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西安電子科技大學畢業季精美論文答辯動態PPT模板

  • 時間:2017-03-18
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  • 所屬欄目:答辯PPT
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西安電子科技大學畢業季精美論文答辯動態PPT模板

西安電子科技大學畢業季精美論文答辯動態PPT模板

簡介:這是一個西安電子科技大學畢業季精美論文答辯動態PPT模板,主要介紹了研究背景和意義、國內外研究現狀、仿真軟件及電磁學算法簡介、分析屏蔽效能的傳輸線方法等內容。 畢業論文答辯是一種有組織、有準備、有計劃、有鑒定的比較正規的審查論文的重要形式。

西安電子科技大學畢業季精美論文答辯動態PPT模板是由菜鳥PPT用戶weishenhe上傳提供的答辯PPT類型素材,上傳時間為2017-03-18,本頁面網址為http://www.anyzze.tw/ppt/2016102895072.html

含孔陣矩形機殼的屏蔽效能研究
作    者:劉國強
指導老師:路宏敏 教授
專    業:電磁場與微波技術
內容提要
研究背景和意義
國內外研究現狀
仿真軟件及電磁學算法簡介
分析屏蔽效能的傳輸線方法
含圓形孔陣矩形機殼屏蔽效能的傳輸線法分析
含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能的傳輸線法分析
研究背景和意義
電子、電氣設備機殼用于抵抗來自機殼內部的電磁場以及機殼外部其它電子產品的電磁泄露,必須滿足電磁兼容性(EMC)要求。然而,設備機殼的完整性常常受到用于提供可見性、通風以及檢修孔的縫隙的損害。這樣的開口能夠使外部電磁脈沖透入到設備機殼的內部空間,耦合到印刷電路板(PCB)上,從而在內部導體上感應電壓和電流,降低電子電路、元器件的工作性能,甚至毀壞它們。因此,研究具有孔縫的設備機殼的電磁屏蔽效能具有重要的理論意義和應用價值。
 國內外研究現狀
在早期,對于電磁脈沖孔耦合的研究重點主要是無限大導體平面上開有孔縫的問題,其有價值的研究始于Bethe的工作。1944年,Bethe提出了小孔理論,把無限大導體平面上電小尺寸的孔縫看成等效的電偶極子和磁偶極子,給出了圓孔的等效電磁參數。
1972年,T.Y.Otoshi提出對于垂直入射平面波照射下,無限大薄金屬平板上的小孔陣相當于與TEM模傳輸線并聯的一個電感性電納,并提出了在孔陣沒有電阻性損耗的情況下圓孔陣的歸一化導納表達式。
 國內外研究現狀
1996年,M.P.Robinson等人總結概括了Bethe提出的用于估算含孔縫矩形機殼的電磁輻射的理論,并提出了用于計算含孔縫矩形機殼屏蔽效能的計算公式,并且包括了基本上所有的設計參數,如屏蔽腔的大小、孔縫的大小、屏蔽體內的位置、壁厚、頻率等,可方便地得到屏蔽效應隨各參數的變化曲線。在該模型中,將含矩形孔縫的矩形金屬機殼前面板等效表示為兩端短路的共面傳輸線,矩形金屬機殼除含孔的一個面以外,其余部分以一段終端短路的波導建模。通過該方法計算的有孔腔體的電屏蔽效能的理論值與測量值良好吻合,并且還可以準確的預測出腔體內電屏蔽效能隨位置的變化。但該模型沒有分析含矩形孔陣以及腔體內置印刷電路板的矩形機殼的屏蔽效能
國內外研究現狀
1999年,基于M.P.Robinson等人提出的波導等效電路傳輸線理論,D W P Thomas等人將含單孔機殼內部印刷電路板的加載效應以有耗介質塊建模,改進了以前的等效電路模型 。但作者沒有進行相關的理論推導,提出計算內置PCB含孔縫矩形機殼的屏蔽效能的計算公式。
國內外研究現狀
2008年,Parisa Dehkhoda等人最近提出的一種基于Robinson傳輸線等效電路模型的更加精確的模型。在該模型中,雖然箱體依然等效為一個短路波導,但孔縫陣則被等效為導納。該模型可以有效計算寬頻帶的屏蔽效能,隨著孔縫數量的增加,在孔縫陣列方面,該模型比Robinson傳輸線等效電路模型的結果更精確,但該模型沒有分析腔體內裝有印刷電路板的情況。
