一种多层金属网屏蔽效能快速解析计算方法与流程

1.本发明涉及电磁屏蔽效能计算技术领域，具体涉及一种多层金属网屏蔽效能快速解析计算方法。


背景技术：

2.非核爆电磁脉冲、雷电电磁脉冲等人为或自然强电磁脉冲环境对电子信息设备的正常运行造成了巨大的威胁。为了减少这些威胁造成的损失，电磁防护措施必不可少且意义重大。金属网和金属板作为重要的屏蔽材料，在工程电磁防护领域的应用非常普遍。考虑到通风、采光、湿度、重量和经济性等因素，金属网状结构逐渐取代了原来的金属板结构。随着对电磁屏蔽能力的要求越来越高，单层金属网已经不能满足电磁防护标准，在实际防护结构中出现了双层或多层金属网结构。
3.单层金属网的屏蔽效能可以通过解析模型进行快速估算，现有的基于 casey模型及其各种改进模型可以实现下密集金属网格的精确计算。然而，对于双层或多层金属网的屏蔽效能，解析模型非常缺乏或难以实现范围准确计算。另外，对于双层或多层金属网的屏蔽效能，目前的研究主要集中在数值模拟上，由于数值模拟方法速度慢、资源消耗大，难以快速模拟不同结构、大小、介质特性的结果。因此，开发一种能够有效快速计算双层或多层金属网屏蔽效能的解析计算方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种多层金属网屏蔽效能快速解析计算方法，该方法可以在范围内准确高效的对双层或多层金属网屏蔽效能进行分析计算。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多层金属网屏蔽效能快速解析计算方法，其特征在于所述金属网共n层，各层金属网材料相同，厚度为d
2n-1
，每两层金属网间均为空气夹层，厚度为l
2n-2
，将整体结构分为2n-1 个区域，在平面波垂直入射条件下，多层金属网屏蔽效能解析计算模型为
6.se
n_layers,mesh
＝(r
′1 r
′3
…
r
′
2n-1
) (m
′2 m
′4
…
m
′
2n-2
)
7.其中，r
′
2n-1
是2n-1区域中金属网的反射损耗，m
′
2n-2
代表2n-2区域中空气夹层的多次反射损耗。
8.对上述方案作进一步说明，所述空气夹层的多次反射损耗将随着两侧金属网的阻抗和空气夹层厚度的变化而变化，因此反射损耗计算方式如下：
[0009][0010]
其中，η0为自由空间波阻抗,λ0是入射波的波长,zs为金属网平面阻抗。
[0011]
对上述方案作进一步说明，所述金属网为单层时，网孔尺寸为w，金属丝直径为d，在te模式和tm模式的平表面阻抗分别为
[0012]zs1
＝z
′w(w-0.95d) jωls[0013][0014]
其中，θ为来波入射角，z
′w和ls分别表示金属网的单位直流阻抗和金属网的感应阻抗，ω是入射波的角频率。
[0015]
对上述方案作进一步说明，所述来波入射角θ＝0时，即为平面波垂直入射，所述金属网视为理想导体，即z
′w＝0时，可以得到z
s1
＝z
s2
＝zs＝jωls，多层金属网的反射损耗r
′
2n-1
计算模型为：
[0016][0017]
其中，
[0018]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明中提出的模型可以在范围内准确高效的对双层或多层金属网屏蔽效能进行分析计算，计算结果与基于fem算法的三维全波仿真软件hfss计算进行比较，结果非常吻合，并且本发明计算方法与仿真软件相比，可以克服数值方法消耗大量资源、计算速度慢等问题，快速准确的给出计算结果。
附图说明
[0019]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0020]
图1是本发明中多层金属网结构模型；
[0021]
图2是本发明中单层金属网几何模型；
[0022]
图3是金属网不同线径比值(0.1和0.2)下解析模型计算结果；
[0023]
图4是金属网不同孔径比值(0.1和0.2)下解析模型计算结果；
[0024]
图5是双层金属网解析模型计算结果；
[0025]
图6是四层金属网计算模型；
[0026]
图7是本发明所提出的解析模型和hfss计算结果；
[0027]
图8是本发明所提出解析模型计算结果与hfss仿真计算结果误差比较。
具体实施方式
[0028]
本发明所采取的技术方案是：一种多层金属网屏蔽效能快速解析计算方法，将单层金属网的平面阻抗模型应用于多层导体的屏蔽理论，对于如图1所示的多层金属网结构。图1中，金属网共n层，各层金属网材料相同，厚度为d
2n-1
，每两层金属网间均为空气夹层，厚度为l
2n-2
，为方便分析，将整体结构分为2n-1 个区域)，在平面波垂直入射条件下，多层金属网屏蔽效能解析计算公式如(1)：
[0029]
se
n_layers,mesh
＝(r
′1 r
′3
