孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

装有电路板孔阵矩形腔对快上升前沿电磁脉冲的屏蔽效能

 介绍了快上升前沿电磁脉冲的特性,用传输线法分析了孔阵矩形腔屏蔽效能的基本原理。将基本公式作进一步修正,使其能计算矩形腔内装有印刷电路板（PCB）的情形。对修正的传输线模型计算公式进行了扩展,使之能计算任意极化方向时的情况。计算和仿真结果表明: 当频率低于主谐振频率时,测量点离孔阵越近,屏蔽效能越差,同时低频段的屏蔽效能比高频段的要好;孔阵的屏蔽效能比相同面积单孔的要好;装有PCB腔体的屏蔽效能比空腔的要好,这在谐振区域内尤为突出;PCB板尺寸越大,屏蔽效能越好;屏蔽效能随极化角度的递增而增加;屏蔽体越小,屏蔽效果越好。     

有孔双层屏蔽腔体的宽频带屏蔽效能

 用扩展为可分析腔内高次模的传输线方法研究了有孔双层屏蔽腔体的屏蔽效能,该方法可以考虑腔内较宽的频带范围。计算了双层屏蔽腔内电场的屏蔽系数,与单层屏蔽腔内屏蔽系数的比较表明,采用双层屏蔽使得腔体的屏蔽效能大为提高。分析了双层屏蔽腔体孔缝耦合的共振效应、腔内的谐振。结果表明：满足共振效应成立条件时双层屏蔽腔内也发生共振现象,屏蔽效能在共振频率附近明显降低;在腔内的谐振点屏蔽系数出现极小值,此时屏蔽效果较差;在0.1~4.5 GHz的范围内,屏蔽系数随着频率的增加总体上呈下降趋势。     

有孔矩形腔屏蔽效能的传输线法分析

首先介绍了用传输线法（transmission line method,TLM）分析有孔矩形腔屏蔽效能的基本原理，然后将基本公式作进一步扩展，使其能计算圆孔、多孔洞以及在任意极化方向时的情形。仿真结果表明:当频率低于主谐振频率时，离孔缝越近，耦合进的电磁能量越大；当处于谐振频率时，屏蔽腔与孔形成共振，屏蔽效能很低甚至为负，而且腔体内任何空间都如此；屏蔽效能随极化角度的递增而递减，低频段的屏蔽比高频段要好；对于相同面积的孔洞，单孔洞的屏蔽效能比多孔洞的屏蔽效能要差，孔洞越多，屏蔽效果越好，而圆形孔（等同于方形孔）的屏蔽效果最好。     

有孔矩形腔屏蔽效能的传输线法分析

 首先介绍了用传输线法（transmission line method,TLM）分析有孔矩形腔屏蔽效能的基本原理，然后将基本公式作进一步扩展，使其能计算圆孔、多孔洞以及在任意极化方向时的情形。仿真结果表明：当频率低于主谐振频率时，离孔缝越近，耦合进的电磁能量越大；当处于谐振频率时，屏蔽腔与孔形成共振，屏蔽效能很低甚至为负，而且腔体内任何空间都如此；屏蔽效能随极化角度的递增而递减，低频段的屏蔽比高频段要好；对于相同面积的孔洞，单孔洞的屏蔽效能比多孔洞的屏蔽效能要差，孔洞越多，屏蔽效果越好，而圆形孔（等同于方形孔）的屏蔽效果最好。     

10 MeV同轴腔电子加速器辐射屏蔽设计

中国科学院近代物理研究所自主研制了一台同轴腔电子加速器,能产生10 MeV,10 mA的辐照电子束,建成后有望成为我国首台国产化的花瓣形电子辐照加速器。为保证该装置运行时的辐射安全,为今后同类型装置的辐射屏蔽设计提供参考,对该加速器开展了辐射屏蔽研究。首先结合装置的使用情况给出了一种地上为主机室地下为辐照室的半地下机房结构,然后采用蒙卡程序FLUKA计算了相关墙体的厚度。在蒙卡计算中,基于同轴腔加速器的束流损失特点,建立了适用于该类型装置的蒙卡源项输入模型,充分考虑了决定辐射场的主要束损点,同时设置相对简单。结果表明:在设定的屏蔽外剂量率目标下,以普通混凝土作为屏蔽材料,主机室的侧墙、顶板和辐照室顶板的厚度分别需要160～220,110～150,150 cm。     

