HFSS机箱屏蔽效能仿真应用实例

前言

机箱是容纳电子设备各种功能模块、电子部件的常用载体，电磁屏蔽效能是其重要的技术指标，电磁屏蔽效能越好，一方面可以使得机箱内部的功能模块或电子部件对外辐射发射更小，另一方面也使得其内部的功能模块或电子部件受外部电磁环境的影响更小。通过电磁仿真软件对机箱的屏蔽效能进行评估，相对于实物测试而言，既可以降低机箱类产品的测试成本，又可以缩短反复验证带来的开发周期。

本案例基于ANSYS HFSS对带有缝隙的机箱屏蔽效能进行仿真分析，并将针对机箱缝隙介绍三种不同的建模方式：实物建模、理想电边界+理想磁边界等效建模、阻抗边界条件等效建模。

1 机箱模型

  1.1 机箱主体结构
 

如图1所示，机箱主体结构的长×宽×高=30.1×30.04×20.1 (mm)，壁厚0.05mm，材质为铝(Aluminum)开口位于机箱前方中心，长×宽=20×10 (mm)。

【注】缝隙模型的处理有3种方式，实体建模、PE+PH边界条件等效和阻抗边界等效，以下分别介绍3种方式的建模方法。后续则在不同仿真设计中，分别利用3种缝隙模型进行求解分析。

   图1 机箱主体结构
 

  1.2 实体缝隙模型
 

如图2所示，实体缝隙模型位于机箱前方开口处，缝隙外观的长×宽=20×10 (mm)，厚为0.05mm，材质为铝(Aluminum)。缝隙由4×10个小孔掏空构成且均匀分布，小孔长×宽=4.96×0.96 (mm)。

   图2 实体缝隙模型
 

  1.3 PE+PH等效缝隙模型
 

如图3所示，在机箱前方开口处创建一个面，并设置为PE边界条件；然后在该面上创建4×10个矩阵小面，小面长×宽=4.96×0.96 (mm)，且呈均匀分布。小面设置为PH边界条件。PE和PH重叠的区域将被视为开放边界。

   图3 PE+PH等效缝隙模型
 

  1.4 阻抗边界等效缝隙模型
 

1.4.1 uUnit-cell模型

在使用阻抗边界进行等效前，在同一个Project中，新建两个HFSS Design，分别创建X方向极化和Y方向极化的Unit-cell模型，名称分别修改为xpol和ypol。如图4所示为X方向极化的Unit-cell模型，Unit-cell模型是一个5毫米宽，1毫米高的平行板波导，内部为真空，中部的方形金属环材质为pec。

   图4-a X方向极化Unit-cell模型
 

   图4-b X方向极化Unit-cell模型的电边界(左)和磁边界(右)
 

   图4-c X方向极化Unit-cell模型的端口p1(左)和p2(右)
 

   图4-d X方向极化Unit-cell模型的端口设置：p1(左)和p2(右)
 

如图5所示为Y方向极化的Unit-cell模型，除电边界、磁边界和端口外，其余设置相同。

   图5-a Y方向极化Unit-cell模型的电边界(左)和磁边界(右)
 

   图5-b Y向极化Unit-cell模型的端口p1(左)和p2(右)
 

1.4.2 u阻抗边界等效模型

如图6所示，在机箱前方开口处创建一个面(名称修改为screen)，并设置为Linked Impedance边界条件，弹出窗口孔中选择Anisotropic Impedance(各向异性阻抗)。

   图6 Linked Impedance边界条件设置
 

然后依次点击Setup X Direction Link、Setup X Direction Link，进行如下设置。

   图7 Linked Impedance边界条件设置（续）
 

2 天线模型

利用偶极子天线作为发射和接收天线，偶极子天线模型如图8所示。其工作频率为10~15GHz。

   图8 偶极子天线模型
 

3 整体模型

在机箱中心处放置偶极子天线作为接收天线，在距离机箱25mm处放置相同的偶极子天线作为发射天线。如图9所示。

   图9 机箱模型与收发天线
 

创建合适的空气盒子，并设置为Radiation边界条件。如图10所示。

   图10 空气盒子设置
 

4 仿真设置

  4.1 求解类型Solution Types
 

此处采用“Modal Network”求解类型，具体设置如图11所示。

   图11求解类型
 

  4.2 求解设置Solution Setup
 

中心解算频率设置为10GHz，迭代步数设置为12，Maximum Delta S设置为0.01；Minimum Converged Passes(最小收敛步数)设置为4。如图12所示。

  4.3 扫频设置
 

扫频类型设置为Interpolating，扫频范围5GHz~15GHz，step为0.01GHz。如图13所示。

5 仿真结果

分别基于三种缝隙模型，进行仿真得到如下屏蔽效能仿真结果。

  5.1 基于实体缝隙模型的仿真结果
 

如图14所示，为基于实体缝隙模型的仿真结果。仿真总耗时约为28分钟，最大内存占用约为5.2GB，总网格数量为158998。

   图14 基于实体缝隙模型的仿真结果
 

  5.2 基于PE+PH等效模型的仿真结果
 

如图15所示，PE+PH等效建模得到的仿真结果与实际建模极为接近。但是，PE+PH等效建模仿真总耗时约为17分钟，最大内存占用约为5.1GB，总网格数量为127728。

   图15 基于PE+PH等效模型的仿真结果
 

  5.3 基于阻抗边界条件等效模型的仿真结果
 

如图16所示，基于阻抗边界条件等效建模得到的仿真结果与上述两类重合度较高。但是，其仿真总耗时约为17分钟，最大内存占用约为5.1GB，总网格数量为127728。

   图16 基于阻抗边界条件等效模型的仿真结
 

6 结论

本案例利用HFSS对机箱屏蔽效能进行仿真分析，三种不同的缝隙模型处理方式均可有效得到机箱屏蔽效能，建模方法具备较强的灵活性，仿真结果具备良好的一致性。

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