信息传递的一种耦合方式。
当两个电路或系统中的电磁场相互作用时，它们之间就会产生场线耦合。
场线耦合通常是通过电磁感应或电场耦合实现的，它具有以下特点：1. 理论基础：场线耦合的理论基础主要是电磁场理论和电磁感应理论。
通过这些理论知识，可以分析和研究场线耦合的机理、特性和影响。
2. 应用领域：场线耦合在无线通信、雷达系统、天线阵列、射频电子设备等领域都有广泛的应用。
通过场线耦合技术，可以实现信号的传输、接收和处理，提高系统的性能和可靠性。
3. 影响因素：场线耦合受到电磁场的强度、频率、波形、传播距离等因素的影响。
这些因素会影响场线耦合的传输效果和系统的工作状态。
二、孔缝耦合孔缝耦合是一种通过开孔或缝隙实现电磁场耦合的方式。
在孔缝耦合中，电磁场通过孔洞或缝隙的传播和衍射，与相邻系统或介质发生相互作用，从而实现能量传输和信息传递。
孔缝耦合具有以下特点：1. 物理机制：孔缝耦合的物理机制主要是电磁场的衍射和透射。
当电磁波通过孔洞或缝隙时，会产生衍射效应，从而形成新的电磁场分布和强度分布。
2. 应用领域：孔缝耦合在微波器件、天线设计、光学器件等领域都有重要的应用。
通过合理设计孔缝结构，可以实现电磁波的传输、聚焦和调制，提高器件的性能和功能。
3. 优化设计：孔缝耦合的优化设计需要考虑孔洞尺寸、形状、位置、介质特性等因素。
通过数值模拟和实验测试，可以优化孔缝结构，提高其耦合效率和传输性能。
三、天线耦合天线耦合是指通过天线和介质之间的电磁场相互作用而实现能量传输和信息传递的一种耦合方式。
天线在无线通信、电磁波传播、雷达系统等领域起到了关键的作用，它们之间的耦合效应会影响系统的性能和工作状态。
含有介质板的有孔矩形腔体耦合特性分析
但针 对腔体 内部介 质板对 耦合 场影响 的研究 还 比较 少 。基 于此 ，本 文建立含 有介质板 开孔 腔体 的仿 真模 型 ，采用
基 于 时 域 有 限 差 分 法 （ Ｄ Ｄ） 电磁 场 软 件 对 其 进 行 仿 真 ，分 析 腔 体 内 介 质 基 板 与 开 孑 的 不 同 距 离 、不 同 数 量 以 Ｆ Ｔ 的 Ｌ
及不 同尺寸 的介质 基板对 开孑 腔体 的耦 合特性 的影 响 。 Ｌ
收 稿 日期 ：２ １－６０ ；修 回 日期 ：２ １ ０ ．２ ０ １０ ． １ ０ １ ７２
１２ ６
１ 耦 合 模 型 的 建 立
信 息 与 电 子 工 程
第 １卷 ０
本 文 所 计 算 的 开 孔 屏 蔽 腔 模 型 及 坐 标 系 的建 立 如 图 １所 示 ， 屏
备 形 成 干 扰 。 通 常 情 况 下 ，采 用 设 备 外 壳 来 减 弱 空 间 电 磁 波 对 电 子 线 路 的 干 扰 ，但 在 设 备 外 壳 上 由 于 通 风 散 热 ， 电 源 线 或 信 号 线 的 进 出 ， 可 避 免 地 会 导 致 设 备 外 壳 出 现 开 孑 或 接 缝 ， 界 电 磁 波 的 高 频 部 分 会 通 过 这 些 孔 缝 很 不 Ｌ 外 容 易 进 入 到 设 备 内部 ，耦 合 到 电 子 线 路 上 ， 即所 谓 的 “ 门 耦 合 ” 后 ，从 而 影 响 设 备 的 正 常 工 作 ，甚 至 导 致 电 子 线 路 的损坏 。 在 变 电 站 中 ，二 次 设 备 内 的 电 子 线 路 并 不 是 独 立 存 在 的 ，必 须 焊 接 到 介 质 板 上 ，而 介 质 板 会 改 变 腔 体 内 部 耦 合 场 特 性 。 已 有 大 量 的 文 献 针 对 空 的 不 同 形 式 的 开 孔 腔 体 的耦 合 特 性 进 行 了研 究 ，如 改 变 开 孔 的 形 状 ，外 壳 上 ］ 的 不 同 长 度 的 缝 隙 Ｊ 同 形 式 及 面 积 的 开 孔 阵 列 ［５，改 变 激 励 源 的 入 射 方 向 ］ 射 波 的 不 同极 化 方 向 ［７ ， ，不 ４］ － ，入 ６］ －等
窄缝腔体的电磁耦合特性仿真研究
物体 表面 的 网格上 ． 电磁 辐射就 可通 过 电流密度计 算得 到． ２ １ 物 理模 型 的建立 ． 物理模 型 如 图 １ 示 ， 形 箱 体 尺 寸 为 ４ ０ｍＦ ×２ ０ 所 矩 ０ ｌ ０ ｌ
注波 长相 比很 小（ 常为波 长 的 １／ ｏ 的元 ， 通 １） 因此 ， ＭＯＭ 在 使 用 计算 机资 源方 面特别 有效 ．
图 １ 矩形 腔 体 的物 理 模 型
