（电力系统及其自动化专业论文）移动基站电磁辐射评估及建筑物屏蔽效能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s c h o l a r sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et oe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ， t h e yv i g o r o u s l yc a r r yo u ts c i e n t i f i cr e s e a r c hi nt h ef i e l d a tt h es a m et i m et h e e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tp r o b l e mh a v e a l s oa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h e p u b l i c a s t h em a nm a d ee l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o n p o l l u t i o n i n c r e a s e d c o n s t a n t l ys u c ha s t h ew i d e l yu s i n go fl a r g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，h i g h v o l t a g e t r a n s m i s s i o n ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n ，w h i c hm a d et h ee l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tg e t t i n gw o r s e s oa t21 轧c e n t u r yt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t w o r s e n sh a sp a s tt h ep o i n to fn or e t u r n t h es e r i o u s l yw o r s e n e de l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tn o to n l yi n t e r f e r et h ef u n c t i o no fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ， b u ta l s oe n d a n g e rp e o p l e sh e a l t h s i n c et h es o c i e t y p r o g r e s s e s a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o p s ，t h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb u s i n e s si sd e v e l o p i n gr a p i d l yw h i c ht o t a l l yc h a n g e dt h e w a yb o t ho fw o r ka n dl i f e i no r d e rt oi n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo fr e c e i v eu n i t ，m o r e a n dm o r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o na r ee m e r g i n gi nc i t i e s ，e s p e c i a l l yi n s o m ed e n s e l yp o p u l a t e da r e a ss u c ha sr e s i d e n t i a la r e a ，c b d ，s c h o o la n de v e ns o m e t e r r a c eo fh i g h r i s ec o n s t r u c t i o n a sar e s u l to fa b o v e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c r a d ia t i o ne f f e c th a sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l e c o m b i n e dw i t ht h ep r o je c t e f f e c ts t u d yo fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c e x p o s u r eo nt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to fb u i l d i n g s f r o mc h o n g q i n g u n i v e r s i t y , t h i sa r t i c l eh a sd o n eb e l o wr e s e a r c ha n dw o r k ：s u m m a r i z e dt h er e l a t e d c o n t e n to fs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fe l e c t r o m a g n e t i ca f t e rc o n s u l t i n gl o t so f l i t e r a t u r e s u s et h em e t h o do ff d t dt oe s t a b l i s ht h em o d e lo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e f o rb u i l d i n ga n dc a l c u l a t et h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s st og e tt h es h i e l d i n gr u l eo f s t e e lm e s h e s ，c o n c r e t es t r u c t u r a lw a l l sa n dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r a lw a l l s a n a l y z e d t h ef e a t u r eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n a n t e n n a s ，a n d a n a l y z e dt h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i ce x p o s u r ee n v i r o n m e n to ne n v i r o n m e n t ，a n d a l s om o n i t o r e dt h eb a s e u s ev c + + t od e v e l o pt h ea n a l y s i ss o f t w a r eo ft h e e l e c t r o - m a g n e t i ce n v i r o n m e n ts u r r o u n d i n gt h eb u i l d i n g s ，w h i c hc a na c h i e v et h e f o r e c a s to fe f f e c tf r o m e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t t h r o u g h m o b i l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o na n t e n n a s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ；e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ：m o b i l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ；f i n i t e - - d i f f e r e n c et i m e d o m a i n m e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彩使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ，) 学位论文作者签名：歹自泡锨 同期：汐f j s 刁 燧轹莩乎 甚胬： p 、r 。