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摘 要：随着船舶自动化程度不断提升，船舶通信、导航、监测等应用电子设备越来越多，电磁环境更加复杂。在低噪声的电磁环境中，要保证船用甚高频通信设备不降级，要求更加严格的船用甚高频通信频段辐射骚扰限值。船用屏蔽箱的屏蔽效能，由于电磁谐振的影响，导致急剧下降。本文基于三维电磁场仿真软件，对船用屏蔽箱体孔腔耦合谐振特性进行分析，明确孔缝尺寸条件，分析不同缝隙厚度、缝隙宽度等影响电磁耦合谐振的规律，促进船用通信频段电磁耦合谐振的控制。
关键词：三维电磁场仿真;船用屏蔽箱体;孔腔;耦合;谐振特性
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0069-04
国内外制定明确的公约条款，规范船用甚高频通信频段，能够对船用通信设备的低噪声电磁环境下进行保护。为满足该要求，船用电子设备采取的有效手段是屏蔽技术。通过屏蔽技术避免影响。但屏蔽效能的好坏，受到船用屏蔽箱体谐振特性的决定性的影响。本文基于三维电磁场仿真，对船用屏蔽箱体的孔腔耦合谐振特性进行分析。腔体谐振、孔缝谐振、孔缝-腔体耦合谐振，都是带孔缝腔体的电磁谐振现象。腔体谐振占主导因素。研究屏蔽箱体孔腔耦合谐振，对屏蔽箱体的高屏蔽效能设计有一定的指导价值。孔腔耦合谐振也就是孔缝对腔体谐振的影响。在复杂的影响因素下，通过孔缝，腔体与外部空间的耦合产生。孔缝附近产生孔缝谐振。纵向尺寸引起传输腔体谐振。截面尺寸引起横向谐振。孔腔耦合谐振分析相对困难，没有固定的耦合模式，谐振特性更加复杂，相关研究较少。本文研究探讨其谐振规律，更好地抑制或控制耦合谐振，为提高船用双屏蔽箱体结构屏蔽效能，提供结构参数设计参考。
1 孔腔耦合谐振的形成及特性
孔缝对腔体谐振的影响，可以作为孔腔耦合谐振。基于波导理论，分析孔缝谐振，将孔缝看作一段金属波导结构，便可以基于波导理论对孔缝谐振进行具体分析。 孔缝谐振机理与腔体谐振机理相似，对于在孔缝中传播的电磁波，通过入射波和由腔体壁反射引起的反射波相互叠加，产生驻波，从而形成孔缝谐振。
本文研究选取船用帶缝屏蔽箱体模型。箱体材料为铝。箱体厚度为 t=2 mm。尺寸长宽高分别为1326mm、500mm、1326mm。在箱体右侧壁面中心制作缝隙，缝隙与z轴平行。采取不同的长度条件，包括1322mm，1000mm，800mm，600mm，400mm，200mm。缝隙用方形孔洞代替，规格20mm×20mm。船用带缝屏蔽箱体腔体内部中心，设置场强探针P。如下图所示，为计算模型。保证覆盖船用通信频段156～165MHz。设置模型频率范围选择0～500MHz。
平面波电场方向垂直于Z轴，平面波沿X轴呈现负向垂直入射。随着频率的变化，点P处电场强度出现变化，对其进行计算，缝隙谐振频点以SRm 表示，孔腔耦合谐振频点以SCRn 表示。曲线图如下图2所示。200 mm 缝的箱体模型，腔体自然谐振频点均为谐振点。缝与小方形孔，基本上有一致的谐振频点。
当L=800 mm，y=250 mm 剖面内部，SCR3 谐振的场强分布如下图3所示。
当L=1322 mm 时，在y=250 mm剖面，SR3 及 TE101 谐振模的场强分布如下图。
根据长度为800 mm，长度为1322mm，耦合谐振场强分布存在不同。腔体谐振与孔腔耦合谐振的差异明显。缝隙与腔体内部驻波存在密切的联系。驻波覆盖横向面积更大的，在SCR 场分布图的缝隙处。
根据以上比较分析。如果长度位于800mm和1000mm之间，包括800mm和1000mm。耦合谐振现象与 TE101模产生。不断增加缝隙的长度，缝隙谐振频点频率不断下降。孔腔耦合谐振拼点，从0变为2，频率范围0-500 MHz。对比 E-f 曲线，缝隙谐振与孔腔耦合谐振存在差异，缝隙谐振低于缝隙处的场强值。腔体内驻波连接更加紧密的是缝隙处。其驻波覆盖的横向面积更大。