收 稿 日期 ：０ ００ —０ ２ １ —４２ 基金项 目： 国际 科 技 合 作 计 划 项 目资 助 课 题 （０ ７ Ｆ １ ５ ） ２ ０ Ｄ Ａ７ ２Ｏ 通 讯 作 者 ： 建 红 ， － ｉ ｊ ｎ ｏ ｇ ａ＠ ｎｅ ｕ ｅｕ ｃ ． 郝 Ｅｍａ ：ａ ｈ ｎ ｈ ｏ ｃｐ ． ｄ ．ｎ ｌｉ
体 中心 点为观 察点 ， 变电磁 波的 照射方 向 以及极 化 方向 ， 比分析其 耦合 特性． 改 对 实验 结果表 明 ：
对 于矩形 孔缝 ， 当极化 方向垂 直 于窄缝长 边时 ， 生共 振 效应 ， 共振 频 率 附 近一 定 带 宽 内耦 合 发 在
效应 最 大 ， 并在 共振 频 率处存 在着场 增 强效应．
取箱体 几何 中心点 为观察点 ， 固定入射方 向平行 于于窄缝 所 在平 面 ， 时极化 方 向有 三 种情 况 ： 直 此 垂
关键 词 平 面波 ，窄缝 ， 耦合 ，共振效 应
中图分 类号
０ ４ ． ４ １５
文献 标志码
Ａ
文章编 号 １ ７— ６ ４ ２ １ ） ４０ ５ —４ ６ ２６ ３ （０ ０ ０ —０ ９０
一种基于缝隙天线阻抗的带缝腔体谐振频率计算方法
一种基于缝隙天线阻抗的带缝腔体谐振频率计算方法陈珂;杜平安;任丹【摘要】An efficient and accurate technique based on the impedance theory of cavity-backed slot antenna is introduced to calculate the resonant frequencies of a rectangular enclosure with a slot on itswall.Expressing electromagnetic fields in terms of cavity Green's function inside the enclosure and the free space Green's function outside the enclosure,an integral equation for equivalent magnetic current is obtained by enforcing the boundary condition across the slot.The Method of Moments is used to solve the integral equation for the input impedance.We can get resonant frequencies from the zero reactance or the minimum resistance on the frequency-impedance curves.Our method is verified successfully by experimental results and CST.The effects of the cavity size,of the slot length,and of the slot offset on the resonant frequency are discussed.%电磁波经缝隙进入机箱腔体后,会在某些频率点形成驻波而发生电磁谐振,导致腔体屏蔽效能急剧下降.为快速准确预测谐振频率以指导屏蔽腔体设计,本文基于缝隙天线阻抗理论提出一种带缝腔体谐振频率的计算方法.将电磁场用自由空间和腔体格林函数表示,根据缝隙处的边界条件建立等效磁流源的积分方程.通过矩量法求解积分方程,计算出腔体输入阻抗.根据谐振发生时电抗为零或电阻最小,可从频率-阻抗曲线获得谐振频率.本文方法不仅能预测缝隙谐振和低阶模式腔体谐振,还能预测出高阶谐振.与实验和CST仿真结果对比验证了本文方法的准确性及快速性.最后用本文方法分析了腔体和缝隙尺寸以及缝隙位置对谐振频率的影响.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2017(045)001【总页数】6页(P232-237)【关键词】缝隙天线;谐振频率;屏蔽机箱;矩量法【作者】陈珂;杜平安;任丹【作者单位】电子科技大学机械电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学机械电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学机械电子工程学院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TM153电子设备机箱由于装配等原因不可避免地存在缝隙，缝隙是影响机箱屏蔽效能的重要因素.