蠕 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文结合与重庆大学合作项目“高频电磁辐射对建筑物电磁环境影响研究”，做了 以下研究工作： 1 参阅了大量相关文献，对屏蔽效能的相关内容进行了总结； 2 利用时域有限差分方法( f d t d ) 建立建筑物钢筋混凝土模型，并计算其屏蔽效能， 得出钢筋网、混凝土墙以及钢筋混凝土墙屏蔽规律； 3 对移动通信基站天线的特性作了分析，通过理论计算分析了基站电磁辐射对环境的 影响，并对基站进行了实地监测； 4 利用v c + + 开发建筑物周围电磁环境分析软件，实现移动通信基站天线对周围电磁 环境影响的预测。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 同期： 汐b 夕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ii i i i 曼曼舅! 曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼! ! 皇! 曼曼曼曼! 曼量曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼! ! 曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼! ! 曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 皇 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着电子技术的高速发展，在当今信息化社会中，各种电气、电子设备已 广泛应用于国民经济的各个部门以及人们的日常生活中。由于每一电气设备都 在一定的环境中运行，一方面它要受到环境的制约，一方面它要使自己的工作 与周围的环境和谐。若电气设备不能与环境和谐工作，就将产生电磁干扰，从 而影响环境，也影响设备自身的正常工作，这就是电磁干扰。实际上我们所生 活和工作的环境中均存在电磁干扰，只不过当它们的影响比较小，没有引起人 们足够的重视。当前，对电磁干扰特别敏感的电气、电子设备和系统已广泛地 被应用，因此电磁干扰问题已同益引起关注。人们努力从事电磁干扰的抑制工 作，以解决电气和电子设备受电磁干扰问题，这就提出了电磁兼容性的概念。 什么是电磁兼容? 电磁兼容就是电子线路、设备以及系统不相互影响，从 电磁的角度，具有相容状态。其具有两方面的含义，即电磁干扰( e m i ) 和电磁 敏感度( e m s ) ： ( 1 ) 电设备作为发射装置，不引起非正常的电磁泄漏； ( 2 ) 电设备本身的工作状态不受外部电磁干扰或具有抗干扰能力。 这就是说，设计一个电子设备或系统时一方面必须保证在所处的电磁环境 中能按设计要求正常工作；另一方面也必须限制自身发出的电磁噪声使之不致 影响其它设备或系统的正常工作。 作为近年来信息技术领域发展最为迅速的无线通信，包括移动通信技术， 彻底改变了人们的生活方式和工作方式。无论是工作还是生活，各种无线通信 设备都是必不可少的。由此而来，相关的电磁兼容问题也就愈来愈多、愈来愈 复杂。如果不能很好地规划、设计，无线设备与非无线设备之间、无线设备与 人之间都会存在严重的电磁兼容问题：性能恶化、相互干扰、相互破坏、危害 健康。也就是说无线电通信技术的发展总的来讲有一个饱和度，一旦超过这一 限度，那么无线通信技术革新愈发展，破坏则性愈大。随着社会的进步和通信 技术的发展，移动通信工具已经倍受人们的青睐，在我们的同常工作和生活中 处处都在使用着手机。由于手机是靠电磁波来传递信号，因此，就在人们充分 享受着移动通信带来的方便和快捷的同时也引起了人们对移动通信的电磁辐 射对人体健康影响的担忧。手机辐射对个体的影响有很多学者进行了探讨，并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 对手机辐射暴露限制技术标准通过对比国外标准也进行了研究。手机辐射的影 响是对其使用者个人影响，而移动基站的电磁辐射是对周围环境的影响，尤其 是在住宅小区建设的移动基站对小区居民的影响非常敏感，因此，对环境电磁 辐射水平的监测、预测及评价来研究移动通信基站对周围环境的影响程度和范 围具有十分现实的意义【3 】。 1 2 国内外研究现状分析 关于电磁干扰问题早在1 9 世纪电子和电气工业发展的初期就引起了人们 的重视。与电磁干扰的对抗从一开始就是国际性的、有组织的行为。为了抑制 干扰实现电磁兼容，国际上已成立了一系列组织，还有各国政府和军事部门也 制定了一系列电磁兼容性技术标准、规范，使各种系统在指定的顺域、时域及 空域上工作，以保证电磁兼容的有效实施。 国际电工技术委员会( i e c ) 是19 0 6 年在伦敦创建的，有l3 个国家的代表 参加。i e c 是各国民间制造商组成的研究电工学科标准化的第一个国际组织。 对于电工工业来说，设备的主要参数的标准化已成为绝对需要和在此领域内进 行经济合作的唯一途径，因此i e c 的创建是电工工业发展的需要【5j 。