2 孔缝结构参数对耦合谐振特性的影响
基于三维电磁仿真软件进行本次研究，三维电磁仿真软件全面且集成度极高，仿真软件包括设计工作室、PCB 工作室、电缆工作室、微波工作室等，根据仿真需求，合理选择仿真模块[3-5]。缝隙初始模型长宽高分别为850mm、1mm、2mm。仿真软件包含各种算法，对各类结构的电磁特征都可以计算，分析时频域特性。比如全波电磁算法、时域有限积分算法等，三维电磁仿真软件建立独特的精简模型库，能够精确仿真电磁特性，不需要划分网格，保证仿真精度，也节省了网格。
2.1 不同分段对耦合谐振特性的影响
将缝隙进行分段，等分为1段、2段、3段。如下图所示E-f曲线。为长度850mm的初始模型。如果是不分段，直接显示有较大的谐振，并且孔腔耦合谐振显示明显。在分成两段情况下，显示孔腔耦合谐振出现，并且频率是367MHz、349MHz。在TE301、TE103位置，腔体谐振、缝隙谐振有大致同样的频率[6]。分成三段的情况下，没有缝隙谐振频率，也没有孔腔耦合谐振。
2.2不同缝隙宽度及厚度的影响
设置1mm，2mm，3mm的缝隙厚度与缝隙宽度，绘制曲线图，如下所示。不断增加缝隙的厚度，显示孔腔耦合谐振的出现，是从缝隙横向谐振产生。因为耦合谐振场强值没有变化。不断增加缝隙的宽度，整个频段内的场强值出现一定的增加，增加有限。但耦合谐振频点幅值出现稍微的下降。
2.3沿Y轴坐标位置的影响
分析Y轴坐标位置对孔腔耦合谐振的影响，将缝隙与Z轴平行，在腔体右壁上设置缝隙，包括y=498mm，y=374mm，250mm，如下图所示，为E-f曲线。在不同的位置情况下，显示耦合谐振场强值没有变化[7]，范围在船用甚高频通信频段内。但腔体谐振其他模式谐振被激发，位于Y轴坐标的498mm及374mm处。 2.4不同数量缝隙的耦合影响
分析缝隙数量对孔腔耦合谐振的影响，采取1-5条不同数量的缝隙，采取对称设置的方式，以腔体右壁中心。y=2mm，y=498mm，y=126mm，y=126mm，y=250mm。曲线图如下图9所示。结果显示，在不断增加数量的缝隙情况下，两个频点中间的频率场强值，出现一定的上升。两个频点从低频转移到高频[8]。并且场强值出现稍微的下降。腔体的其他谐振模式被激发，主要受两条缝隙数量，以及四条缝隙数量的影响。
综合分析三维电磁场仿真软件的结果，显示增加缝隙的厚度，与孔腔耦合谐振的缝隙横向谐振产生影响很少。增加缝隙的宽度，两个频点的场强值出现一定程度的下降，并且小幅度地偏移向高频、低频[9]。分段处理缝隙，分段与腔体内场强值呈现负相关的关系，与缝隙谐振频点呈现正相关的关系。增加缝隙的数量，两个频点的场强值转移向高频、低频。并且呈现下降 。其他腔体模式谐振被激发，在不是对称分布的缝隙下。
3 总结
本研究使用CST电磁仿真软件进行分析，探讨发生电磁耦合谐振的船用通信频段，孔缝尺寸条件。对耦合谐振的影响相关规律进行分析，包括不同的缝隙数量、缝隙位置、缝隙厚度、缝隙宽度、缝隙分段等。本次研究缝隙初始模型为850mm×1mm×2mm，结合腔体内部场强分布图，分析孔腔耦合谐振特性。本次研究结果显示，船用屏蔽箱体，出现孔腔耦合谐振，孔缝处场强值， 比缝隙谐振场强值更高。腔体内场强分布复杂度更高。孔腔耦合谐振受缝隙的厚度、宽度的影响比较少。抑制电磁耦合谐振，可以采取等长分段处理缝隙的方式。腔壁不同位置的缝隙，会有腔体谐振模式被激发。更多的谐振模式在非对称布置下被激发。本文利用三维电磁场仿真软件，以优化船用屏蔽箱体屏蔽效能為目的，分析其孔腔耦合谐振特性规律，有效控制孔腔耦合谐振，抑制或控制电磁噪声，提高屏蔽效能，为设计船用屏蔽箱体提供参考。
参考文献：
[1]王殿海，石成英，蔡星会， 等.核电磁脉冲双层开孔矩形腔体屏蔽效能研究[J].核电子学与探测技术，2019，39（2）：159-163.