电磁波经缝隙进入机箱腔体后，会在某些频率点形成驻波而发生电磁谐振，导致腔体屏蔽效能急剧下降，甚至出现屏蔽效能为负.因此，如果电子设备的工作频率位于谐振频率附近，则将受到高强度的电磁干扰.为避免电磁谐振发生，快速、准确预测带缝腔体的谐振频率是必要的.文献[1]指出带缝腔体内部不可避免地存在腔体谐振、孔缝谐振及腔体-孔缝耦合谐振.文献[2～4]分别从实验、仿真和理论分析角度研究了缝隙谐振，推导了缝隙谐振频率计算公式.文献[5]提出包含孔缝耦合效应的BLT方程，预测出了腔体谐振模式.文献[6]提出了计算矩形腔体自然谐振频率的公式，可以准确计算腔体谐振频率，但没有考虑孔缝影响.文献[7]提出的等效电路模型能快速计算带孔缝腔体谐振频率，但只能预测出TE10模式的谐振频率，不能预测高阶模式的谐振频率.文献[8]运用广义网络方法研究了孔腔谐振发生的条件，即总的输入阻抗为零.电子机箱内部一般都有PCB，各种类型的凸台、凹槽等微小结构，这些内部结构会使空腔中电磁场的分布和谐振频率发生改变[9,10].文献[11]以PCB为干扰源研究了带孔机箱的电磁辐射特性；文献[9,12]从微扰理论的角度分析了内部扰动对谐振频率偏移的影响.本文为了分析缝隙结构和腔体尺寸等因素对谐振频率的影响，忽略了腔体内部结构的扰动，研究对象为空腔上开有窄缝.从电磁谐振原理出发，根据谐振发生条件，基于缝隙天线阻抗理论提出一种快速准确计算开有窄缝矩形腔体谐振频率的方法.缝隙处的场由磁流源等效并由一系列分片正弦基函数展开，在缝隙处用格林函数方法建立积分方程，并通过矩量法求解出总的输入阻抗，从频率-阻抗曲线上就可获得谐振频率.输入阻抗可表示为频率、腔体和缝隙尺寸及位置的函数，可以方便地研究腔体结构参数对谐振频率的影响.利用本文方法能预测出宽频带内所有缝隙谐振和腔体谐振.实验和CST的仿真结果验证了本文方法的准确性及快速性.图1为一矩形腔体正面，面上开有一条窄缝.腔体尺寸为a×b×c，缝隙尺寸为L×W，缝中心离坐标轴距离为xd和yd.(x,y,z)和(x′,y′,z′)分别为场点和源点坐标.对于窄缝(k0W<<1，W<<L)，可只考虑垂直缝长边的电场，因此忽略横向磁流源分量Mx，只考虑纵向磁流源分量My.缝由位于缝中心的电流源激励.首先，在窄缝区域应用磁场连续边界条件式中，上标u和c分别表示半空间和腔体，I0是电流源的终端电流.利用格林函数建立积分方程，∬s0[2Gf(x,y;x′,y′)+Gc(x,y;x′,y′)]My(y′)ds′=I0δ(y-y0)式中，Gf和Gc分别为自由空间和腔体格林函数.s0为缝隙区域，因子2用于考虑镜像的影响.其中，式中，.·cos(kxx′)sin(kyy)sin(kyy′)式中，，运用矩量法求解积分方程(2)，将磁流源My(y)用一系列分片正弦基函数(PWS)展开式中，yn=-L/2+nd,d=L/(N+1)，k0为自由空间波数，Vn是待求的未知系数.将式(5)代入式(2)，得=I0δ(y-y0)为了简便，令I0=1.使用Galerkin方法，将式(7)写成矩阵形式，式中，和分别为自由空间导纳和腔体导纳，表达式为∬s0∬s0fm(y)Gf,c(x,y;x′,y′)fn(y′)dsds′自由空间导纳可由文献[13]得出，计算腔体导纳时可用文献[14]的分析方案简化积分求解.带缝腔体的输入阻抗Zin表示为电压与电流的比值式中，则Zin可写成自由空间导纳和腔体导纳求出后，由矩阵方程(8)即可求出未知系数Vn，代入式(12)就可求出总的输入阻抗Zin.Zin可表示为频率、腔体尺寸、缝隙尺寸及位置的函数，其他参数固定时就可得出Zin与频率的关系曲线，其中Zin虚部(电抗)的零值点处以及实部(电阻)的极小值点对应谐振频率.表1中给出了3种带缝腔体的尺寸参数.Long实验模型[15]是背腔式缝隙天线，为了将本文方法计算的阻抗与Long的实验结果进行对比，文中假设腔体上的缝位于无限大接地导电平面上.针对腔体1，结果如图2所示.从图2中可以看出，电抗曲线的零值点处对应着谐振频率，两种方法得出的谐振频率差别很小，误差在2%以内.虽然本文方法与实验结果在幅值上存在差异，但阻抗曲线的大体趋势是一致的，说明用本文方法来预测谐振频率是有效的.针对腔体2和腔体3，对本文方法计算的谐振频率进行分析，并与CST仿真软件结果进行对比，其中窄缝分别位于腔体正面的中心和偏离中心的位置.