CST及時域有限積分法(FIT)
CST簡單介紹
CST MICROWAVE STUDIO,是德國CST(Computer Simulation Technology)公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件,基于時域內的有限積分法(The Finite Integration Theory)和CST專有的理想邊界擬合技術(PBA)進行仿真運算,廣泛應用于移動通信、無線通信(藍牙系統)、信號集成和電磁兼容等領域。該軟件在分析窄脈沖,寬頻帶問題時仿真速度較快。
 FIT簡單介紹
FIT(時域有限積分法)是由1976年至1977年Weiland教授提出來的。該數值方法提供了一種通用的空間離散化方案,可用于解決各種電磁場問題,從時域和頻域的應用。FIT是將積分形式的麥克斯韋方程離散化,而不是離散化微分形式的Maxwell方程。
                    XFDTD及時域有限差分法(FDTD)
XFDTD簡單介紹
XFDTD 是 REMCOM Inc. 所開發的基于時域有限差分法的全波三維電磁場仿真工具,在任意導體及介電質環境下之時間與空間領域的電磁場問題。可應用的頻譜范圍,從無線電波(Radiowave),微波(Microwave),毫米波(Millimeter-wave)乃至于光學頻率,即約100kHz至3000GHz。
FDTD算法的基本思想
在諸多時域電磁場計算方法中,FDTD ( finite- difference time-domain)方法作為一種典型的全波時域分析方法,是近年來發展最迅速、最受關注和應用范圍最廣的一種方法。FDTD算法的迭代公式是在包括時間在內的四維空間中,對Maxwell旋度方程對應得微分方程進行二階中心差分近似得到的。它能對各種復雜的邊界條件近似自動滿足。
             分析屏蔽效能的傳輸線方法
屏蔽效能的表示
         電場屏蔽效能是指不存在屏蔽體時某處的電場強度與存在屏蔽體時同一處的電場強度之比,常用分貝(dB)表示即
                                       (1)
          磁場屏蔽效能是指不存在屏蔽體時某處的電場強度與存在屏蔽體時同一處的電場強度之比,常用分貝(dB)表示即
                                       (2)
              分析屏蔽效能的傳輸線方法
含孔陣矩形機殼波導等效電路傳輸線法的基本原理
               1996年,M.P.Robinson等人提出了計算含孔矩形機殼屏蔽效能的波導等效電路傳輸線法。其波導等效電路模型如圖5所示,矩形金屬機殼除含孔的一個面以外,其余部分以一段終端短路的波導建模。一般而言,由孔縫耦合進入腔體中的能量要比穿過腔體壁進入其中的能量多得多,因此可以合理假設腔體壁的電導率足夠高而只考慮耦合的能量。
               分析屏蔽效能的傳輸線方法
           圖5表示含孔矩形機殼的波導等效電路,等效源阻抗    等于孔陣阻抗     和空間波阻抗   (           )的并聯,   為等效源電壓,即有:
                                                               (3)
矩形腔等效為短路的波導,它的特性阻抗和傳播常數分別為和     。因孔陣在腔體表面軸對稱,電磁波在矩形腔體里激起以TE10為主的傳輸模式,                           ;                         。在觀測點P的輸入阻抗和電壓分別為:
(4)
                分析屏蔽效能的傳輸線方法
觀測點P處向右看去的短路波導段的等效阻抗為:
                  (5)
從而可得觀測點P處的電壓和電流為:
                     (6)
如果沒有矩形屏蔽腔,P點的負載阻抗為    ,則P點的電壓                   ,電流                 ,因此電屏蔽效能為:
                  (7)
