李月英，苏丽敏，周 文

（1.郑州科技学院，郑州 450064； 2.漯河食品职业学院，河南 漯河462000；3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

孔缝腔体对雷电波屏蔽效能的特性研究

李月英1，苏丽敏2，周 文3

（1.郑州科技学院，郑州 450064； 2.漯河食品职业学院，河南 漯河462000；3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

针对雷电波通过传输线在不同孔缝屏蔽腔内对电子设备造成损坏等问题，通过对孔缝屏蔽腔体屏蔽效能的理论分析，并采用 （impulse current generated system，ICGS）雷电冲击平台模拟8/20 μs波形的雷电流，对不同孔径的屏蔽腔体进行试验分析。试验表明：金属屏蔽腔体对1.75 GHz雷电电磁信号的屏蔽效能与2.5 GHz的雷电电磁波相比，其屏蔽效果更好；当屏蔽腔体表面的孔缝直径为30 mm时，腔体对雷电电磁波的屏蔽效果最好，范围为16.5 dB～18 dB，且当雷电波的波长大于其截止波长时，屏蔽腔体对雷电电磁波的屏蔽效果最佳。为腔体防雷工作提供了理论依据及数据参考。

孔缝腔体；耦合；雷电电磁波；屏蔽效能；截止波长

0 引言

随着电子信息市场的不断扩大，人们使用电子设备的现象已经很普遍，然而由于自然环境或者人为因素对电子设备的危害也在不断增加，其中雷电电磁脉冲就是影响设备运行的自然环境因素之一[1－2]。雷电发生时会产生很强的电磁场，通过电力线会对附近的设备造成保护装置动作延误、电子器件损坏或着停机等问题。因此人们通常会使用屏蔽装置来减小对电子设备的干扰，但在实际情况中，金属屏蔽装置为了通风或用来连接电源线不可避免地会开一些孔缝，而这样雷电电磁波就有可能进入到屏蔽腔体中，因此需要对金属腔体因雷电电磁脉冲产生的雷电电磁波的屏蔽效能进行研究[3－4]。

关于孔缝屏蔽腔的屏蔽效能，有多位国内外学者进行了许多研究。李凯等[5]针对矩形孔缝金属腔体在电磁辐射下的屏蔽效能进行研究，证明：孔缝的尺寸、深度、填充介质会衰减进入腔体的入射波而在一定程度上影响屏蔽效能；夏昌明等[6]就金属腔体通过使用FIOELIW软件进行FDTD仿真并通过计算来预测因素源的不同位置，不同频段范围对屏蔽效能的影响。张慧文，史小卫[7]为了解决孔缝的耦合问题运用了两种不同的计算方法并分析了这两种方法的内在联系和各自的特点。但以上作者并没有针对雷电这种自然因素源对金属屏蔽体的屏蔽性能进行研究。因此研究雷电电磁脉冲下金属屏蔽体的屏蔽效能是很有必要的[8－10]。笔者利用孔缝屏蔽体的基本理论，从理论上讨论了对雷电电磁波进入孔缝屏蔽腔内对腔体的屏蔽效能。并通过模拟雷电波试验，分别研究不同孔径下，屏蔽腔体的屏蔽效能，为屏蔽腔体的防雷工作，提供一定的理论与试验数据基础。

1 孔缝屏蔽腔对雷电波的屏蔽效能理论分析

假定屏蔽壳体是一个理想导电的无限薄的金属球壳，其半径为r0；在壳体上有一个半径为ρ的圆孔（ρ远小于r0）。假定屏蔽壳体是处在交变磁场中。可以采用标量场位概念，并考虑圆孔处的交流磁场分布类似于稳定磁场。圆孔外表面的磁场为H0，泄漏到内部空间的磁场为Hi，则通过圆孔的传输系数为为[11－12]

