转移阻抗与屏蔽效能的应用研究与仿真分析

转移阻抗与屏蔽效能的应用研究与仿真分析

单位名称：深圳市赛盛技术有限公司  作者：吉娅尼卡  时间：2020/07/10

1、转移阻抗定义

转移阻抗是一项参数值，用于评估外界电磁波通过电缆屏蔽层或者机箱缝隙的指标。转移阻抗是衡量外部电磁场能量透过屏蔽层的特征参数，转移阻抗是一个有效的度量屏蔽效能的参数。转移阻抗是一个比值，在描述屏蔽体缝隙的转移阻抗时，可以用获得单位空间的结构屏蔽体缝隙两侧的电压降以及结构屏蔽缝隙上流经的感应电流这两项参数后，相除即可得到。而屏蔽线缆的转移阻抗，主要用于表征外界电磁场对屏蔽电缆的电磁耦合能力，定义为单位长度上有单位电流流过屏蔽层时，在电缆芯线与屏蔽层间所形成的开路电压，转移阻抗越小，屏蔽效果越好。现分别就屏蔽体缝隙转移阻抗与屏蔽线转移阻抗做仿真分析。

2、屏蔽体缝隙转移阻抗仿真分析

缝隙结构是机箱上常见的结构，其尺寸虽小，但是对电磁兼容的影响却非常大，尤其是对机箱的屏蔽效能以及机箱内部对外辐射有着很大的甚至是决定性的影响。因此，在对机箱等结构进行EMC仿真时，能否精确仿真出缝隙结构的影响是很重要的。但是缝隙结构一般非常微小，有的结构还比较复杂，比如燕尾槽、导电封条等，为此引入转移阻抗的概念，转移阻抗是衡量外部电磁场能量透过屏蔽层的特征参数，转移阻抗是一种有效的度量屏蔽效能的方法，因此可以通过仿真缝隙的转移阻抗来评估机箱的屏蔽效能，从而大大减少仿真时间。下图所示为结构屏蔽缝隙转移阻抗概念。

图 1        燕尾槽方式的结构缝隙搭接方式示意图

图中上边部分是机箱里面，下边部分是机箱外面，其中缝隙的宽度为d，在某个频率下，缝隙外部的表面电流为JS，用磁场探头测得，内部感应的缝隙电压为V0，用电场探头测得，则转移阻抗的计算公式为：

通过仿真软件，可以获得各种结构缝隙搭接方式的转移阻抗，也就可以用此参数来评价缝隙搭接设计的屏蔽效能。具体实现方式如下：在机箱外定义磁场探头（蓝色），在机箱内定义电场探头（绿色），分别位于缝隙正中间，如下图所示，为燕尾槽设计形式。

图2  结构缝隙屏蔽设计转移阻抗求解方法

燕尾槽结构的参数为：搭接缝隙的宽度为0.2mm，长度及深度分别为2mm及3mm，仿真时用空气材料，金属结构为铝，燕尾槽尺寸如下图所示。

图3 燕尾槽结构及缝隙尺寸

通过仿真，可以得出该结构的电场分布图，以及电场探头与磁场探头的得到的电场强度曲线与磁场强度曲线，如下图所示

图4 500MHz频率下的电场分布图

1）       电场探针仿真结果

图5 电场强度随频率的变化曲线

2）       磁场探针仿真结果

图6 磁场强度随频率的变化曲线

转移阻抗计算：

根据转移阻抗计算公式，根据仿真结果，在500MHz下，电场强度约为5.58V/m，电流强度约为0.00308A/m，则转移阻抗为

改变燕尾槽的缝隙参数，就燕尾槽搭接方式的几种尺寸结构进行分析，方案结构参数如下表所示，各参数所代表的值如下图所示：

图7 燕尾槽缝隙参数示意图

通过转移阻抗计算公式，运用仿真软件的结果后处理模板，可以得到整个频段内的转移阻抗曲线，如下图所示，从图中可以看出，随着频率增大，屏蔽体的转移阻抗会逐步减小。且方案二的转移阻抗最小，可见缝隙间隙Gap值对屏蔽效能的影响最大，其次为H缝隙深度值。