磁屏蔽效能為:
                  (8)
                 含圓形孔陣矩形機殼屏蔽效能的傳輸線法分析
小圓孔陣導納
             圖6表示無限大金屬平板上周期性二維孔陣的兩種幾何結構。對于垂直入射平面波,無限大薄金屬平板上的小孔陣相當于與TEM模傳輸線并聯的一個電感性電納。假設孔陣沒有電阻性損耗且圓孔直徑d小于孔間距 ,當    ,   和d遠小于波長時,圖6所示的兩種結構的歸一化并聯導納近似為:
                       (9)
式中:  和     分別為自由空間的波長和本征導納,   和     分別是水平和垂直孔間距
                  含圓形孔陣矩形機殼及其等效電路
           圖7表示暴露于平面電磁波中,加裝印刷電路板的含圓形孔陣矩形機殼及其等效電路模型。矩形金屬機殼除含孔的一個面以外,其余部分以一段終端短路的波導建模.阻抗                作為連接自由空間和波導的模型。
              PCB等效建模
           PCB引起的電磁波抑制能夠用一塊厚度近似等于PCB厚度t且完全填充波導橫截面的電介質近似表示。如果介質塊的有效相對介電常數為    ,有效電導率為   ,那么對于矩形機殼內部介質塊加裝區域中傳播的TE10模,其傳播特性為
(10)
式中           ,             ,                 ,且    ,    ,    ,    分別是頻率,自由空間中的波長、特性阻抗和介電常數。
                         加裝印刷電路板含圓形孔陣矩形機殼屏蔽效能表達式
依據圖7等效電路和戴維南定律,孔陣處的等效電壓源及其阻抗為
(11)
(由傳輸線理論知,介質板左端處的電壓及阻抗可表示為:
(12)
同理可知介質板右端處的電壓及阻抗可表示為:
(13)
加裝印刷電路板含圓形孔陣矩形機殼屏蔽效能表達式
            PCB右側,觀測點P處的等效電壓源阻抗和電壓為:
(14)
觀測點P處向右看去的短路波導段的等效阻抗為:
(15)
從而可得觀測點P處的電壓為:
(16)
如果沒有矩形屏蔽機殼,那么平面電磁波在自由空間傳播,從而觀測點P處的負載阻抗為     ,電壓                  ,因此電場屏蔽效能為:
(17)
加裝印刷電路板含圓形孔陣矩形機殼屏蔽效能計算結果及分析
方法驗證及比較
電場極化方向對屏蔽效能的影響
孔徑大小對屏蔽效能的影響
孔陣排列夾角對屏蔽效能的影響
孔間距大小對屏蔽效能的影響
PCB厚度對屏蔽效能的影響
含方孔陣矩形機殼屏蔽效能的等效計算
方法驗證及比較
            依據本文提出的波導等效電路模型,及電場屏蔽效能解析表達式(17),編程計算屏蔽效能是本文方法。CST仿真意味著基于相同模型和參數,采用通用專業軟件CST的仿真結果。圖8表示觀測點處,采用本文方法和CST仿真的電場屏蔽效能,以及文獻【35】(沒有加裝PCB,即空機殼)的結果。從圖8可以看出,本文方法與CST仿真結果良好吻合。當機殼沒有加裝PCB時,本文提出的等效電路模型及電場屏蔽效能解析表達式就可以簡化為文獻【35】的結果。可見本文提出的等效電路模型及電場屏蔽效能解析表達式是有效的 
                電場極化方向對屏蔽效能的影響
圖9表示入射波電場極化方向與屏蔽效能的關系。這里取電場強度與孔陣寬度w之間的夾角為  ,電場極化方向與孔陣長度方向平行(        )時的機殼屏蔽效能,同電場極化方向與孔陣長度方向垂直(        )時的機殼屏蔽效能比較,前者顯著優于后者。
                孔徑大小對屏蔽效能的影響
圖10表示不同孔徑大小與屏蔽效能的關系。結果顯示出:孔直徑越小,屏蔽效能越高,屏蔽效果越好。
               孔陣排列夾角對屏蔽效能的影響
圖11描繪孔正交排列與交錯排列(見圖6)時,含圓孔陣矩形金屬機殼的屏蔽效能比較。從圖11中可以看出,孔交錯夾角越小,屏蔽效果越差。在其他條件相同的情況下,正交排列孔陣的屏蔽效果優于交錯排列孔陣的屏蔽效果