为求Hi，可以在圆孔中心设置一等效磁偶极子，使其在内部空间的场位ψi（标量）满足壳体内表面磁场垂直分量为零的边界条件。

先假定偶极子是设置在离体中心为a处，a＜r0。

M为与磁偶极子成正比的因子。

导入新的坐标系统（rm、θm、φ），即

将ψi1按a/rm幂数展开并以满足拉普拉斯方程式2ψ=0的特解的形式来表示，即

当考虑壳体作用时，由于壳体的影响产生了反射场位ψi2

因此屏蔽壳体内部空间的场位ψi为

当洞孔面积S在整个屏蔽表面积L中显得极小，而且洞孔的直线尺寸比波长小很多，于是通过洞孔的传输系数Th1可以用下式大致求出，即

2 雷电波冲击电压下试验分析

2.1 试验模型的建立

金属腔体屏蔽装置见图1。本试验采用冲击电流发生器（impulse current generator，ICG）模拟 8/20 μs波形的雷电流，在冲击电流发生器的正负输出端间串联一根长为1.2 m，直径为4 cm的金属杆，当雷电流通过金属杆后，在金属杆周围将产生雷电电磁场，作为用于试验场地，ICG产生6～40 kA的雷电流，步长为2 kA。在距离金属杆6 m处，放置一个长为25 cm，宽为15 cm，高为10 cm的铝制金属屏蔽腔体。在屏蔽腔体内外的同一水平线上，分别放置两个中心频率与带宽等参数相同的天线，并分别数字示波器相连，用于采集其感应的雷电电磁波电压波形，屏蔽腔体接地。首先，在屏蔽腔体没有孔洞时，分别更换两种不同频段的天线进行冲击试验。其次，在金属腔体表面分别开直径7 mm、14 mm、30 mm的圆形孔洞进行冲击试验。

图1 金属腔体屏蔽装置Fig.1 Metal cavity shielding device

本次试验为了采集不同频率下的雷电电磁波产生的信号，使用了2根中心频率为1.75 GHz的天线和2根中心频率为2.5 GHz的天线，为了方便描述试验现象，对这4根天线进行了编号，见表1。

表1 实验天线数据Table 1 Experimental antenna data

2.2 试验数据分析

2.2.1 屏蔽腔体对不同频率信号的屏蔽性能分析

首先，选择一个没有孔洞的金属屏蔽腔体，分别针对1.75 GHz和2.5 GHz的天线使用示波器采集数据，并分别对采集到的数据进行处理，得到两种天线的能量值和屏蔽效能值，见表2。图2、图3所示为两种天线分别在屏蔽腔内外的能量趋势对比图。图4、图5所示为两种天线在屏蔽腔内的能量趋势对比图和屏蔽效能趋势对比图。

由图2和图3可看出，当冲击电流小于20 kA时，1.75 GHz的天线在屏蔽腔外接收到的能量随着冲击电流的增大而增大，即：冲击电流与能量呈正比例关系；当冲击电流大于20 kA时，冲击电流与能量呈反比例关系，但腔内接收的能量变化趋势较小。根据2.5 GHz天线接收到的雷电电磁波的能量变化趋势可以得出：当冲击电流小于34 kA时，屏蔽腔外能量随着冲击电流增大而缓慢增加，当冲击电流大于34 kA时，天线感应到的能量值骤然增加，屏蔽腔内的能量随着冲击电流的增大也有较大的浮动。且屏蔽腔外的能量比屏蔽腔内的能量大约一个数量级。

表2 无孔时两种频段的雷电电磁波的能量和屏蔽效能Table 2 Energy and shielding effectiveness of lightning electromagnetic waves in two frequency bands without holes

图2 无孔时1.75 GHz天线腔内外能量图Fig.2 Shows the internal and external energy of the 1.75 GHz antenna

图3 无孔时2.5 GHz天线腔内能量图Fig.3 Shows the intracavity energy of 2.5 GHz antenna without holes

图4 无孔时两种天线的能量图Fig.4 Energy diagram of two antennas without holes

图5 无孔时两种天线的屏蔽效能图Fig.5 Shows the shielding effectiveness of two antennas without holes

从图4中可看出：中心频率在2.5 GHz的天线接收到雷电电磁波的能量比中心频率在1.75 GHz的天线接收到的雷电电磁波的能量要大，感应到的雷电波电压波频率小。从图5可看出：金属屏蔽腔体对1.75 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能比2.5 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能要高，即：屏蔽效果更好。从图6可以看出，将屏蔽效能曲线通过一次线性拟合可以得到1、2号天线与3、4号天线的拟合直线公式分别为 m：y=－0.02x+14.83和 n：y=－0.04x+11.16。m、n两条趋势线的斜率分别为－0.02和－0.04。由此可见，屏蔽腔体对所研究的频率下的屏蔽效能具有随着冲击电流的增大而减小的趋势，这是因为雷电电磁波进入金属屏蔽腔后，在屏蔽腔内发生多次反折射，使得屏蔽效能减小。由于两条拟合直线的斜率较小，因此上述变化不是很大，从曲线的变化趋势可以得出：当冲击电流达到一定值时，金属腔体的屏蔽效能将趋于零。

图6 冲击电流为6 kA的典型波形Fig.6 The typical current waveform 6 kA

从所研究的模拟雷电流幅值来看，金属屏蔽腔体对2.5 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能在14～16 dB，而金属屏蔽腔体对1.75 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能在10 dB～12 dB。