l9 3 3 年， 国际电工技术委员会( i e c ) 建议成立国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 来处 理不断出现的电磁干扰问题，它是为研究广播接收、通信等对电气设备的干扰 及其防护而设立的特别机构，更具有独立性。国际无线电干扰特别委员会发表 的关于测量技术规范、推荐的干扰允许值标准以及控制干扰发射的报告等，己 为世界上许多国家所采用。 国际电工技术委员会近年来制定了一系列电磁兼容性技术标准，著名的有 i e c8 0 1 和i e c10 0 0 系列标准，它们涉及到电源谐波、电压失落及波动、射频 场干扰、浪涌电压、快速脉冲串干扰、静电放电干扰等诸多干扰形式。它们是 控制电磁干扰的基本技术标准，已被各国所采用【6 】。 美国是最早致力于研究和制定电磁兼容方面的标准及规范的国家。在美国 除了联邦政府机构从事这方面的工作之外，许多工业组织和专业性机构也进行 了电磁兼容性技术的研究工作，制定了许多电磁兼容性技术标准和规范。如军 用m i l s t d 系列标准等都对世界各国有较大的影响。 在我国，由于过去的工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对 电磁兼容的研究认识不足，使该项工作起步较晚，与国际间的差距较大。7 0 年代以来，电磁兼容性问题在我国引起重视。特别是我国海军舰船，由于对电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 子设备及舰船总体设计没有提出电磁兼容性要求，造成舰船设备的相互干扰， 使其通信、探测、导航能力等大大下降，从而引起了较广泛的重视，筹建了国 内第一个电磁兼容性实验研究室。其后，一些军种、部门及大学陆续建立了电 磁兼容性实验研究室，电子及电气设备研究、设计及制作单位也都纷纷配备了 电磁兼容性设计人员。1 9 8 1 年5 月，在国家标准局的召集下，有机械、电子、 广播电视、邮电、轻工和计量等有关部门代表参加，商定成立了“无线电干扰 标准化工作组”，提出了制定国家标准的工作计划，现已逐步形成了一个符合 我国国情的无线电干扰标准体系。目前国内关于电磁辐射方面的防护标准主要 是国家环境保护局发布的国标电辐辐射防护规定( g b8 7 0 2 8 8 ) 。 钢筋混凝土作为一种常见的建筑材料具有工程花费低、结构经久耐用等特 点，对其屏蔽效能的研究和开发利用有很高的工程应用价值。国内外对钢筋网 和钢筋混凝土屏蔽效能的研究成果公开发表的不多，虽然涉及到多种解析和数 值计算的方法以及试验测量等内容，但研究对象大都加以了简化，得出的结论 有较大的局限性。在理论研究方面，j p b r u h i n 忆】在研究连续波对钢筋混凝土 层的透射问题时，假设电磁波照射到钢筋和混凝土上的功率按钢筋和混凝土的 波导纳之比进行分配，对透射波而言，混凝土被认为是透明的。a r e i n e i x t l 3 】 等人研究建筑物对电磁脉冲的屏蔽时，在忽略混凝土影响的前提下，将建筑物 看成由平行排列的无限长钢筋阵列来分析以便作两维处理。国内目前有人采用 回路电流法计算金属网的屏蔽效能】，但这种方法只适合解决屏蔽体尺寸远小 于入射波波长的问题，而并不适合求解高频情况下建筑物的屏蔽效能这类大尺 寸的电磁场问题。由于钢筋网和钢筋混凝土的结构较为复杂，往往需要通过数 值计算方法方能获得较为精确的解。u j a k o b u s 采用矩量法计算了开窗的钢筋 网和钢筋混凝土屏蔽体模型在自由空间中的屏蔽效能，但缺乏对影响钢筋混凝 土屏蔽效能的诸多因素的分析。解放军理工大学的周壁华教授采用f d t d 方法 计算了无限大钢筋混凝土屏蔽层对电磁脉冲的屏蔽效能，目前在试验测量方面 也进行了一些对钢筋混凝土材料屏蔽效能的探索性研究【2 。 1 3 课题研究意义 如今随着城市移动通信事业的迅速发展，无线通信网络覆盖面积越来越 大，发射设备在各大小城市中的总数量呈逐年增加的趋势。为保证通讯质量， 基站多建在市区高层天台上。这些设备为我们的生活提供了便利，但在局部地 区对环境造成了一定程度的电磁污染。而且移动通信发射天线架设在高层建筑 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 物或住宅楼的天台，电磁辐射属非电离辐射，较高强度的电磁辐射影响水平会 对人体健康产生十分不良影响。因此，本文对移动通信基站电磁辐射的研究具 有十分重要的现实意义。 屏蔽作为一种常见的电磁兼容措施得到了广泛的应用。通常情况下，大多 选用金属板材作为屏蔽材料，而对于建造某些大型屏蔽体而言，虽然金属板材 能够提供极高的屏蔽效能，但同时存在着诸如工程花费高、使用不方便等问题。 钢筋混凝土作为一种常见的建筑材料具有工程花费低、结构经久耐用等特点， 本文对其屏蔽效能的研究具有很高的工程应用价值。 本文研究了普通钢筋混凝土对高频率电磁辐射屏蔽效能及反射效能。通过 仿真和实测的方式，定量给出了建筑物中钢筋混凝土对高频电磁辐射场的屏蔽 效能。