[2]安静，吴敏，高建强， 等.金属腔体多耦合通道电磁特性研究[J].微波学报，2019，35（5）：63-66，85. [3]祝磊，刘强，赵翔， 等.基于BP神经网络的圆形孔缝耦合截面预测[J].强激光与粒子束，2019，31（3）：26-30.
[3]陈宗胜，李志刚.开口金属腔体对强电磁脉冲的耦合效应[J].国防科技大学学报，2020，42（1）：18-23.
[4]胡乔一，祝龙.孔缝组合式仿生态鱼道流动特性数值模拟研究[J].中国农村水利水电，2020，（3）：119-123，128.
[5]李杰，杨志华，王应芬， 等.基于孔缝箱体屏蔽效能的研究[J].电力科学与工程，2020，36（5）：69-74.
[6]白婉宁，赵阳，刘强强， 等.基于孔缝设计的开关电源外壳电磁屏蔽特性研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2019，19（4）：86-91.
[7]罗名祺，金华标，王卓， 等.船用屏蔽箱体孔腔耦合谐振的仿真分析[J].舰船科学技术，2018，40（6）：120-123.
[8]巴文学，欧建芳，丁洁， 等.基于人工引雷实验的闪电通道附近带孔缝金属机箱耦合仿真研究[J].智能城市，2019，5（3）：21-22.
关键词：三维电磁场仿真;船用屏蔽箱体;孔腔;耦合;谐振特性
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0069-04
国内外制定明确的公约条款，规范船用甚高频通信频段，能够对船用通信设备的低噪声电磁环境下进行保护。为满足该要求，船用电子设备采取的有效手段是屏蔽技术。通过屏蔽技术避免影响。但屏蔽效能的好坏，受到船用屏蔽箱体谐振特性的决定性的影响。本文基于三维电磁场仿真，对船用屏蔽箱体的孔腔耦合谐振特性进行分析。腔体谐振、孔缝谐振、孔缝-腔体耦合谐振，都是带孔缝腔体的电磁谐振现象。腔体谐振占主导因素。研究屏蔽箱体孔腔耦合谐振，对屏蔽箱体的高屏蔽效能设计有一定的指导价值。孔腔耦合谐振也就是孔缝对腔体谐振的影响。在复杂的影响因素下，通过孔缝，腔体与外部空间的耦合产生。孔缝附近产生孔缝谐振。纵向尺寸引起传输腔体谐振。截面尺寸引起横向谐振。孔腔耦合谐振分析相对困难，没有固定的耦合模式，谐振特性更加复杂，相关研究较少。本文研究探讨其谐振规律，更好地抑制或控制耦合谐振，为提高船用双屏蔽箱体结构屏蔽效能，提供结构参数设计参考。
1 孔腔耦合谐振的形成及特性
孔缝对腔体谐振的影响，可以作为孔腔耦合谐振。基于波导理论，分析孔缝谐振，将孔缝看作一段金属波导结构，便可以基于波导理论对孔缝谐振进行具体分析。 孔缝谐振机理与腔体谐振机理相似，对于在孔缝中传播的电磁波，通过入射波和由腔体壁反射引起的反射波相互叠加，产生驻波，从而形成孔缝谐振。
本文研究选取船用帶缝屏蔽箱体模型。箱体材料为铝。箱体厚度为 t=2 mm。尺寸长宽高分别为1326mm、500mm、1326mm。在箱体右侧壁面中心制作缝隙，缝隙与z轴平行。采取不同的长度条件，包括1322mm，1000mm，800mm，600mm，400mm，200mm。缝隙用方形孔洞代替，规格20mm×20mm。船用带缝屏蔽箱体腔体内部中心，设置场强探针P。如下图所示，为计算模型。保证覆盖船用通信频段156～165MHz。设置模型频率范围选择0～500MHz。