图3和图4给出了本文方法计算的频率-阻抗曲线，表2和表3对比了本文方法和CST及腔体自然谐振频率计算公式[6]的计算结果，腔体自然谐振频率计算公式为在图3、图4的频率-阻抗图中，谐振频率用fn标记.图中红色曲线的零值点(电抗为零)及蓝色曲线的极小值点(电阻为极小值)对应谐振频率，分别为受迫谐振和腔体自然谐振[13].受迫谐振是腔体和缝隙相互耦合产生的，而在腔体自然谐振时，缝隙处切向电场接近0，使缝隙与腔体之间的耦合很弱，导致输入电阻非常小.表2和表3中，谐振频率值后面的括号中标出了相应的谐振形式，其中缝隙表示缝隙谐振，mnp(m、n、p分别为x、y、z方向的模式数)表示腔体谐振.谐振频率对应的谐振形式可由CST的场分布图得出，缝隙谐振和腔体谐振的场分布如图5所示.从表2和表3可以看出，对于两种腔体，本文方法计算的谐振频率与CST结果非常吻合，并且谐振点处谐振形式也一致.腔体2中，f1处表现为缝隙谐振，对应着零电抗值.其他则表现为腔体谐振，对应着零电抗值或电阻的极小值，且谐振频率接近腔体自然谐振频率.腔体3与腔体2相比，由于缝偏离中心的影响，激起了更多的腔体模式.根据文献[3]中提出的孔缝共振公式可知，f1为缝隙谐振的基频，f6处的谐振频率接近缝隙谐振基频的3倍，同时又接近腔体模式(mnp=032)的谐振频率，所以缝隙谐振和腔体谐振都很明显. 文中是用MATLAB直接对矩阵方程求解，但是对矩阵进行分析可以有效减少矩阵单元的计算时间.自由空间导纳矩阵满足Yf(m,n)=Yf(n,m)且Yf(m,n)=Yf(m-1,n-1)，所以在计算时只需计算第一行或者第一列的N个元素，而矩阵的其他元素分别与这N个元素相同.同理，将腔体导纳矩阵写成(m,n)，其中(m,n)与具有相同的性质，而Y″c(m,n)满足(m-1,n+1)，计算时需计算2N-1个元素.针对腔体2，本文方法和CST仿真软件的计算时间分别为61s和335s，说明本文方法的计算效率更高.文中使用的计算机配置为：处理器Intel(R) Core(TM) i5-3230M CPU @2.60GHz；内存8GB；操作系统Win7 64位.本节用本文方法分析腔体截面尺寸、腔体深度以及缝隙长度、位置对谐振频率的影响.以下图表中缝隙表示缝隙谐振，fn标记同表2和表3.图6中给出了腔体截面尺寸对谐振频率的影响，其他参数同腔体2.可以看出，截面尺寸对缝隙谐振的影响很小，主要影响腔体谐振模式.由于 x方向模式数为0，导致腔体模式011、012和013在两种截面尺寸下重合.表4中给出了两种截面尺寸下的谐振模式，可以得出随着x方向尺寸增大，该方向上的模式数会增多，激励出 211和212模式，而y、z方向上的尺寸没发生变化，导致这两个方向上的模式数也不变.图7分析了腔体2的深度对谐振频率的影响，可以看出深度的改变对缝隙谐振基本无影响，而腔体谐振频率有明显偏移.虽然改变了腔体的谐振频率值，但对谐振模式无影响.图8分析了腔体2中缝隙长度对谐振频率的影响.可以看出，缝隙越长，缝隙谐振频率越小，而对腔体谐振影响不大.本文前面已经分析了腔体2和腔体3中不同缝位置的频率-阻抗曲线，结果如图3和图4所示.表5中列出了两种情况下缝隙谐振和腔体谐振模式，可以发现缝隙位置偏离中心时对缝隙谐振几乎无影响，而x方向上模式数增多，激起了更多的谐振模式.通过以上分析，我们可以得出以下规律：腔体尺寸的改变对缝隙谐振的影响很小，但是会影响腔体的谐振模式和谐振频率.截面尺寸对腔体谐振模式影响较大，尺寸越大，谐振模式越多，并会使谐振频率偏移.腔体深度的变化不会使谐振模式发生变化，但会使谐振频率偏移.缝隙尺寸主要影响缝隙谐振，对腔体谐振影响很小.缝隙尺寸越大，谐振频率越小.缝隙位置对缝隙谐振影响很小，缝隙偏离中心时会激起更多的腔体谐振模式.本文基于缝隙天线阻抗理论提出了一种快速、准确计算带缝腔体谐振频率的方法.利用本文方法不仅能预测出缝隙谐振，还能预测出高阶的腔体谐振模式，此外还可分析孔缝位置以及结构尺寸对谐振频率的影响.与实验结果和CST仿真结果进行对比验证了本文方法的准确性及快速性.本文计算带缝腔体谐振频率的方法是基于腔体格林函数可以求出的条件下得出的.对于规则的、简单填充的几何腔体可以找到它们的格林函数，从而可以利用本文方法计算出谐振频率.而对于非规则腔体或者内部结构比较复杂时，要求出它们的腔体格林函数则变得很困难，甚至不能用解析方法求解，此时本文方法不再适用.