根据物理模型和实际测量的数据对比，进而能开发出一套建筑物周围电 磁环境分析软件，从而为建筑物中钢筋混凝土的屏蔽设计提供分析基础。 1 4 本文的主要内容和章节安排 本文在学习电磁屏蔽原理的基础上，主要研究了时域有限差分方法在计算 建筑物的钢筋网和钢筋混凝土墙屏蔽效能的应用，利用编写的f d t d 程序对钢 筋网和钢筋混凝土墙的屏蔽效能进行了计算，并且进行了实测工作。 第一章在阅读相关文献的基础上，就本课题所涉及的内容做了一个总体上 的概述，总结出国内外现状分析，提出研究本课题的实际意义。 第二章就电磁辐射屏蔽基本原理及相关知识，介绍了常用屏蔽材料的屏蔽 效能解析公式，并阐述了理论计算方法在实际问题中的局限性。 第三章介绍了时域有限差分方法的基本知识，建立钢筋网和钢筋混凝土墙 的计算模型，利用f d t d 数值计算，得出了建筑物钢筋网和钢筋混凝土墙电磁 屏蔽的一些规律性结论。 第四章总结了实地监测移动通信基站的电磁辐射结果，得出影响电磁辐射 的因素及防治污染对策。 第五章介绍了建筑物周围电磁环境分析软件。 最后是论文的结论、展望及后续工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章电磁辐射屏蔽 2 1 屏蔽的基本概念 屏蔽是电磁干扰防护抑制的最基本方法之一，其目的有两方面：一是控制 内部辐射区域的电磁场，使其不越出某一区域；二是防止外来的辐射进入某一 区域。因此，屏蔽的方法也是电磁干扰的空间耦合控制方法。通常采用金属导 体作为屏蔽材料，屏蔽材料及结构的选择主要取决于屏蔽性质的类别及要求。 电磁屏蔽按其屏蔽原理可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁场屏蔽。对不同 性质电磁场的屏蔽有其不同的屏蔽机理，要根据各种性质电磁场的屏蔽原理， 系统分析决定和影响屏蔽效果的各种因素以选取合适的屏蔽材料和屏蔽方法。 2 1 1 静电屏蔽的基本原理 电磁场理论表明，置于静电场中的导体在静电平衡的条件下，具有下列性 质： ( 1 ) 导体内部任何一点的电场为零； ( 2 ) 导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体表面垂直； ( 3 ) 整个导体是一个等位体； ( 4 ) 导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。 即使其内部存在空腔的导体，在静电场中也具有上述性质。因此，如果把 有空腔的导体置入静电场中，由于空腔导体的内表面无静电荷，空腔空间中也 无电场，所以空腔导体起了隔离外部静电场的作用，抑制了外部静电场对空腔 空间的骚扰。反之，如果把空腔导体接地，即使空腔导体内部存在带电体产生 的静电场，在空腔导体外部也无由空腔导体内部存在的带电体产生的静电场。 这就是静电屏蔽的理论依据，即静电屏蔽原理。 2 1 2 静磁屏蔽的基本原理 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。不论是由电磁铁或 是由直流线圈产生的磁场均在空问散布磁力线或磁通。磁力线通过的路径称为 磁路。磁力线主要集中在低磁阻的磁路通过。因此对磁场的屏蔽主要利用高磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 导率的材料。这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样磁力线将封闭在屏蔽 体内，起到了屏蔽的作用【1 1 。 2 1 3 电磁场屏蔽的基本原理 通常所说的屏蔽，多半是指电磁屏蔽。所谓电磁屏蔽是指同时抑制或削弱 电场和磁场。电磁屏蔽一般也是指高频交变电磁屏蔽。 交变场中，电场和磁场总是同时存在的，只是在频率较低的范围内，电磁 骚扰一般出现在近场区。高电压小电流骚扰源以电场为主，磁场骚扰可以忽略 不计，这时就只可以考虑电场屏蔽，低电压高电流骚扰源以磁场骚扰为主，电 场骚扰可以忽略不计，这时就可以只考虑磁场屏蔽。 随着频率增高，电磁辐射能力增加，产生辐射电磁场，并趋向于远场骚扰。 远场骚扰中的电场骚扰和磁场骚扰都不可忽略，因此需要将电场和磁场同时屏 蔽，即电磁屏蔽。高频时即使在设备内部也可能出现远场骚扰，需要进行电磁 屏蔽。如前所述，采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体，就能同时起到电 场屏蔽和磁场屏蔽的作用【l0 1 。 2 2 完整屏蔽体屏蔽效能的计算 2 2 1 屏蔽效能的几种表示方法 ( 1 ) 屏蔽系数叩。： 屏蔽系数叮，是指被干扰的导体或电路在加屏蔽后感应的电压 蔽时感应的电压之比，即： 毒 圪与未加屏 ( 2 - 1 ) 玎，越小，表示屏蔽效果越好。 ( 2 ) 传输系数r ： 传输系数r 是指加屏蔽后某一测点的场强( 丘，几) 与同一测点未加屏蔽时 的场强( 疡，h o ) 之比，电场的传输系数见式( 2 2 ) ，磁场的传输系数见式( 2 3 ) ： f 丁= 鲁 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 卜每 口3 ， 丁越小，表示屏蔽效果越好。 ( 3 ) 屏蔽效能s e 屏蔽效能距是指未加屏蔽时某一测点的场强( 玩，h o ) 与同一测点加屏蔽 后的场强( e ，凰) 之比，以d b 为单位，电场的屏蔽效能见式( 2 - 4 ) ，磁场的屏 蔽效能见式( 2 - 5 ) ： s e = 2 0 l o g 鲁( d b ) ( 2 4 ) j s e = 2 0 1 0 9 - 爿( d b ) ( 2 - 5 ) 屏蔽效能有时也称为屏蔽损耗( 衰减) ，特别在单独考虑吸收或反射屏蔽 效能时常用吸收损耗彳和反射损耗r 来表示。屏蔽效能距或屏蔽损耗a 、r 越大，表示屏蔽效果越好。 屏蔽效能舾和传输系数r 的关系为： 舾- 2 0 1 0 8 亩b ) ( 2 - 6 ) 由于屏蔽效能是由吸收损耗和反射损耗及多次反射损耗三部分组成，故传 输系数： f i = i 礓收l l 礓射i l 毛次反射i ( 2 7 ) 式中t 嫂稽一屏蔽体的吸收所引起的传输系数： 丁反尉一屏蔽体的反射所引起的传输系数； r 多纺反影一屏蔽体的多次反射所引起的传输系数。 故： s e = 2 0 l o g 南+ 2 0 崦网1 + 2 0 1 0 8 网1 ( d b ) ( 2 - 8 ) 或 s e = a + r + b 式中 s b 一总的屏蔽效能( d b ) ； 彳一吸收损耗( d b ) ； 尺一反射损耗( d b ) ； b 一多次反射损耗( d b ) 。 ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼! 皇曼曼皇曼i i ii ii i i o _ 一一i 一 一i ；_ 鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼! 曼蔓 图2 1 表示的是屏蔽体的屏蔽机理。 入射 反射 2 2 2 吸收损耗彳 图2 1 电磁场屏蔽机理 屏蔽层 磁波 在屏蔽体中电磁能损耗由感生的涡流产生。由于局频涡流有趋肤效应，电 磁场在金属屏蔽体内将以衰减常数a 按指数规律衰减。衰减常数仅即为涡流系 数： 口= 历= 吉( 2 - 1 0 ) 式中 6 一为趋肤深度。 若屏蔽体的厚度为t ，则吸收传输系数见式( 2 1 1 ) ，吸收损耗见式( 2 1 2 ) ： i & 收i = j e 叫i = e 一= e 叫坩 ( 2 - 1 1 ) 删0 1 0 9 南 亿 = 2 0 l o g e 专= 8 6 8 6 8 若将式( 2 1 0 ) 代a ( 2 1 2 ) ，则a 又可以表示为： 肚& 6 8 6 罂 ( 2 1 3 ) = 1 3 、t 嗍0 似r or = 1 31 4 3 t c m qf m h z hr gr 式中t c m 一金属屏蔽体的厚度( c m ) ； 厂- 电磁波频率( m h z ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ，一金属板相对铜的导磁系数； 一磁导率，= 。； a 。一铜的磁导率，为4 7 【10 h m ； 西一金属板相对铜的电导率； 盯一电导率，盯= 仃r 仃c ； 一铜的电导率，为5 8 x 1 07 v m 。 根据式( 2 12 ) ，吸收损耗彳与f 俗成正比关系，即屏蔽体的厚度越大，吸 收损耗越大。对于高频情况，一般t o 1 0 ，则彳可以达到8 0 d b 以上。对于金 属材料，要达到一定屏蔽效果所需的屏蔽体厚度很小，一般只要能满足工艺结 构和机械性能的厚度就能满足屏蔽的要求。根据式( 2 1 0 ) ，趋肤深度6 与频率、 材料的磁导率t 和电导率盯的平方根均成反比，即在同样电磁场频率条件下， 对于及盯越大的材料，趋肤深度d 越小，而对于同样的材料，频率越高，趋 肤深度越小。 2 2 3 反射损耗尺 电磁波从空气传播到金属屏蔽体表面时会产生反射，反射损耗是金属屏蔽 体对高频电磁波屏蔽的另一个重要机理。产生反射的原因是因为电磁波在空气 介质中和金属导体中的波阻抗不一样。这种反射过程可以与传输线相似的方法 比拟。 若空气介质的波阻抗以z w 表示，金属屏蔽体的波阻抗以z 。表示。当干扰 场强为时，加在空气波阻抗z 。上的电压为： 弘焘岷( 2 - 1 4 ) 当入射波到达金属界面时，在金属界面上建立的电压为： 呼袁。v o ( 2 - 1 5 ) 界面处的电压突降，相当于加在传输线特性阻抗上的传输波到达终端时因阻抗 不匹配而产生反射波，如图2 - 2 所示。反射波v 3 = v 1 v 2 ，则： 圪= 箍， ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 空气介质z w 入射波 - _ _ _ l _ _ _ - 一 反射波 金属屏蔽体 a ) 电磁波在空气一金属界面的传播情况b ) 电磁波在类比传输线中断的传播情况 图2 - 2 电磁波在空气金属界面反射的原理 若定义从空气至金属的反射系数p 鲫为反射波场强与干扰源场强之比，则： 若定义阻抗比为： 则： 同理可得从金属至空气介质表面的反射系数为： 只。