平面波电场方向垂直于Z轴，平面波沿X轴呈现负向垂直入射。随着频率的变化，点P处电场强度出现变化，对其进行计算，缝隙谐振频点以SRm 表示，孔腔耦合谐振频点以SCRn 表示。曲线图如下图2所示。200 mm 缝的箱体模型，腔体自然谐振频点均为谐振点。缝与小方形孔，基本上有一致的谐振频点。
当L=800 mm，y=250 mm 剖面内部，SCR3 谐振的场强分布如下图3所示。
当L=1322 mm 时，在y=250 mm剖面，SR3 及 TE101 谐振模的场强分布如下图。
根据长度为800 mm，长度为1322mm，耦合谐振场强分布存在不同。腔体谐振与孔腔耦合谐振的差异明显。缝隙与腔体内部驻波存在密切的联系。驻波覆盖横向面积更大的，在SCR 场分布图的缝隙处。
根据以上比较分析。如果长度位于800mm和1000mm之间，包括800mm和1000mm。耦合谐振现象与 TE101模产生。不断增加缝隙的长度，缝隙谐振频点频率不断下降。孔腔耦合谐振拼点，从0变为2，频率范围0-500 MHz。对比 E-f 曲线，缝隙谐振与孔腔耦合谐振存在差异，缝隙谐振低于缝隙处的场强值。腔体内驻波连接更加紧密的是缝隙处。其驻波覆盖的横向面积更大。
2 孔缝结构参数对耦合谐振特性的影响
基于三维电磁仿真软件进行本次研究，三维电磁仿真软件全面且集成度极高，仿真软件包括设计工作室、PCB 工作室、电缆工作室、微波工作室等，根据仿真需求，合理选择仿真模块[3-5]。缝隙初始模型长宽高分别为850mm、1mm、2mm。仿真软件包含各种算法，对各类结构的电磁特征都可以计算，分析时频域特性。比如全波电磁算法、时域有限积分算法等，三维电磁仿真软件建立独特的精简模型库，能够精确仿真电磁特性，不需要划分网格，保证仿真精度，也节省了网格。
2.1 不同分段对耦合谐振特性的影响
将缝隙进行分段，等分为1段、2段、3段。如下图所示E-f曲线。为长度850mm的初始模型。如果是不分段，直接显示有较大的谐振，并且孔腔耦合谐振显示明显。在分成两段情况下，显示孔腔耦合谐振出现，并且频率是367MHz、349MHz。在TE301、TE103位置，腔体谐振、缝隙谐振有大致同样的频率[6]。分成三段的情况下，没有缝隙谐振频率，也没有孔腔耦合谐振。
2.2不同缝隙宽度及厚度的影响
设置1mm，2mm，3mm的缝隙厚度与缝隙宽度，绘制曲线图，如下所示。不断增加缝隙的厚度，显示孔腔耦合谐振的出现，是从缝隙横向谐振产生。因为耦合谐振场强值没有变化。不断增加缝隙的宽度，整个频段内的场强值出现一定的增加，增加有限。但耦合谐振频点幅值出现稍微的下降。
2.3沿Y轴坐标位置的影响
分析Y轴坐标位置对孔腔耦合谐振的影响，将缝隙与Z轴平行，在腔体右壁上设置缝隙，包括y=498mm，y=374mm，250mm，如下图所示，为E-f曲线。在不同的位置情况下，显示耦合谐振场强值没有变化[7]，范围在船用甚高频通信频段内。但腔体谐振其他模式谐振被激发，位于Y轴坐标的498mm及374mm处。 2.4不同数量缝隙的耦合影响