此外，本文采用空腔主要是分析缝隙结构和腔体尺寸对谐振频率的影响规律，当腔体内部有微小结构的扰动时，可以从微扰理论的角度来分析它们对谐振频率偏移的影响.杜平安(通信作者) 男，1962年出生，重庆开县人，电子科技大学机械电子工程学院教授、博士生导师.主要研究方向为机电系统多物理场特性数值仿真技术.E-mail:******************.cn任丹男，1986年出生，安徽淮南人，电子科技大学机械电子工程学院博士研究生.主要研究方向为电磁兼容，电磁干扰，多物理场耦合等.陈珂女，1992年8月出生，湖北天门人，电子科技大学机械电子工程学院硕士研究生.主要研究方向为电磁屏蔽，电磁谐振特性研究.E-mail:******************【相关文献】[1]Li M,Nuebel J,Drewniak J L,et al.EMI from cavity modes of shielding enclosures—FDTD modeling and measurements[J].IEEE Transactions on ElectromagneticCompatibility,2000,42(1):29-38.[2]周金山,刘国志,王建国.矩形孔缝耦合特性实验研究[J].强激光与粒子束,2003,15(12):1229-1232. 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带开孔的电子设备腔体耦合特性实验研究
收 稿 日期 ：２ １— ４ ｌ ０００ 一０
［二］ ］］
３１１ 同长 边矩 形 开 孑 对 应 的 场 强 ． 不 ． Ｌ 选 取 各 种 不 同 长边 矩 形 开 孔 的 情 况 ，采 用 多 点 平 均 法
１引言
带 开 孔 的 电子 设 备 屏 蔽 效 能 是 电磁 兼 容 领 域 中 重 要 的
研 究 内容 。为 了满 足散 热 、通 讯 的要 求 ，有 时 需 要 在 电 子 设 备 上 开 孔 ．但 这 破坏 了 电 子 设 备 屏 蔽 的 完 整 性 ，电 磁 脉 冲 很 容 易 通 过 电 子 设 备 壳 体 上 的 开 孔 耦 合 进 入 屏 蔽 腔 体
出 现一 个 平 均 场 强 峰 值 ， 由 图 ２可 知 ， 腔体 的谐 振 频 率 位 于该 频 段 ， 由 于矩 形 孑 较 大 ，腔 体 谐 振 频 率 出 现 向 低 频 平 Ｌ
移 的现 象 。 ３ １ 不 同短 边 矩 形 开 孔对 应 的 场 强 ．－ ２ 对 不 同 短 边 矩 形 开 孑 情 形 下 ，采 用 多 点 平 均 法 测 量 ， Ｌ
量 ．使 得 实 验 结 果 和 实 际情 况 还 有 一 定 的 偏 差 。 本 文 采 用 实 验 的 方 法 ．从 实 验 角 度 研 究 屏 蔽 壳 体 的 孔 缝 耦 合 特 性 ， 对 孑 缝 在 一 定 频 域 范 围 （ ５ ｍ 进 行 取 样 ，并 将 该 直 线 段 上 所 有 取 样 点 在 该 ａ ｒ 频 率 条 件 下 测 得 的 场 强 值 相 加 做 平 均 ，并 将 相 加 平 均 后 得 出 的 结果 作 为 腔体 内 的平 均 场强 值 。
孔缝腔体内多导体传输线的耦合响应
孑 缝 腔 体 内 多 导 体 传 输 线 的 耦 合 响 应 Ｌ
史记元 ， 罗建书 ， 倪谷炎 ， 李 颖 ， 陈小平
（ ．军 事 交 通 学 院 ，天津 ３ ０ ６ ； ２ １ ０ １ １ ．国 防科 学 技 术 大 学 理 学 院 ， 沙 ４ ０ ７ ） 长 １ ０ ３
Ｈ 一 （ Ｈ ＋ Ｈ。 ＋ Ｈ。 ｅ ｐ 一 ｊ ） ｘ （ 志 ２）
Ｅ － Ｚ。 二 Ｈ × 后 ຫໍສະໝຸດ （） １ （） ２
式 中 ： 一一 是 ［ ｃ ｓ ０ （ ｏ ＋ ｓ ｓ ｅ ｏ０ ，０ 自由空 间波数 ； ｉ ）ｉ ＋ ｃｓ７ 是 为 ｎ ｎ Ｈ 一 Ｙ （ｉａｏ Ｏｏ￣ ｃ ｓｓ ￣ ； 一 。 ｓｎ ｃ ｓｃ ｓ ＋ ｏａ ｉ ） Ｈ。 ｎ
平 面上 ， 两根导 线 长为 Ｌ． 离为 ， 距 半径 为 ｒ。其 中导线 Ｌ 的左 端 点 坐 标 为 （ ＿ ， ￡ ， 端 点 坐 标 为 （７， ＋ Ｌ， ｚ ． 一 ） 右 ｙ ３
一
￡； 线 Ｌ ）导 ｚ的 左 端 点 坐 标 为 （７＋ ｄ， ， ｔ ， 端 点 坐 标 ２ ０ ～ ）右