= 景 ( 2 1 7 ) ( 2 - 18 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 电磁波通过屏蔽体，如不考虑屏蔽体内部的损耗，则由反射引起的传输系 数为： 或反射损耗为： 将式( 2 1 9 ) 、 因q l ，则： 射i = ( 1 一e a 。) ( 1 一e m a ) ( 2 2 1 ) 肚2 0 l o g 南= 2 0 l o g ( 1 也) _ l ( 1 也) _ 1 ( d b ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) 尺= 2 0 l o g q = 2 0 l o g z 。, ( d b ) ( 2 - 2 4 ) 量峨 = i i 11 l 俨 = 尸。 m d 4 得 立电稳哗 动 加 西鬲爻通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 所有均匀介质的特征阻抗均可表示为： z z = , j r o d i ( 2 2 5 ) 式中国一电磁场的圆频率； 一介电常数。 对于金属盯 巧国，则： 阱| z f i = 厚_ 3 6 9 1 0 。7 悟 ( 2 2 6 ) 对于空气盯 0 2 m m 时， 应考虑电磁场通过缝隙的泄漏。电磁场的频率越高，趋肤深度越小，或缝隙越 大时，缝隙的泄漏影响就越大。 2 3 2 波导结构孑l 洞的影响 若屏蔽体上存在孔洞，则电磁波将通过这些孔洞泄漏。如果孔洞具有波导 管的结构，由于波导管可以看成高通滤波器，即波导管对于电磁波具有截止频 率，所以可以根据波导管的理论对孔洞的影响加以分析。当电磁波的频率高于 波导管的截止频率尼时，电磁波可以自由通过，而当电磁波的频率低于截止频 率疋时，波导管具有衰减作用。 典型的波导管有圆形波导管和矩形波导管两种形式，如图2 4 所示。 a ) 圆形波导管b ) 矩形波导管 图2 4 典型的波导管结构 圆形波导管的截止频率五和波长a 。为： 正：掣( g h z ) d t = 1 7 1 d ( c m ) 式中扛圆形波导管的内直径。 矩形波导管的截止频率五和波长五。为： 正= 萼( g h z ) 丸= 2 b ( c m ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 式中 6 一矩形波导管的长边。 对于低于截止频率的电磁波从波导管一端传至长度为z 的另一端时将衰 减，其衰减损耗为： a = 1 8 2 3 x 1 0 曲正 l ( d b ) ( 2 4 2 ) 若产瓢，则式( 2 4 2 ) 可简化为： a = 1 8 2 3 x 1 0 曲以l ( d b ) ( 2 - 4 3 ) 将式( 2 3 8 ) 及式( 2 4 0 ) 代入式( 2 4 3 ) ，可分别得到： 圆形波导管： ， a = 3 2 ( d b )( 2 - 4 4 ) 口 矩形波导管： ， a = 2 7 3 ( d b ) ( 2 - 4 5 ) d 由上式可知长度与直径相等的圆形波导管具有3 2d b 的衰减，当圆形波导 管的长度为直径的3 倍时，其衰减可达9 6d b ；同理当矩形波导管的长度为长 边的3 倍时，其衰减可达8 1d b 。因此波导管具有很好的抑制电磁波的性能。 若屏蔽板上的孔洞直径小于屏蔽板厚度时，这些孔洞可以看作是波导，其长度 即为屏蔽板的厚度。 2 3 3 金属网的影响 金属网是常用的非实壁屏蔽材料，它广泛用于需要自然通风或可向内窥视 的屏蔽室等。金属屏蔽网的材料通常为铜、铝或镀锌铁丝，而结构有两类：一 是将每个网孔金属丝的交叉点均焊牢；另一是将编织的细金属丝夹于两块玻璃 或有机玻璃之间。 每个会属网的网眼均可看作是小波导管，电磁波的频率高于波导管的截止 频率时，电磁波可自由通过。若网眼的空隙宽度为b ，从式( 2 4 1 ) 可知截止波 长2 c = 2 b 。当电磁波的频率低于截止频率时，金属网则起屏蔽体的作用；但屏 蔽效能s e 主要由反射损耗贡献，吸收损耗较小，至于多次反射及其它修正项 均很小，一般不考虑。对于平面波，金属屏蔽网的屏蔽效能可以近似的用下式 来估计： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 i 鼍曼曼曼曼曼曼蔓曼舅曼鼍曼曼皇曼蔓! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼笪曼! ! 曼曼! 曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼 当互 6 时： 2 s e = q ( 2 - 4 6 ) 舾划崦( 等) = 2 0 l o g 1 5 x1 0 4 1 c 弘4 7 ， 即s e 随频率以2 0 d b 1 0 倍频程的速率下降，直至频率达截止频率疋= 兰g h z b ( c m ) 时为0 。