基于矢量有限元法的结构电磁兼容特性数值仿真研究

论文摘要

电磁兼容(EMC)已成为现代电子设备设计和研究过程中必须考虑的重要问题。采用数值仿真方法分析电子设备的电磁兼容性能是电磁兼容研究领域的重要内容,在已有的电磁场数值方法中,矢量有限元法由于在分析复杂结构时所具有的优点,目前已经成为了电磁兼容结构设计研究领域的主要数值仿真方法之一。本文应用矢量有限元法,对电子设备结构电磁兼容特性的数值仿真方法进行了系统研究,主要工作有:(1)研究了矢量有限元法的原理及常用的矢量基函数建立方法,并分析了矢量有限元法在进行电磁场数值计算中的优点。(2)研究屏蔽原理及屏蔽效能的计算方法和谐振效应,分析单层全屏蔽、开孔情况、及加装波导窗后的屏蔽特性,并给出波导窗的选择方法。通过理论分析和仿真结果的对比,证明仿真方法的正确性及必要性。(3)研究了缝隙结构辐射原理和有限元计算方法。对单元形状引起误差的原因进行了理论分析;通过对网格划分方法研究,分析了缝隙建模中质量较差单元对求解精度的影响规律,获得了网格数量和求解精度、计算时间、计算规模之间的关系;引入转移阻抗概念,提出了转移阻抗仿真测试方法和基于转移阻抗的缝隙等效建模法,验证等效建模法的使用效果。(4)阐述近场的概念,分析孔阵结构近场辐射原理并使用镜像法得到孔阵辐射场的积分方程,对比分析了仿真计算和基于平面波的理论计算结果,研究相关参数对近场屏蔽效能的影响规律,分析不同形状孔阵近场屏蔽效能。验证基于平面波的理论计算方法不能用于近场屏蔽效能计算。(5)分析热沉在电磁兼容设计中的重要性及热沉的辐射原理和矢量有限元计算方法。从不同的接地方式,鳍片数目、厚度、高度变化几个方面分析了热沉的电磁辐射特性,提出了影响谐振频率的关键因素,并从电磁兼容角度提出了热沉设计的注意事项。本文的创新性主要体现在以下几个方面:(1)高频环境下波导窗选择方法的提出和仿真验证;(2)缝隙建模数值仿真分析与等效建模法的提出;(3)孔阵近场屏蔽效能有限元数值仿真方法的提出;(4)热沉电磁辐射特性数值仿真的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 课题的提出和研究目的
• 1.2 电磁兼容研究的主要内容
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 创新性
• 第二章 电磁场的矢量有限元法
• 2.1 电磁场基本理论概述
• 2.1.1 麦克斯韦方程组
• 2.1.1.1 麦克斯韦方程的一般形式
• 2.1.1.2 静电场和静磁场
• 2.1.1.3 时谐场
• 2.1.1.4 本构关系
• 2.1.2 波动方程
• 2.1.2.1 矢量波动方程
• 2.1.2.2 标量波动方程
• 2.1.3 电磁场分析中的边界条件
• 2.1.3.1 狄利克莱（Dirichlet）边界条件
• 2.1.3.2 诺依曼（Neumann）边界条件
• 2.1.3.3 齐次边界条件
• 2.1.4 辐射条件
• 2.2 有限元法的求解过程
• 2.3 有限元建模理论
• 2.3.1 建模的一般步骤
• 2.3.2 有限元建模的一般原则
• 2.3.2.1 保证计算结果的精度
• 2.3.2.2 控制模型规模
• 2.4 矢量有限元
• 2.4.1 二维矢量元基函数
• 2.4.2 三维矢量元基函数
• 第三章 高频屏蔽特性的仿真分析
• 3.1 电磁屏蔽的原理
• 3.2 屏蔽效果的定量评价
• 3.3 电磁辐射的干扰源
• 3.4 屏蔽效能的计算
• 3.4.1.1 吸收损耗A
• 3.4.1.2 反射损耗R
• 3.4.1.3 多次反射损耗B
• 3.5 谐振效应
• 3.5.1 空腔谐振
• 3.5.2 夹层谐振
• 3.5.3 穿透谐振
• 3.6 高频单层全屏蔽仿真
• 3.6.1 单层全屏蔽理论分析
• 3.6.2 仿真软件ANSYS 求解高频电磁场简介
• 3.6.2.1 单元类型
• 3.6.2.2 常用边界条件和完全匹配层
• 3.6.2.3 常用的激励源
• 3.6.3 全屏蔽结构建模与结果分析
• 3.7 高频开孔屏蔽结构仿真
• 3.7.1 等效电路法
• 3.7.2 开孔屏蔽结构建模与仿真结果分析
• 3.8 加装波导窗的仿真
• 3.8.1 波导窗屏蔽效能的计算
• 3.8.2 波导窗建模与仿真结果分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 缝隙屏蔽特性数值仿真建模方法研究
• 4.1 缝隙辐射的理论分析
• 4.2 缝隙结构矢量有限元求解方法
• 4.3 单元形状引起的误差分析
• 4.4 仿真工具ANSOFT-HFSS 介绍
• 4.5 缝隙模型的建立
• 4.6 网格划分方式
• 4.7 求解设置和结果分析
• 4.8 网格数量变化产生的影响
• 4.9 转移阻抗的概念及仿真测试
• 4.9.1 转移阻抗的概念
• 4.9.1.1 转移阻抗的定义
• 4.9.1.2 衬垫的转移阻抗和屏蔽质量及屏蔽效能的关系
• 4.9.2 转移阻抗的仿真测试
• 4.9.2.1 转移阻抗测试装置结构和原理
• 4.9.2.2 测试装置的仿真
• 4.9.2.3 仿真测试结果与公式计算结果的比较
• 4.10 基于转移阻抗的缝隙结构等效建模法
• 4.10.1 等效建模法的原理
• 4.10.2 结果分析
• 4.11 本章小结
• 第五章 孔阵结构的近场屏蔽特性有限元数值仿真研究
• 5.1 近场的概念及特性
• 5.1.1 电偶极子
• 5.1.2 磁偶极子
• 5.2 孔阵结构近场计算原理
• 5.3 孔阵计算模型
• 5.4 近场屏效和平面波理论计算屏效的比较
• 5.5 参数变化对近场屏蔽效能的影响
• 5.5.1 辐射源距离变化对近场屏蔽效能的影响
• 5.5.2 栅孔间距变化对近场屏蔽效能的影响
• 5.5.3 栅孔尺寸变化对近场屏蔽效能的影响
• 5.6 提高近场屏效的方法及效果比较
• 5.6.1 不同规格方孔结构对近场屏蔽效能的影响
• 5.6.2 常见孔结构近场屏蔽效能对比
• 5.7 本章小结
• 第六章 热沉结构的电磁辐射研究
• 6.1 矢量有限元法求解电磁辐射原理
• 6.2 热沉仿真模型的建立
• 6.3 热沉仿真计算结果分析
• 6.3.1 接地点数目及位置变化的影响
• 6.3.2 鳍片数目及厚度变化对辐射的影响
• 6.3.3 鳍片高度变化对辐射的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果