中 图 分 类 号 ： ＴＮ８ １ １ 文 献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｉｌ ． ７ ８ ＨＰＬＰ ２ Ｕ２ ０ ． ８ ９ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｂ ０ ３ ３ ０ ４
电磁耦 合和 无 限传导 表面 的孔 缝渗 透 问题 已经是 广泛 研究 的课 题 ， 电磁 场通 过 腔 体 的孔 缝 对腔 体 内线 外
Ｙ （ｉａ ｏ０ｉ￣ ｃ ｓｃ ｓ ） Ｈ 一一 ｙ ｓ ａ ｉ０ Ｚ 一 １ Ｙ 为 自 由 空 间 的 固 有 阻 抗 。 ｏ ｓ ｃ ｓｓ 一 ｏ￣ ｏ￣ ； ｎ ｎ 。ｉ ｓ ； 。 ／ 。 ｎ ｎ 如 图 １ 示 ， 根 平 行 导 线 放 置 于 一 一 ｔ ０ ＜ ｃ 的 所 两 （ ＜ ）
多孔矩形腔电磁耦合拓扑分解与计算
关键 词 ： 电磁 屏 蔽 ； 孔 缝耦 合 ； 电磁拓 扑 ； 交 互序 列 图 中图分 类号 ： ０ ２ ４ ２ 文献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ６ ７ ３ — ５ ６ ９ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ３ ０ ５ － ０ ５
Ｃｏ ｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｄｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｃａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｔｏ ｐｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｗｉ ｔ ｈ Ｍ ｕｌ ｔ ｉ ａ ｐｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ Ｒｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｇ ｕｌ ａ ｒ Ｃａ ｖ ｉ ｔ ｙ
ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｗｉ ｌ ｌ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｔ ｈｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｐｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ —
Ｓ ＨＥＮ Ｘｉ ａ ｏ — ｑ ｉ ｎ ｇ， ＮＩ Ｇｕ— ｙ ａ ｎ， Ｌ Ｉ Ｙｉ ｎ ｇ，ＺＨ ＯＵ Ｍｉ ｎ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｄ ｅ ｆ ｅ ｎ ｓ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ４ １ ０ ０ ７ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
多孑 Ｌ 矩 形 腔 电磁 耦 合 拓 扑 分 解 与 计 算
沈 小庆 ， 倪谷 炎 ， 李 颖， 周 敏
（ 国防科 学技 术大 学 理 学 院计 算数 学 系，长 沙 ４ １ ０ ０ ７ ３ ）
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S
″ 21
(
f
)
(4)
由
S 21 ( f ) 减去
S
′ 21
(
f
)
可得耦合系数 η
η( f )
= S 21 ( f )
-
S′ 21(f Nhomakorabea)
=
10lg
P1 ( f ) P0 ( f )
(5)
将探头放置在带孔缝板后面 ,并且探头完全覆盖孔缝面积 ,则孔缝的有效面积 A ae ( f ) 为
A ae ( f )
P0 ( f )
(2)
它表征不同频率和极化方向的微波从不同角度通过孔缝耦合到腔体内的能力 。这里 P ( f ,θ,δ) 为通过孔缝耦
合到腔体内的微波功率 。
以 HP8510C 矢量网络分析仪为主要测量分析设备 ,建立了一套测量耦合系数的实验装置 ,图 1 所示 。其
中 HP8348A 为宽带微波功率放大器 。实验时 HP8510C 采用扫频工作方式 ,一次实验即可测得耦合系数随频