               孔間距大小對屏蔽效能的影響
圖12描繪孔陣正交排列,水平方向孔間距    和豎直方向孔間距    相同,即         ,保持每個小圓孔直徑不變,孔陣中孔的個數也不變。僅僅改變孔間距(孔間距分別為28mm、20mm和12mm),從而孔陣面積
              變化時的屏蔽效能。結果顯示出:圓孔陣的孔間距越大,屏蔽效能越高,屏蔽效果越好。
                PCB厚度對屏蔽效能的影響
PCB厚度對腔體屏蔽效能的影響如圖13所示,從圖13中可以看出,PCB厚度對諧振頻率有所影響,諧振頻率隨PCB厚度的增加而降低,也就是PCB越厚,諧振頻率越低。
                 含方孔陣矩形機殼屏蔽效能的等效計算
該方法也可以用于計算含方孔陣矩形機殼的屏蔽效能,方孔可以等效為相應的外接圓,即         。平面電磁波垂直孔陣面入射到含方形孔陣矩形金屬機殼上,頻率范圍是                    。如圖14所示,在低于600MHz范圍內,CST仿真與本文方法非常吻合。 
結論
電場極化方向與孔陣長度方向平行,同電場極化方向與孔陣長度方向垂直比較,前者屏蔽效能顯著優于后者;
孔直徑越小,屏蔽效能越高,屏蔽效果越好;所考慮的頻率范圍內,加裝PCB(有耗介質塊)可以顯著提高機殼的屏蔽效能;
正交排列孔陣的屏蔽效果優于交錯排列孔陣的屏蔽效果;
保持孔陣中孔數目不變,孔間距越大,屏蔽效能越高;
PCB厚度對諧振頻率有所影響,諧振頻率隨PCB厚度的增加而降低,也就是PCB越厚,諧振頻率越低。
另外,在所考慮的頻率范圍內,此方法還可以用于計算方孔陣的屏蔽效能。
                  含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能的傳輸線法分析
矩形孔陣阻抗
含矩形孔陣矩形機殼等效電路模型
含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能表達式
含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能計算結果及分析
矩形孔陣阻抗
矩形孔縫的特性阻抗Z0s為:
                       (18)
式中:                                ,這里h為屏蔽體的厚度。當   (適用范圍)時有:
(19)
單個矩形孔縫阻抗為:
                      (20)
矩形孔陣阻抗
J.D.Turner等人在研究屏蔽體同一面上,具有一定的隔距、相同形狀軸對稱孔陣得出:孔陣阻抗等于單個孔阻抗之和,圓孔阻抗與面積相同的正方形阻抗相等。那么具有一定隔距、相同形狀軸對稱孔陣的阻抗計算就可以轉化為單孔阻抗的計算。因此,矩形孔陣阻抗為:
                  (21)
              含矩形孔陣矩形機殼等效電路模型
圖15表示暴露于平面電磁波中,加裝印刷電路板的含矩形孔陣矩形機殼及其等效電路模型。將含矩形孔縫的矩形金屬機殼前面板等效表示為兩端短路的共面傳輸線,矩形金屬機殼除含孔陣的一個面以外,其余部分以一段終端短路的波導建模 .阻抗Zb作為連接自由空間和波導的模型。
                         加裝印刷電路板含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能表達式
依據圖7等效電路和戴維南定律,孔陣處的等效電壓源及其阻抗為
(22)
(由傳輸線理論知,介質板左端處的電壓及阻抗可表示為:
(23)
同理可知介質板右端處的電壓及阻抗可表示為:
(24)
加裝印刷電路板含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能表達式
            PCB右側,觀測點P處的等效電壓源阻抗和電壓為:
(25)
觀測點P處向右看去的短路波導段的等效阻抗為:
(26)
從而可得觀測點P處的電壓為:
(27)
如果沒有矩形屏蔽機殼,那么平面電磁波在自由空間傳播,從而觀測點P處的負載阻抗為     ,電壓                  ,因此電場屏蔽效能為:
