基于HFSS的某机柜电磁兼容仿真

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　　摘要：机柜的电磁谐振特性与电磁屏蔽特性对设备的电磁兼容性有巨大影响。本文给出了基于HFSS的某设备机柜电磁谐振与电磁屏蔽仿真过程与结果分析，可用于在设计时评估与优化设备的电磁兼容特性，也可以用于设备电磁兼容测试超差后的回溯分析。
　　关键词：机柜;电磁兼容;仿真
　　中图分类号：TN03 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0056-04
　　0 引言
　　随着电气控制设备复杂度的提升以及应用环境电磁特性的日趋复杂，设备的电磁兼容特性愈发重要。为提升设备的电磁兼容特性，需要从元器件、电路板、组合以及设备级等方面进行电磁兼容设计，而采用预测仿真技术在计算机上建立相似的、有足够解析度的模型进行数值分析，是进行电磁兼容性设计的重要方法[1]。
　　在组合级以及设备级，机柜的电磁谐振与屏蔽特性对电磁兼容性有重要影响，在机柜设计时对上述两类特性进行评估与优化，可有效降低设备电磁兼容特性超差的风险。本文针对某电气控制设备机柜，基于Ansoft公司的HFSS软件平台，对其电磁谐振与屏蔽特性进行了仿真分析，分析结论可用于机柜内部设备布局优化以及屏蔽特性评估分析。
　　1 主要仿真过程
　　1.1 电磁谐振特性仿真过程
　　电磁谐振特性的仿真流程如图1所示，在完成三维模型导入后，对模型进行修正以降低复杂度，随后进行本征求解，在求解的过程中如果发现不收敛，则需要加密有限元网格。
　　HFSS仿真软件采用有限元方法实现数值求解，其网格划分与结构尺寸和电磁波波长有关，如图2所示的机柜三维模型包括了大量用于安装的微小复杂结构，如内部安装定位孔、台阶、导槽等，其对整体电磁特性的影响可以忽略，但在进行有限元網格剖分时，在这些复杂的结构处将产生大量的网格，造成仿真系统资源浪费、求解时间延长，甚至无法收敛。因此，在进行仿真之前有必要进行结构模型修正，修正方法包括模型删减、模型等效、模型修补等。其中，模型删减主要指对机柜外表面的安装结构进行删减，如顶部的把手等;模型等效是指对机柜内部具有多处复杂结构的机构用长方体、圆柱等进行等效;模型修补则是对进行模型删减后形成的开孔等进行修补，为降低求解难度，对于金属材料可用“Perfect E”边界进行等效。
　　在完成模型修正后，进行机柜电磁本征特性求解，在求解前，需设置求解空间，可采用如图3所示的覆盖机柜的空气盒子，空气盒子需完全覆盖机柜的所有结构。
　　1.2 电磁屏蔽特性仿真过程
　　屏蔽效能仿真是设备级电磁兼容仿真的最重要的部分，其仿真结果可用于修正设计以及后续测试超差后的问题分析。
　　电磁屏蔽特性分析的主要流程如图4所示，主要是在空间加入归一化的平面电磁波激励，通过计算机柜内部各点的辐射强度来评估屏蔽特性。平面波按从机柜底部以及顶部入射分别进行分析，自机柜底部入射的平面波激励如图5所示。
　　仿真模型采用与谐振分析相同的经过修正后的结构模型，区别在于，在屏蔽特性仿真时需加入辐射边界以区别近场与远场。
　　屏蔽特性的分析采用离散扫频的方式完成，对于本机柜，扫频从100MHz开始至1GHz结束，总共进行100次离散扫频。其中，扫频间隔可按需缩减，但扫频间隔的缩减会带来求解复杂的大幅度提升，可视仿真计算机的性能而定。
　　2 仿真结果分析
　　2.1 谐振特性仿真结果
　　谐振本征求解收敛后，可得出机箱内部的全部的谐振点，品质因素最高的谐振点在430MHz左右，品质因素为8820，机柜谐振点仿真结果图6所示。
　　机箱内的谐振场强分布如图7所示，谐振场强最强点分布在电路板与上下横梁的交界处，也即是电路板的边缘。在进行电路板布局时，在电路板的边缘位置不要放置敏器件，电路板的禁止布线区域可以稍微加大，以避开谐振场强最强的位置。
　　2.2 屏蔽效能仿真结果
　　在电磁屏蔽效能仿真收敛之后，可通过取样点考察机箱屏蔽效能，电路板附近的取样点分析结果如图8与图9所示。通过分析图8所示的曲线可知，如果入射波从机箱底部入射，机箱有较好屏蔽效果，在整个扫频范围内，屏蔽效能都大于90dB。
　　如图9所示，当自顶部激励时，机柜电磁屏蔽效能大幅度下降，且屏蔽效能随频率的提升而降低，在超过700MHz时屏蔽效能降低到40dB以下，可见，上表面的多个电缆安装孔对机箱屏蔽影响较大。
　　图10所示为自顶部辐射时，在845MHz处机箱内部电路板周边的辐射强度。在该频率下，电路板的中心以及部分边缘位置还出现了辐射放大的现象，因此，在电缆网设计时必须要采用具有良好屏蔽效果的插座，并与柜体接触良好，电缆的屏蔽外层也要与机柜接触良好。在进行电磁兼容测试时，如果出现屏蔽效能超差，可重点检查电缆接头部分。
　　3 结语
　　数字化的仿真分析可以在设计时充分评估与优化设备的电磁兼容特性。本文针对某设备机柜进行了电磁谐振与电磁屏蔽特性的仿真分析，分析结论可以评估与优化设备电磁兼容特性，也可以用于设备电磁兼容测试超差后的分析回溯。本文给出的分析流程也可以用于同类设备的分析。
　　参考文献
　　[1] 邵志江，孙全，郭金雷.弹上电缆抗干扰仿真分析[J].空天防御，2019，2（1）：58-63.
　　Abstract：The electromagnetic resonance and shielding characteristics of the cabinet have great influence on the electromagnetic compatibility of the equipment. This paper presents the simulation process and conclusion analysis of the electromagnetic resonance and electromagnetic shielding characteristics of an equipment cabinet， which can be used to evaluate and optimize the electromagnetic compatibility characteristics of the equipment during design， and can be used for the retrospective analysis of the electromagnetic compatibility test of the equipment.
　　Key words：cabinet;electromagnetic compatibility;simulation
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