Fig. 2 Coupling coefficient of 1mm ×16mm ×5mm rectangular slot 图 2 1mm ×16mm ×5mm 矩形孔缝耦合系数 表 1 1mm ×16mm 厚度为 d = 5mm 的孔缝共振频率统计结果 Table 1 Resonant frequency statistics of 1mm ×16mm ×5mm rectangular slot
Fig. 3 Axial distribution of maximum coupling coefficient for 1mm ×16mm slot 图 3 1mm ×16mm 孔缝耦合系数最大值沿轴向的分布
2. 1. 3 增强效应 由平滑前的耦合系数随 z 的变化曲线可以看出 ,在中轴线上 ,耦合均大于 - 6dB ,即耦合场与辐射场功率 密度之比大于 1/ 4 ,考虑到孔缝面积约为探头有效面积的 1/ 12 ,我们认为此时在孔缝内及附近产生了场增强效 应 。由图 3 (a) 及式 (6) 、(7) 可以作出 1mm ×16mm 、d = 5mm 孔缝的增强系数曲线 ,如图 4 所示 。从图中可以 看出 ,在 f > 7 GHz 时即有增强效应 , f = 9. 2 GHz 左右有较强的孔缝增强因子 ,达到约 10 倍 。 在孔缝线性和非线性耦合的数值模拟中也观察到了增强效应[3 ,7 ] 。孔缝的增强效应现象对 HPM 效应研 究及抗 HPM 加固研究具有重要意义 。 2. 2 腔体内的耦合系数分布 考虑平滑后共振点的耦合系数η′max在腔体内的分布 。实验时对于 z = 1 、2 、5 、10 、25cm ,分别将测量探头在 横向和竖直方向作一定偏移并测量 η′max 。 2. 2. 1 横向耦合系数分布 图 5 表示 η′max的横向分布 ,由图可见 ,横向移动探头后 ,η′max较中轴线上有所减小 。如中轴线上耦合系数 分布一样 ,偏移探头后 ,自 z = 5cm 左右开始振荡 ,实测至 z = 25cm 。结果表明 ,偏离中轴线后 ,η′max有所减小 , 但并非随 x 的增大而减小 ,如 x = 12cm 时 , 较 x = 8cm 时要大 1～2dB 。 另外 ,与中轴线上当 z 较小时耦合系数随 z 的增大而急剧减小相反 ,偏离中轴线后 ,当 z 较小时 ,耦合系 数随 z 的增大而增大 。即 ,靠近金属腔壁的地方场强较小 。 2. 2. 2 竖直方向耦合系数分布 图 6 所示为 η′max的竖直方向分布 ,由图可见 ,η′max的分布与横向分布类似 。但竖直方向 η′max在偏移相同距 离情况下较横向偏移后略大 ,如 y = 16cm 较 x = 16cm 时要大 3dB 左右 。 横向 、竖直方向偏移后 ,其平滑曲线 - 3dB 带宽与中轴线上的结果无明显差异 。 2. 3 长缝耦合的极化特性
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 12 期 周金山等 :矩形孔缝耦合特性实验研究
1229
点的寄生耦合 ,提高腔体的屏蔽性能 ,实测系统在无孔 缝情况下 ,腔体内的寄生耦合系数不大于 - 70dB 。 实验时先去掉带孔缝金属板 ,而在金属腔体前面 加上微波吸收材料 ,并且将接收测量探头移至金属板 的位置 ,在这种情况下由 HP8510C 测量记录得到系统 的传输系数
率的变化曲线 。
HP8510C 的可用动态范围大于 90dB ,HP8348A 的放大倍数大于 20dB ,测量系统的动态范围可达 110dB ,
能够满足实验要求 。为保证实验系统具有良好的极化特性 ,系统中波导器件采用矩形器件 ,受波导带宽限制 ,
实验时把 2～18 GHz 的带宽分为四段 (分别为 BJ 32 : 2～3. 95 GHz ;BJ 48 : 3. 95～7 GHz ;BJ 100 : 7～12. 4 GHz ;
before smoot hing
after smoot hing Δf - 3dB
f max/ GHz
9. 417 9. 389 1. 07
f min/ GHz
8. 958 9. 012 0. 54
f ave/ GHz
9. 205 9. 201 0. 745
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
BJ 140 : 12. 4～18 GHz) 。辐射天线采用角锥喇叭天线 ,为了同时保证探头能够有效地接收被测点经腔体反射