(28)
加裝印刷電路板含矩形孔陣矩形機殼屏蔽效能計算結果及分析
方法驗證及比較 
電場極化方向對屏蔽效能的影響 
矩形孔縫大小對屏蔽效能的影響 
屏蔽體厚度對屏蔽效能的影響 
相同面積的矩形孔縫,長寬比l/w對屏蔽效能的影響 
相同面積的單孔與孔陣對屏蔽效能的影響
方法驗證及比較
依據本文提出的波導等效電路模型,及電場屏蔽效能解析表達式(28),編程計算屏蔽效能是本文方法。XFDTD仿真意味著基于相同模型和參數,采用通用專業軟件XFDTD的仿真結果。圖16表示觀測點處,采用本文方法和XFDTD仿真的電場屏蔽效能。從圖16可以看出,本文方法與XFDTD仿真結果良好吻合。可見本文提出的等效電路模型及電場屏蔽效能解析表達式是有效的。
               電場極化方向對屏蔽效能的影響
圖17表示入射波電場極化方向與屏蔽效能的關系。這里取電場強度與孔縫寬度w之間的夾角為  ,電場極化方向與孔陣長度方向平行(          )時的機殼屏蔽效能,同電場極化方向與孔陣長度方向垂直(          )時的機殼屏蔽效能比較,前者顯著優于后者。
                矩形孔縫大小對屏蔽效能的影響
相同的屏蔽體上分別開3個                和                  的矩形孔陣,在腔體中心處計算的電屏蔽效能曲線如下圖所示。圖18表示不同孔徑大小與屏蔽效能的關系。結果顯示出:孔縫越大,耦合進入系統的能量越多,在相同頻率下屏蔽效能越低;同時共振區域變寬。
                屏蔽體厚度對屏蔽效能的影響
大小相同,屏蔽體厚度h分別為2mm、1mm和0.1mm的矩形屏蔽體,在腔體中心處計算的電屏蔽效能曲線如右圖所示。圖19描繪不同厚度矩形金屬機殼的屏蔽效能比較。從圖19中可以看出,屏蔽體壁越厚,透射進屏蔽體內的電磁能量越少,屏蔽效能就越高。 
                         相同面積的矩形孔縫,長寬比l/w對屏蔽效能的影響
相同的屏蔽體上分別開有面積同為1600mm的矩形孔,長寬比l/w分別等于1、4以及16的三種取值。在腔體中心處計算的電屏蔽效能曲線如右圖所示。通過圖20可以看出,對于面積相同的矩形孔縫,隨著長寬比l/w的增大,除少數點外,屏蔽效能是成減小趨勢。當長寬比l/w=1,即孔縫為正方形時,中心處的屏蔽效能最大,也就是耦合進屏蔽體的電場強度較小。所以,對于矩形孔縫,我們一般采取正方形孔縫代替矩形孔縫,以減少外部電磁波對內部的影響
                相同面積的單孔與孔陣對屏蔽效能的影響
在裝有PCB矩形腔體的表面上分別開有面積相同的正方形孔陣和單孔,4個邊長為20mm的正方形孔陣與邊長為40mm的正方形單孔的面積相等,在腔體中心處計算的電屏蔽效能曲線如右圖所示。圖21的計算結果顯示出:相同面積的孔陣比單孔的屏蔽效能要高,可見在相同面積條件下,孔陣的屏蔽效果比單孔要好,所以,對于通風孔我們一般采取孔陣。 
結論
電場極化方向與孔陣長度方向平行,同電場極化方向與孔陣長度方向垂直比較,前者屏蔽效能顯著優于后者;
孔縫越大,耦合進入系統的能量越多,在相同頻率下屏蔽效能越低,同時共振區域變寬;
屏蔽體壁越厚,透射進屏蔽體內的電磁能量越少,屏蔽效能就越高;
對于面積相同的矩形孔縫,隨著長寬比l/w的增大,除少數點外,屏蔽效能是成減小趨勢。當長寬比l/w=1,即孔縫為正方形時,中心處的屏蔽效能最大,也就是耦合進屏蔽體的電場強度較小,所以,對于矩形孔縫,我們一般采取正方形孔縫代替矩形孔縫,以減少外部電磁波對內部的影響;
相同面積的孔陣比單孔的屏蔽效能要高,可見在相同面積條件下,孔陣的屏蔽效果比單孔要好,所以,對于通風孔我們一般采取孔陣。
結束語
雖然本文運用傳輸線法對含孔陣矩形機殼的屏蔽效能進行了系統深入的分析,完成了相關課題的研究,但是還有一些問題有待進一步研究。本文主要分析了孔陣位于中心位置的情況,即分析計算時僅考慮第一個TE10主模,但對于孔陣偏離中心位置的情況,分析計算時還需要考慮高次模。
感謝各位老師聽取我的答辯報告并提出寶貴意見!

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