2.2.2 孔径不同时屏蔽腔体的屏蔽效能分析

在金属屏蔽腔体表面分别开直径7 mm、4 mm、30 mm的圆形单孔洞，用中心频率为1.75 GHz的天线在屏蔽腔体内外，作为接受电磁波信号的装置，在其他条件不变的情况下，使用数字示波器采集天线感应到的雷电电磁波电压波形，并计算屏蔽腔体内外天线感应电磁波能量与屏蔽效能，见表3。3种不同直径下的屏蔽腔体内部接收到的能量对比趋势图及屏蔽效能对比趋势图，见7和图8。

根据图7和图8可看出：当孔径为30 mm时，雷电电磁波进入金属屏蔽腔内的能量最小，当孔径为14 mm和7 mm时，雷电电磁波进入屏蔽腔内的能量变化不大，即：屏蔽效能相仿。如图9所示，当孔径为30 mm时，天线耦合到的雷电电磁波电压小于孔径为7 mm时的。从孔径大小对屏蔽效能角度分析，孔径为30 mm时的屏蔽效能是最大的，屏蔽效能在16.5 dB～18 dB。孔洞直径为14 mm与7 mm时的屏蔽效能明显比孔径为30 mm时的屏蔽效能要差，范围在13.5 dB～15 dB。这是因为雷电流的频谱随着电流的变化在不断地改变，波段的频率也在变化，屏蔽腔体孔径为30 mm时的截止波长为0.05 m，当雷电波的波长比截止波长大时，雷电波无法进入腔体，所以屏蔽腔体孔缝直径在30 mm时的屏蔽效能为最大，此时的屏蔽效果做好。

表3 单孔时不同直径圆孔的能量Table 3 The energy of round hole with different diameter in single hole

图7 不同孔洞直径能量图Fig.7 Energy spectra of different pore diameters

图8 不同孔洞直径屏蔽效能图Fig.8 Effectiveness of shielding effectiveness for different hole diameters

3 结论

图9 冲击电流为18 kA时的典型电压波形Fig.9 The typical current waveform when the impact of current 18 kA

1）屏蔽腔体上无孔时，当冲击电流小于20 kA，1.75 GHz的天线在屏蔽腔外接收到的能量随着冲击电流的增大而增大，即：冲击电流与能量呈正比例关系；当冲击电流大于20 kA时，冲击电流与能量呈反比例关系。且中心频率在2.5 GHz的天线接收到雷电电磁波的能量比中心频率在1.75 GHz的天线接收到的雷电电磁波的能量要大。

2）屏蔽腔体上无孔时，金属屏蔽腔体对2.5 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能在14～16 dB，金属屏蔽腔体对1.75 GHz频段雷电电磁波的屏蔽效能在10～12 dB。

3）当屏蔽腔体上孔径为30 mm时，雷电电磁波进入金属屏蔽腔内的能量最小，且屏蔽效能最好；当孔径为14 mm和7 mm时，雷电电磁波进入屏蔽腔内的能量变化不大，即：屏蔽效能相仿。

4）在雷电波的波长大于其截止波长时，屏蔽腔体对雷电电磁波的屏蔽效果最佳。

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Study on Characteristics of Shield Effectiveness of Cavity to Lightning Wave

LI Yueying1， SU Limin2， ZHOU Wen3
（1.Zhengzhou College of Science&Technology， Zhengzhou 450064， China； 2.Luohe Food Vocational College， Luohe 462000，China； 3.Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

According to the lightning wave through a transmission line in different aperture cavity damage problem of electronic equipment，theoretical analysis of shielding effectiveness of the shielding cavity with apertures， and using Impulse Current Generated System （ICGS） lightning impulse simulation platform 8/20 μs lightning current waveform， to test and analyze the shielding cavity with different aperture.The experiment shows that compared with 2.5 GHz signal lightning electromagnetic shielding effectiveness of metal shielding of 1.75 GHz lightning electromagnetic signal，the shielding effect is better； when the surface of the shielding cavity aperture diameter is 30 mm， cavity on the shielding effect of lightning electromagnetic wave the best range is between 16.5 dB－18 dB， and when the lightning wave is greater than the cutoff wavelength when the lightning shielding effect of shielding electromagnetic wave of the best.It provides a theoretical basis and data reference for the work of the cavity.

apertures cavity； coupling； lightning electromagnetic wave； shield effectiveness； cutoff wavelength

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.005

2016－10－20

李月英 (1982—)，女，硕士，讲师，研究方向：电工理论与新技术，控制理论与控制工程。

河南省产学研合作科技攻关项目 （编号：162107000011）；河南省高等学校重点科研项目 （编号.：16A470015）。