所形成的混合场 ,测量探头采用对方向性不敏感的开口波导 。为提高系统的信噪比 ,采取一定措施降低各连接
Ξ 收稿日期 :2002205220 ; 修订日期 :2003208204 基金项目 :国家 863 计划项目资助课题 作者简介 :周金山 (19702) , 男 ,硕士 ,现从事超宽谱高功率微波研究工作 ;西安市 69213 信箱 。
平均效果 。
2 实验结果及分析
2. 1 长缝耦合系数及共振增强效应 采用 1mm ×16mm 、厚度 d = 5mm 的长缝 ,位于 <50cm ×50cm 圆柱腔体的底面中心 。实验过程中 ,保 持天线 、探头和孔缝宽边平行于 x 轴 。 2. 1. 1 耦合系数与微波频率的关系 ———共振效应 图 2 所示为带孔缝板内侧中心的耦合系数随频率 变化的曲线 ,由图可见 ,对于 1mm ×16mm 、d = 5mm 孔 ,在 f = 9. 2 GHz 左右 ,耦合系数明显强于其它频率 , 称之为共振效应 。 对腔体轴线上各点耦合系数的测量结果表明 ,当 探头距孔缝的水平距离 z 较大时 ,耦合系数随频率的 变化而急剧振荡 ,如 z = 5cm 时 ,相邻测量频率点间的 耦合系数变化可达 20dB 以上 ,分析认为 ,这是由于腔 体的反射造成的 。此因素同时引起孔缝共振频率的偏 移 。为了更确切地考察孔缝耦合的特性 , 对曲线作 10 % 的频率平滑处理 ,削弱腔体反射的影响 ,分析腔 体内耦合场的最大耦合系数 、带宽以及共振频率的分
=
A pe P1 ( f ) P0 ( f )
= A pe10η0/ 10
(6)
η0 ( f ) 为此条件下用上述方法测得的 η( f ) 值 (由式 (5) 确定) 。定义孔缝增强因子 G ( f ) 为
G( f)
=
A ae ( f ) A ag
(7)
其中 A ag为孔缝的几何面积 。
实验时 ,探头口面在腔体内 ,特别是在距孔缝板较近时所接收的场强不是均匀的 ,因而实验结果有一定的
1 实验方法
在 HPM 孔缝耦合研究中 ,主要关心的是耦合到金属壳体内部的微波功率密度和金属壳体外表面的入射
功率密度之比 ,将其定义为耦合系数
η( f , r ,θ,φ)
= 10lg
P1 ( f , r ,θ,φ)
P0 ( f )
(1)
式中 : P0 ( f ) 为金属腔体面板孔缝处的微波功率密度 , 即入射微波功率密度 ; P1 ( f , r ,θ,φ) 为金属壳体内测试
图 1 实验装置示意图
由辐射天线辐射出来的功率值
;
S
″ 21
(
f
)
为电缆和连接件的损耗与
HP8348A
的增益之差 。然后将探头放在指
定位置 ,去掉微波吸收材料 ,加上带孔缝的金属板 ,测量记录 S 21 ( f ) 为
S 21 ( f )
= 10lg
P1 ( f ) A pe ( f ) Pin
+
1230
强激光与粒子束
第 15 卷
布情况 ,结果如图 3 所示 。图 3 (b) 为共振频率随 z 的变化情况 ,表 1 为其分布的统计结果 ,腔体内中轴线上各 点耦合系数的最大值对应频率的统计结果 ,平滑前的结果受腔体特性的影响 ,平滑后曲线为通过将相邻频率点 耦合系数进行平均减小腔体影响后的结果 ,可以看出 ,平滑前的共振频率分散性较大 ; - 3dB 带宽为平滑后的 结果 。从表 1 可以看出 ,平滑前后的共振频率统计平均值统一于 9. 20 GHz 。统计结果相对准确地反映了孔缝 耦合的频率特性 ,即 1mm ×16mm , d = 5mm 孔缝的共振频率为 f c = 9. 20 GHz ,其对应波长 λ= 3. 26cm ,约为缝 长的 2 倍 。 2. 1. 2 腔体中轴线上的耦合系数 图 3 (a) 和图 3 (b) 分别表示腔体中轴线上的最大耦合系数 ηmax随 z (被测点距孔缝的水平距离) 的变化曲 线和经频率平滑处理后的耦合场 - 3dB 带宽 (后文所述带宽均指 - 3dB 带宽) 。由图 3 中可以看出 ,在 z 较小 ( < 3cm) 时 ,ηmax随 z 的增大急剧减小 ,当 z 较大时 ,随 z 的增大 ,ηmax则在一定范围内振荡 。分析认为 ,ηmax在 z 较小时随的 z 增大而迅速下降是因为孔缝耦合进腔体的功率随 z 的增大而迅速扩散的结果 ,其后的振荡则 是由于耦合场在腔体内反射叠加的结果 。同样 ,当 z 较小时 ,耦合场带宽的起伏变化较小 ,随着 z 的增大 ,带 宽的起伏加剧 。