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




耦合后场分布

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。





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。









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。



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。






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。









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。






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。










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。









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。








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。







设置激励源

1、右键点击“Excitations”，选择“Assign==>>Incident Wave==>>Plane Wave…”，如图26。


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。











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。









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。







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。





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。






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。







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。








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。









（a）1GHz，0度相位     （楼上一幅图）         

（b）2GHz，0度相位



（c）3GHz，50度相位           



（d）4GHz，50度相位


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：





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。）






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。






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。






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)

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:
&#61656;    孔缝耦合屏蔽效能随缝长的变化规律
&#61656;    孔缝耦合屏蔽效能随缝宽的变化规律
&#61656;    缝隙变成圆孔
&#61656;    单个孔缝变成孔缝阵列(蜂窝式微波滤波器)
&#61656;    ……
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！

讲的非常详细，复制下来学习一下，谢谢楼主

学习了，自己试着做一下

嗯，顶好

不错!!!

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？