[发明专利]一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型的方法

摘要

本发明公开了属于电磁屏蔽技术领域的一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型的方法。首先将开孔矩形屏蔽体内部的区域划分为小孔区、偶极区、波导区，在不同的区域分别建立解析模型，各区域解析模型分别为：小孔区采用带开孔的无限大金属板等效、偶极区采用偶极辐射模型近似、波导区采用波导模式进行等效。利用上述解析模型可以计算出开孔矩形屏蔽体内部的场分布，进而得出电磁场屏蔽效能，通过与全波仿真的结果进行比较，验证该解析模型的正确性。本发明物理意义清晰，不仅计算速度快、效率高，而且能够得较为准确的描述开孔腔体内部各个分区的场分布规律，对进一步研究开孔屏蔽体内部场分布具有指导意义。

主权项

1.一种计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的分区解析模型的方法，其特征在于，计算平面波垂直于小孔表面入射时，开孔中心轴线上的屏蔽体内部的场分布，将开孔矩形屏蔽体内部空间分解为三个区域：围绕开孔附近的小孔区、靠近屏蔽体背板的波导区、以及小孔区和波导区之间的偶极区，各个区域的场分布模型分别为：小孔区采用带开孔的无限大金属平板模型替代、偶极区采用偶极辐射模型近似、波导区采用波导模式场分布等效，对开孔屏蔽体内部进行分区，各个区域建立场分布计算模型，主要包括：1)小孔区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面1倍直径内的场分布可以等效成无限大金属板附近的场分布，故运用计算无限大金属板开孔附近场分布的方法建立的计算模型如下：磁场：在平面波垂直于小孔表面入射的条件下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的磁场强度为：其中H₁为当无限大金属板上设有开孔时金属板入射波侧的磁场切向分量，数值上等于入射平面波磁场沿y轴分量H₀的两倍，R为小孔的半径，z为观测点到小孔中心的距离；e_y指的是y轴的单位矢量；电场：在平面波的垂直入射下，推导出在小孔区，开孔中心轴线上的电场强度为：其中，E₀为入射平面波沿x轴方向的电场强度，λ为波长，ρ²＝R²+z²，k为波数，e_x指的是x轴的单位矢量、e^jkρ指的是e的jkρ次方，j为虚数单位，e^jkz指的是e的jkz次方；2)偶极区：开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面倍小孔直径的范围内的电磁场，依据Bethe小孔耦合理论，并结合上述偶极辐射模型及入射平面波的性质，用位于开孔中心的磁偶极矩m的激发场来描述，m则由入射平面波决定，m＝‑α_myH_0，ye_y   (3)式中，H_0，y为入射平面波沿y轴方向的磁场强度H₀在开孔面切向的y分量，极化系数α_my与开孔的形状和尺寸有关，对于直径为d_c的圆形孔的极化系数表达式为由此得出磁偶极矩：式中，E₀为入射平面波沿x轴方向的电场强度，η₀为自由空间波阻抗，η₀＝377，可以得到在偶极区，开孔中心轴线上的磁场强度为：电场强度为：式中，SI＝2m，为波数，z为观测点到小孔中心的距离；3)波导区：在开孔矩形屏蔽体内部，距小孔面4倍直径之后的范围内，根据传输线波导理论，将开孔金属腔体看成到开孔金属板距离为d的金属板短路的传输线，由此可得开孔面中心轴线上的电场强度和磁场强度分别为：E＝C₁sin k_g(d‑z)e_x (8)H＝C₂cos k_g(d‑z)e_y (9)由于偶极区与波导区有一部分区域是重叠的，这部分区域用偶极区计算方法算出的电磁场强度与波导区计算方法算出的相同，因此利用这一点，当z在距小孔倍直径内取值时，令z＝z₁，联立得到解得综上，在波导区，开孔面中心轴线上的电场强度为磁场强度为其中，E₀为入射平面波沿x轴方向的电场强度，d_c为圆形开孔的直径，λ为波长，z为观测点到小孔中心的距离，z₁在距小孔3～4倍直径内取值，a为开孔屏蔽体的高度，k_g为传播常数，为波数，η₀为自由空间波阻抗，η₀＝377，C₁、C₂为计算过程设定的两个未知数；至此，已给出了计算开孔矩形屏蔽体内部场分布的全套方程，按惯例，腔内任一点处的电场屏蔽效能定义为SE＝20log(E₀/E) (17)式中，E₀为入射平面波沿x轴方向的电场强度，E为腔内任一点沿x轴方向的电场强度；腔内任一点处的磁场屏蔽效能定义为：SH＝20log(H₀/H) (18)式中，H₀为入射平面波沿y轴方向的磁场强度，H为腔内任一点沿y轴方向的磁场强度。