墙体对微波脉冲的衰减特性

 研究墙体对微波脉冲的衰减特性，测量了微波脉冲垂直入射墙体后的脉冲信号，经过计算得到普通砖混墙、普通钢筋混凝土墙、钢筋网混凝土墙对窄带微波和超宽带微波的衰减值；分析了微波脉冲穿越不同墙体的频谱变化。研究结果表明，普通钢筋混凝土墙和普通砖混墙对窄带微波脉冲的衰减为0.342～0.699 dB/cm，对超宽带信号的衰减为0.134～0.183 dB/cm。钢筋网混凝土墙（厚65 cm）对超宽带信号的衰减较大（29.07～45.79 dB），同时使穿透墙体的超宽带信号频率分布向高频位移。     

基于光纤光栅的结构体裂缝三维应变传感

利用光纤光栅的反射谱设计了一种用于混凝土纵向裂缝三维应变传感信号的检测及分析处理的方法.利用ANSYS软件自底向上采用构造法构建混凝土三维断裂模型,分析径向均匀作用力下光纤光栅三轴的应力大小,由三维受力模型拟合光栅传感器的三轴应变函数,给出径向作用力下x和y偏振方向谐振波长与三轴应力间的关系,并且由传输矩阵法计算三轴应力作用下光栅反射谱的变化规律;理论分析和模拟计算光纤光栅传感光谱反射峰的分裂规律.结果表明:在均匀的20N作用力下,10cm长光栅x偏振方向的波长偏移量最大值为10.1nm,y偏振方向的波长偏移量最大值为12nm,此时光纤光栅的谐振峰产生明显分裂,形成两个谐振峰,随着载荷的不断增大,两个谐振峰不断地向两边分开,反射峰的分裂点从短波长向长波方向移动,分裂出来的两个谐振峰中短波谐振峰的反射率高于长波谐振峰,但短波谐振峰的带宽小于长波谐振峰带宽;当光栅长度增加至15cm时,在相同的作用力下,光栅两个反射峰的半高宽度均增加,但两个反射峰的间距几乎不变,灵敏度达0.14nm/N.本文研究可将单根光栅结构传感器的二维传感扩展到三维传感.     

地面铺设缆线的高空电磁脉冲响应研究

 利用时域多分辨分析方法,对地面铺设缆线屏蔽层感生电流的规律进行了研究。给出了屏蔽层感生电流与缆线距离地面的高度、缆线的长度、电磁脉冲的入射方向等的关系。结果表明：屏蔽层电流幅度随着缆线距离地面高度增高而增加;屏蔽层电流幅度、前沿、半高宽随着缆线长度增加而增加,直到分别达到各自的最大值;电磁脉冲正入射时,屏蔽层电流幅度沿缆线分布呈现中间大、两边小的规律;电磁脉冲斜入射时,屏蔽层电流相对电磁脉冲正入射时,幅度更高、前沿更快、半高宽更窄,幅度沿缆线的分布情况为从一端到另一端逐渐增大。     

带缝隙矩形腔的屏蔽效能传输线法修正及扩展分析

为研究入射电磁波与缝隙参量对矩形腔体屏蔽效能的影响,提出基于透射定律结合等效传输线方法对腔体的电磁屏蔽特性进行分析。详细推导了经缝隙透射进腔体内的电场,将透射电场作为等效电压源并对传统的传输线模型进行了修正,使之能计算任意方位入射的电磁波及缝隙偏离体壁中心时的情况;并对此方法的计算公式进行了扩展,使其能分析不同形状、孔阵、孔距及损耗等参量对腔体屏蔽效能的影响。研究表明:缝隙位于体壁中心时的屏蔽效能比靠近体壁边沿时差;相对入射角和方位角而言,极化角对腔体的屏蔽效能影响较大;在保持孔阵总面积不变的情况下,通过减小孔径来增加孔的数目或增大孔间距都可提高腔体的屏蔽效能;屏蔽体内损耗因子越大,则对腔体内的谐振频率抑制效果越明显。通过与腔体内谐振频率理论值、数值方法结果的比对分析表明,修正和扩展的解析方法结果可信,且利于各参量对腔体屏蔽效能的分析,适用范围更广。     