分析缝隙数量对孔腔耦合谐振的影响，采取1-5条不同数量的缝隙，采取对称设置的方式，以腔体右壁中心。y=2mm，y=498mm，y=126mm，y=126mm，y=250mm。曲线图如下图9所示。结果显示，在不断增加数量的缝隙情况下，两个频点中间的频率场强值，出现一定的上升。两个频点从低频转移到高频[8]。并且场强值出现稍微的下降。腔体的其他谐振模式被激发，主要受两条缝隙数量，以及四条缝隙数量的影响。
综合分析三维电磁场仿真软件的结果，显示增加缝隙的厚度，与孔腔耦合谐振的缝隙横向谐振产生影响很少。增加缝隙的宽度，两个频点的场强值出现一定程度的下降，并且小幅度地偏移向高频、低频[9]。分段处理缝隙，分段与腔体内场强值呈现负相关的关系，与缝隙谐振频点呈现正相关的关系。增加缝隙的数量，两个频点的场强值转移向高频、低频。并且呈现下降 。其他腔体模式谐振被激发，在不是对称分布的缝隙下。
3 总结
本研究使用CST电磁仿真软件进行分析，探讨发生电磁耦合谐振的船用通信频段，孔缝尺寸条件。对耦合谐振的影响相关规律进行分析，包括不同的缝隙数量、缝隙位置、缝隙厚度、缝隙宽度、缝隙分段等。本次研究缝隙初始模型为850mm×1mm×2mm，结合腔体内部场强分布图，分析孔腔耦合谐振特性。本次研究结果显示，船用屏蔽箱体，出现孔腔耦合谐振，孔缝处场强值， 比缝隙谐振场强值更高。腔体内场强分布复杂度更高。孔腔耦合谐振受缝隙的厚度、宽度的影响比较少。抑制电磁耦合谐振，可以采取等长分段处理缝隙的方式。腔壁不同位置的缝隙，会有腔体谐振模式被激发。更多的谐振模式在非对称布置下被激发。本文利用三维电磁场仿真软件，以优化船用屏蔽箱体屏蔽效能為目的，分析其孔腔耦合谐振特性规律，有效控制孔腔耦合谐振，抑制或控制电磁噪声，提高屏蔽效能，为设计船用屏蔽箱体提供参考。
参考文献：
[1]王殿海，石成英，蔡星会， 等.核电磁脉冲双层开孔矩形腔体屏蔽效能研究[J].核电子学与探测技术，2019，39（2）：159-163.
[2]安静，吴敏，高建强， 等.金属腔体多耦合通道电磁特性研究[J].微波学报，2019，35（5）：63-66，85. [3]祝磊，刘强，赵翔， 等.基于BP神经网络的圆形孔缝耦合截面预测[J].强激光与粒子束，2019，31（3）：26-30.
[3]陈宗胜，李志刚.开口金属腔体对强电磁脉冲的耦合效应[J].国防科技大学学报，2020，42（1）：18-23.
[4]胡乔一，祝龙.孔缝组合式仿生态鱼道流动特性数值模拟研究[J].中国农村水利水电，2020，（3）：119-123，128.
[5]李杰，杨志华，王应芬， 等.基于孔缝箱体屏蔽效能的研究[J].电力科学与工程，2020，36（5）：69-74.
[6]白婉宁，赵阳，刘强强， 等.基于孔缝设计的开关电源外壳电磁屏蔽特性研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2019，19（4）：86-91.
[7]罗名祺，金华标，王卓， 等.船用屏蔽箱体孔腔耦合谐振的仿真分析[J].舰船科学技术，2018，40（6）：120-123.
[8]巴文学，欧建芳，丁洁， 等.基于人工引雷实验的闪电通道附近带孔缝金属机箱耦合仿真研究[J].智能城市，2019，5（3）：21-22.