CAEP1016 发表于 2010-2-11 15:11:14

转贴：使用HFSS仿真研究孔缝耦合

电子设备要在复杂的电磁环境中正常工作，要满足日益严格的电磁兼容标准，电磁屏蔽是十分必要的。然而，因为通风、散热通信、供电等要求，屏蔽机箱上的孔缝和线缆穿透就不可避免。高能电磁波易通过孔缝及线缆耦合进入屏蔽机箱内，对机箱内的器件进行干扰或造成破坏。因此，研究孔缝耦合和线缆耦合的屏蔽效能十分重要。
线缆耦合主要有2种情况，一种是线间的耦合，一种是穿透屏蔽箱的线缆耦合。对第一种情况，《Ansoft 高级培训班教材——PCB 板立体布线射频特性的Ansoft HFSS 分析（I）－线间耦合》一文中进行了详细的介绍；对第二种情况，在《HFSS Full Book 10》中第九章第二个例子介绍了穿透屏蔽箱的线缆建模及仿真分析。鉴于此，本教程不费笔墨篇幅重复接收线缆耦合的建模仿真思路和操作方法，而是着重阐述带孔缝屏蔽箱的屏蔽效能仿真研究。
使用HFSS仿真研究孔缝耦合

结构
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耦合后场分布
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仿真模型

模型结构很简单，如下图所示，主要包括2个圆柱体和一个孔缝，其中外面的大圆柱体为空间辐射边界，里面的圆柱体为金属屏蔽箱，屏蔽箱上开有一个孔缝，放大后如右图所示。

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打开工程

1、打开Ansoft HFSS 10，并在缺省工程中点击鼠标右键，加入一个HFSS 设计项目，见图2。屏幕主要部分自左向右依次为工程管理区（Project Manager）、对象列表和3D绘图区（与对象列表一起通称为3D Modeler window）。
2、解的类型。在菜单中选择HFSS/Solution Type（图3），并在弹出窗口中选择Driven Modal（图4）。共有三种类型选择，Driven Modal、Driven Terminal 和EigenMode，Diven Modal 与Driven Terminal 的区别在于S 矩阵的表示形式不同，前者采用入射和反射能量的形式，而后者采用电压和电流的形式。该工程主要分析场，所以采用Driven Modal 的形式。EigenMode 表示本征模类型。

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3、点击工具条上存盘按钮（图5），或在菜单中选择Save，第一次的时候将询问工程名称，该工程名字为SlotCouple，存盘，创建工程完毕。

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建立几何模型

1、改变工程默认单位。建立不同的模型，可能需要采取不同的单位，虽然可以在模型建立之后，改变模型单位而保持几何量数值不变，但在建立模型之初就确定默认单位，不失一种良好的习惯。在菜单中选取3D Modeler/Unit，见图6 和图7。将单位改为mil。

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2、创建屏蔽外圆筒。Draw ==>> Cylinder，属性如图8和图9，按Ctrl+D缩放到合适窗口，如图10所示。

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3、创建屏蔽内圆筒。Draw ==>> Cylinder，属性如图11和图12，按Ctrl+D缩放到合适窗口。
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4、创建孔缝。Draw ==>> Box,在命令窗口中输入位置信息“-W/2,-L/2,0”（这样设置位置，当变量变化时，孔缝始终会在屏蔽圆筒正中间），回车会弹出变量设置的对话框，分别设置孔缝宽度变量W和长度变量L，初始值分别为10mm、30mm，如图13和图14所示，最后孔缝的尺寸为“W，L，5mm”，属性如图15所示。设置孔缝名称为Slot。按Ctrl+D缩放到合适窗口。

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5、创建带孔缝的屏蔽圆筒实体。按Ctrl+A选择所有可见物体，然后选择菜单3D Moldeler==>>Boolean==>>Subtract…，如图16。然后设置对话框如图17所示，注意勾选复选框“Clone tool objects before substracting”(减法运算前先复制物体)。得到带孔缝屏蔽圆筒如图18所示。

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6、创建辐射边界Air。Draw ==>> Cylinder，属性如图19和图20，按Ctrl+D缩放到合适窗口，得到最终的模型结构如图21所示。

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设置材质

1、选择ShieldBox，右键点击打开快捷菜单，选择“Assign Material…”，如图22所示。在对话框中输入“pec”，给屏蔽圆筒赋予理想导体材质，“确定”退出。如图23所示。

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设置边界

1、选中Air，右键点击“Boundaries”，选择“Assign==>>Radiation…”，如图24所示。在弹出对话框中输入边界名称“Rad_Air”，点击“Ok”退出，如图25所示。

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设置激励源

1、右键点击“Excitations”，选择“Assign==>>Incident Wave==>>Plane Wave…”，如图26。
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2、在平面波激励对话框中设置激励源位置“Z-150mm”（注意这个位置要在屏蔽圆筒外部），如图27。
3、点击下一步后，设置平面波波矢和场强，注意其大小和方向，波矢沿+Z方向，场强垂直孔缝宽边，大小为1V/m，如图28。其他默认。最后得到激励平面波的示意如图29所示。