图8 转移阻抗随频率的变化曲线

在《屏蔽电缆屏蔽效能与转移阻抗关系研究》论文中，作者根据传输线理论给出了屏蔽效能与转移阻抗之间的相互关系，计算公式为：

从上式可以借鉴看出，屏蔽效能与转移阻抗有关：转移阻抗越小，屏蔽效能越好，而且还与结构体内外回路的传输参数有关。

3、屏蔽线转移阻抗仿真分析

在电磁兼容领域中，通常用表面的转移阻抗来表示屏蔽电缆电磁兼容性，在工程应用中，线缆的屏蔽效能及转移阻抗通常都是测试得到的，转移阻抗强调的是单位长度上线缆的物理参数，而屏蔽效能是以整条线缆为计算对象，因此两者之间的关系并不是对等的。转移阻抗主要是用于表征外界电磁场对屏蔽电缆的电磁耦合能力，定义为单位长度上有单位电流流过屏蔽层时，在电缆芯线与屏蔽层间所形成的开路电压,公式为：

式中，Is为屏蔽层电流，为单位长度上的电压。

如下图所示，为一根单芯的同轴线，内部圆柱为铜导体，外部为金属屏蔽层，U为电缆芯线与屏蔽层间所形成的开路电压，I为注入屏蔽层的单位电流。底下灰色部分为金属地平面。

图9  屏蔽线简化测试模型

现通过仿真软件，对上面模型进行转移阻抗仿真，仿真模型如下图所示，芯线材料为金属铜，屏蔽层为铝，由于转移阻抗是对单位长度导体进行定义的，因此线缆的长度对转移阻抗并无影响。为了节省仿真时间，现将线缆的长度设置为10cm,通过在屏蔽层施加激励电流来模拟干扰场，施加的电流为1A的恒流源，并在芯线与屏蔽层之间加一个电压探头，仿真频率为0~1GHz。

图10 三维仿真模型

从电压探头上得到的仿真结果如下图所示，横坐标为频率，纵坐标为电压值。

图11 电压探头上得到的耦合电压曲线

由于仿真中添加的源为幅值为1A的恒流源，因此仿真中电压探头上测得的电压曲线就是需要计算的转移阻抗曲线，如下图所示，纵坐标的单位为欧姆。

图12  转移阻抗随频率的变化曲线

为了验证仿真结果，先将线缆的芯线及屏蔽层参数输入线缆工作室，频率为0~1GHz，可以得出如下图所示的转移阻抗曲线，横坐标为频率，纵坐标为转移阻抗，从转移阻抗随频率的变化曲线可以看出，随着频率增大，转移阻抗也会增大。通过与前面仿真得到转移阻抗曲线进行对比可以看出，两种方法得到的转移阻抗值是差不多的，从而也验证了该方法的有效性及准确性。图14为仿真的三维模型在频率为500MHz时的表面电流云图分布。

图13 线缆工作室中的转移阻抗曲线

图14 频率为500MHz时线缆的表面电流分布

4、结果分析与经验总结

1)                      通过仿真屏蔽体缝隙的转移阻抗来评估机箱的屏蔽效能，可以不需要仿真整个机箱，只需对缝隙单独仿真即可，而转移阻抗之所以反映了屏蔽体缝隙的屏蔽效能，是基于电磁波入射到含有缝隙的屏蔽体上时，就在屏蔽体的电磁波入射的一个面上感应出电流，这个感应电流流过结构缝隙，在另一个面上产生电压。这个电压就是激励源，幅度越高，产生的电磁辐射越强，也就表明缝隙处的电磁泄漏越严重，而通过分析转移阻抗可以大大减少仿真时间。

2)                      转移阻抗与屏蔽效能的关系：通过在屏蔽体上测得的转移阻抗越低，说明在另一个面上产生的电压越低，因此屏蔽效能越高，且移阻抗越高，屏蔽效能越低。

3)                      实际工程应用中，通常都是通过测试来得到屏蔽线缆的转移阻抗与屏蔽效能的值，而现在通过仿真也可以准确的得到。