…
r
′
2n-1
) (m
′2 m
′4
…
m
′
2n-2
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0030]
其中，r
′
2n-1
是2n-1区域中金属网的反射损耗，m
′
2n-2
代表2n-2区域中空气夹层的多次反射损耗。
[0031]m′
2n-2
将随着两侧金属网的阻抗和空气夹层厚度的变化而变化，由公式(2) 求得：
[0032][0033]
其中，η0为自由空间波阻抗,λ0是入射波的波长,zs为金属网平面阻抗。
[0034]
单层金属网结构如图2所示，假定网孔尺寸为w，金属丝直径为d。考虑良好焊接的情形，拐角处的阻抗被忽略。z
s1
和z
s2
分别对应于te模式(横电波模式，指电磁波的传播方向上电场的纵向分量为零，磁场的纵向分量不为零的传播模式)和tm模式(横磁波模式，指电磁波的传播方向上磁场的纵向分量为零，电场的纵向分量不为零的传播模式)下的平面阻抗(分别由式(3)、(4) 给出)：
[0035]zs1
＝z
′w(w-0.95d) jωlsꢀꢀꢀ
(3)
[0036][0037]
其中，θ为来波入射角，z
′w和ls分别表示金属网的单位直流阻抗和金属网的感应阻抗，ω是入射波的角频率。
[0038]
在平面波垂直入射条件下，θ＝0，并且金属网视为理想导体(z
′w＝0)时，可以得到z
s1
＝z
s2
＝zs＝jωls，多层金属网的反射损耗r
′
2n-1
可公式(5)计算：
[0039][0040]
l
s,2n-1
由式(6)计算：
[0041][0042]
下面通过计算双层和四层金属网在较率下的屏蔽效能，并与基于fem算法的三维全波仿真软件hfss计算结果进行比较，对解析模型进行验证。
[0043]
(1)双层金属网仿真对比
[0044]
设置双层金属网使其网孔相对，并且金属网视为理想导体。每层金属网方孔的边长为1mm，金属线的直径分别为0.1mm和0.2mm，金属网之间的间隙为 2mm，平面波垂直入射。hfss边界条件设置为周期边界条件，最小周期尺寸为w，激励源为floquet端口。本发明所提出的解析模型和hfss仿真结果如图5所示。从计算结果可以看出，本发明所提出的解析模型解析计算结果与hfss计算结果非常吻合。
[0045]
实例i:为了验证本发明所提出的解析模型对金属网不同层间距的适用性，在图3设置的基础上更改金属网之间的间距。图4显示了当金属网的直径 d＝0.1mm(d/w＝0.1)和金属网之间间距为5mm时本发明所提出的解析模型的计算结果,并将其与金属网间距为2mm的计算结果进行比较。图中圆圈代表hfss 仿真结果。从图4可以看出，本发明所提出的解析模型的计算结果与hfss仿真结果非常吻合。
[0046]
实例ii:为了进一步验证本发明所提出的解析模型对不同金属网厚度的适应性，在图3和图4条件基础上设置了不同线径和孔径比值的两层金属网。图5展示了金属网之间间距为5mm时，第一层金属网直径d＝0.1mm(d/w＝0.1) 和第二层金属网直径d＝0.2mm(d/w＝0.2)，本发明所提出的解析模型的计算结果。并将其与两层金属网直径都为d＝0.1mm(d/
w＝0.1)和两层金属网直径都为 d＝0.2mm(d/w＝0.2)计算结果进行了比较。图中圆圈代表hfss仿真结果。从图 5可以看出，本发明所提出的解析模型的计算结果依然与hfss仿真结果非常吻合。
[0047]
(2)四层金属网仿真对比
[0048]
如图6所示，为一个四层金属网。金属网视为理想导体，并且网孔直接相对。平面波垂直入射。每层金属网方孔的边长为1mm，金属丝的直径分别为0.1mm 和0.2mm，外两层金属网与内两层金属网之间的距离分别是2mm和2mm，内两层之间的距离为5mm。使用本发明所提出的解析模型和hfss分别计算其屏蔽效果，计算结果如图7所示。从图7可以看出，当d/w＝0.1和d/w＝0.2(w＝1mm)时，本发明所提出的解析模型的计算结果与hfss仿真结果非常吻合。
[0049]
为了比较本发明所提出的解析模型计算结果和hfss仿真结果之间的误差，将两者相减获取绝对值。图8显示了图7中本发明所提出的解析模型计算结果与hfss结果之间的误差曲线。从图8可知，在16ghz的范围内，当d/w＝0.1和d/w＝0.2(d＝1mm)时，本文解析模型的计算结果与hfss仿真结果之间的差都小于0.5db。
[0050]
表1比较了本发明所提出的解析模型和商业软件hfss对四层金属网格的计算时间。计算总频点数为1600(10mhz：10mhz：16ghz)。从计算结果可以看出，本发明所提出的解析模型的计算时间为1.41秒，hfss的仿真时间远远超过1小时。可见，本发明所提出的解析模型的计算时间远小于hfss所消耗的时间。
[0051]
表1不同条件下的计算时间比较
[0052]