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设置解和参数扫描

1、右键点击“Analysis”，选择“Add Solution Setup…”，如图30。参数设置如图31所示。

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2、右键点击“Setup1”，选择“Add Sweep…”，如图32。参数设置如图33所示。频率从1GHz开始，10GHz结束，步进为1GHz。

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产生解

1、点击 检验有效性，结果如图34所示。
2、点击 开始产生解，如图35所示。

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计算结果

1、查看计算结果。右键点击“Setup1==>>Profile”或“Convergence”或“Matrix Data”，如图35，结果如图36。

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2、编辑源。右键点击“Field Overlays==>>Edit Source”，如图38，弹出对话框如图39。平面波的场显示有三种方式，分别是“Scattered Fields（散射场）”、“Total Fields（总场）”和“Incident Fields（注入场）”。注入场是整个空间1V/m的激励平面波，散射场是平面波被模型散射后得到的场，总场是前两者的叠加。这里我们选择总场。

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3、显示YZ平面的电场。点击选中“Planes”树目录下的“Global：YZ”平面，如图40。然后右键点击“Field Overlays==>>Fields==>>E==>>Mag_E”，如图41。设置对话框如图42（默认），确定。

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4、绘制相位变化的动画。右键点击“Mag_E1”，选择菜单“Animate…”，弹出界面点击OK，如图43所示。图44给出了各频率下孔缝耦合后的场分布，可见1~3GHz时，耦合进屏蔽腔的场比入射场小，4GHz时，耦合场已经比入射场大了，并在空间形成驻波，这是因为耦合电磁波在腔体内来回反射叠加导致的结果。

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（a）1GHz，0度相位   （楼上一幅图）         

（b）2GHz，0度相位
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（c）3GHz，50度相位         
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（d）4GHz，50度相位
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屏蔽效能计算

1、屏蔽效能的定义。电磁波照射到屏蔽机箱的孔缝，会发生电磁散射和透射现象。为表征孔缝对微波的耦合特性，定义电场屏蔽效能：

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其中， 表示耦合进机箱内的电磁波的电场强度，这个场是入射场和散射场的叠加，因此上面我们在编辑源的时候选择了“Total Fields（总场）”， 表示入射电磁波的电场强度。
2、因为耦合进屏蔽体的场每个点每个时刻都是不同的，因此要取一个平均值。这里我们先画一条辅助线，选择菜单“Draw==>>Line”,弹出对话框，如图45，点击确定。Line的属性如图46所示。（这里是对屏蔽腔中心线上的场强进行平均，最好对整个腔体的场进行平均，但是我没找到对整个腔体场平均的方法。）

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3、创建报告。右键点击“Results”，选择“Create Report…”，对话框选择“Report Type：Fields”、“Display Type：Rectangular Plot”，如图47所示。在弹出的“traces”对话框中点击“Output Variables…”，设置变量如图48所示。得到变量Eff=-20*log10（Mag_E）。点击“Done”返回“Traces”对话框，设置如图49所示，“Category：Output Variables”、“Quatnity：Eff”和“Function:avg”。得到结果如图50所示。

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4、结果处理。因为平均处理得出一系列数据，给出的图50没有连线（这个问题要是哪位大虾有方法请给出来，谢谢！），因此右键导出数据使用matlab绘制曲线图，得到结果如图51所示。
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图 50 屏蔽效能随频率的变化

图 51 屏蔽效能随频率的变化(matlab处理)
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结论

从图50得出的结果看，可知10*30mm2的缝隙对低频（<3GHz）的耦合度低，但是高频的电磁波很容易进入，谐振频率点在4GHz附近。另外，可以参数扫描变量W、L等，以得到更多有意义的规律。可继续深入的工作有:
    孔缝耦合屏蔽效能随缝长的变化规律
    孔缝耦合屏蔽效能随缝宽的变化规律
    缝隙变成圆孔
    单个孔缝变成孔缝阵列(蜂窝式微波滤波器)
    ……
可以毫不夸张地说，光这个孔缝耦合的问题，可以作为硕士课题进行研究，甚至博士课题也不为过，仿真结果加上一些屏蔽腔的实验验证，就是一篇优秀的博士论文了，大家好好努力哦。
本人只是粗略地给出了建模仿真的方法。可能还有很多不足的地方，希望大家跟贴给出建议和指正，共同促进，一起进步，这也是我们论坛的目的所在！

emc_sun 发表于 2010-3-21 21:59:38

讲的非常详细，复制下来学习一下，谢谢楼主

钟科 发表于 2010-3-28 16:34:07

学习了，自己试着做一下

451839808 发表于 2012-8-26 12:08:20

嗯，顶好

浪的肥七 发表于 2015-10-9 19:38:13

不错!!!

浪的肥七 发表于 2015-10-10 12:55:04

楼主是怎么得到个频点处场的分布的？在analysis setup 步骤设置里solution frequency写多少 最后就得到这个频点的场分布我是这么理解的所以要想得到各个频点的场分布 是不是每次都得改solution frequency的值 再运行仿真？
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