高功率微波对双层屏蔽腔体的孔缝耦合特性

 用多模传输线模型对高功率微波与双层屏蔽腔体的孔缝耦合特性进行了研究,此方法可以考虑高功率微波孔缝耦合进入腔内时的较宽的频率范围。用这种模拟方法获得了双层屏蔽腔体微波耦合的一些规律性结果：双层屏蔽可以使得腔体内的耦合电场比单层屏蔽时有显著的减弱,这与FDTD方法的结论是一致的;双层屏蔽外腔体中的一些谐振会影响到内腔体的耦合系数,外腔体中的场模式经由内孔缝会影响内腔体中的场模式;不论是单层屏蔽还是双层屏蔽,保持每层孔缝总面积不变时,随着孔阵中孔缝数量的增加,进入腔体内的耦合电场也逐步地减弱,这与单层屏蔽时的结论一致;通风总面积不变的情况下,孔缝数量越多,屏蔽效能越好。     

电磁波穿透墙体的衰减特性

 应用平面电磁波理论和菲涅耳公式分析了电磁波穿透不同介质的衰减特性,对不同的极化方式、入射角、介电常数、电导率、损耗角正切和频率下,电磁波在介质间的透射性能及介质中的传输衰减特性进行了分析,对常见的普通混凝土墙、37砖墙、24砖墙、石膏空心板、水泥泡沫板、木板和玻璃与频率的衰减特性进行了数值仿真,比较了新砌混凝土墙、实心粘土砖墙和多孔粘土砖墙的损耗特点,将仿真结果与实际测量及参考文献测量结果进行了比较,结果表明仿真的墙体频率衰减趋势与实际测量结果一致,衰减数值接近并略低于实测结果。     

中等导电性材料覆盖的金属腔体的电磁屏蔽效能研究

基于传输线和波导理论, 提出了一种用于计算覆盖中等导电性材料的金属腔体电磁屏蔽效能的解析理论模型, 并通过和全波电磁模拟结果的比较检验了该模型的有效性. 计算分析了屏蔽体屏蔽效能的位置效应和谐振效应. 建议了一种评价导电材料电磁屏蔽效能的方法, 能很好的削弱谐振效应和位置效应的影响, 直接反映出材料本身的电磁屏蔽效能. 关键词： 电磁屏蔽 导电材料 金属腔体 屏蔽效能     

复杂系统的舱体屏蔽效能的评价方法

舱体屏蔽效能的试验评价是验证车载复杂系统抗电磁脉冲加固性能的重要环节。为了定量估计试验设计和结果评定所引入的不确定度,以高空电磁脉冲为背景,分别从频域/时域测试方法选择、测试频点设置、合格曲线设计和超差点的处理等几个要素,研究了舱体电磁脉冲屏蔽效能的验证评价方法。针对车载复杂系统典型舱体屏蔽效能较低的特点,针对不同屏蔽效能提出了一簇合格曲线,并基于二阶谐振系统模型,定量估计了频点设置准则、合格曲线、超差点处理准则所引入的不确定度,为舱体屏蔽效能的试验设计与数据分析提供了方法与支撑,同时定量分析也可作为不确定度估计的基础。     

电缆电磁脉冲屏蔽效能的辐射法测量

分析了电缆电磁脉冲屏蔽效能传统测量方法的局限,提出了辐射法测量电缆电磁脉冲屏蔽效能的试验方法。该方法根据互易性原理,将屏蔽效能定义中的电缆耦合场测量转变成电缆辐射场测量。通过电缆屏蔽前后辐射场的测量,得到电缆的电磁脉冲屏蔽效能。以SYV50-5同轴电缆为对象,采用辐射法研究了其对电磁脉冲的屏蔽效能,试验取得了较理想的效果。由于互易性原理对介质空间除了线性没有特别的要求,对于传统方法很难处理的多芯电缆、双屏蔽电缆、特种电缆等的屏蔽效能测量,辐射法测量同样有效。通过改变传感器的类型测量辐射磁场,还可以得到电缆对磁场的屏蔽效能。     

频率选择表面结构的电子系统K/Ka波段电磁屏蔽分析

电子设备和无线技术不断向K/Ka波段发展以及电子系统集成度的不断提高给电子系统的电磁屏蔽设计带来了严峻挑战。提出一种将频率选择表面（FSS）用于电子系统屏蔽的新方法,可以替代传统散热孔阵,在满足通风散热性能的同时确保电子系统在5G毫米波段的电磁屏蔽性能。基于金属腔中心点屏蔽效能和全局屏蔽效能,分析了FSS孔阵排布方式、电磁波极化与入射角度对金属外壳电磁屏蔽效能（SE）的影响。结果表明:FSS孔阵排布方式对金属腔屏蔽性能的影响较小,并且SE不受入射电磁波极化方式影响;含FSS通风孔阵的金属外壳在23.0～25.5 GHz范围内屏蔽效能约为30 dB,比含传统散热孔阵金属腔屏蔽效能提高15 dB。