频率越低，屏蔽效能越大，但也存在极限值。对于铜或铝网，最大的 屏蔽效能为1 1 0d b ；对于镀锌钢丝网，最大的屏蔽效能为1 4 0 d b 。电磁波波长 2 2 n r ( ，为源至屏蔽网的距离) 时，不再满足平面波的条件。对于电场，s e 较上述平面波给出的值高；对于磁场，s e 则低于平面波给出的值。 在最主要的电磁干扰的频率范围( 1 1 0 0 m h z ) 内，金属屏蔽网的屏蔽效能 距= 6 0 l0 0d b ( b = 1 2 7 r a m ) 。玻璃夹层的会属屏蔽网也可以有较大的屏蔽效能， 大约在5 0 9 0d b 。金属网虽然也可以方便地作为窥视窗的屏蔽，一般也有足 够的屏蔽效能，但其主要的缺点是透明度较差，而且还可能存在不希望有的绕 射光栅问题【3 】。 2 4 实际屏蔽体的屏蔽效能 对于一个实际的屏蔽体而言，其整体的屏蔽效能受多方面的影响，如：屏 蔽体所采用的屏蔽材料的特性、工程建造过程中产生的缝隙、为了实现某种功 能而存在的孔、窗等。因此一个实际屏蔽体的屏蔽效能的计算往往与用上面的 解析公式计算所得的屏蔽材料在无限大情况时的屏蔽效能存在很大差别，而且 对于一个存在孔、缝的屏蔽体，不仅要考虑泄漏问题，还要考虑到泄漏进入屏 蔽体的电磁场在一定情况下可能出现的谐振现象，这也是上述屏蔽效能解析公 式无法解决的。还有诸如屏蔽体是否接地等实际问题，都会影响屏蔽体的整体 屏蔽效能。而对于钢筋混凝土墙这种结构复杂的屏蔽材料而言要计算由其作为 屏蔽材料建造的屏蔽体的屏蔽效能就更加复杂。对于各种实际问题中存在的复 杂情况，要想得到一个比较满意的结果，就必须采用合理有效的数值计算方法。 在实际应用中，时域有限差分法作为常用的电磁场数值计算方法，在解决此类 问题都得到了应用，在后文中将应用时域有限差分法对建筑物中钢筋网和钢筋 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 混凝土的屏蔽效能进行计算分析。 2 5 小结 本章介绍了屏蔽技术的基本原理和根据不同屏蔽机理得到的屏蔽材料的 解析计算公式。针对实际问题中存在的复杂情况指出解析公式对于屏蔽体屏蔽 效能的计算能提供一定的参考作用。但是现实中很多时候是依赖于钢筋混凝土 的屏蔽，所以对钢筋混凝土的屏蔽作用进行研究是很有必要的。下一章着重研 究的就是钢筋混凝土的屏蔽作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章利用时域有限差分法计算建筑物屏蔽效能 3 1 引言 时域有限差分( f d t d ) 方法自y e e ( 1 9 6 6 年) 提出以来发展迅速，获得广泛应 用。y e e 对电磁场e 、日分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，每一 个e ( 或加场分量周围有四个觑或e ) 场分量环绕，应用这种离散方式将含时间 变量的麦克斯韦方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间 电磁场。y e e 提出的这种抽样方式后来被称为y e e 元胞。f d t d 方法是求解麦 克斯韦微分方程的直接时域方法。在计算中将空间某一样本点的电场( 或磁场) 与周围格点的磁场( 或电场) 直接相关联，且介质参数已赋值给空间每一个元 胞，因此这一方法可以处理复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射 等问题。同时，f d t d 的随时间推进可以方便地给出电磁场的时间演化过程， 在计算机上以伪彩色方式显示，这种电磁场可视化结果清楚地显示了物理过 程，便于分析和设计。 f d t d 在电磁研究的多个领域获得广泛应用，其中有辐射天线的分析、微 波器件和导行波结构的研究、散射和雷达截面计算、周期结构分析等。 3 2 时域有限差分法的基本原理 3 2 1 麦克斯韦方程和y e e 元胞 麦克斯韦旋度方程为： v 膏：望+ t 7 0 t 弧云= a a b ? 一j m 式中 云一电场强度( v m ) ； 西一电通量密度( c m 2 ) ： h 一磁场强度( a m ) ； 云一磁通量密度( w b m 2 ) ； ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 i - 7 一电流密度( a m 2 ) ； 无一磁流密度( v m 2 ) 。 各向同性线形介质中的本构关系为： d = 业 b = u h j = e r e j 。= 盯。h 式中 一介质介电常数( f m ) ，= s d = 8 8 5 1 0 。1 2 f m ； 一磁导系数( h m ) ，叫口= 4 兀10 。7 h i m ； 卜电导率，为介质的电损耗( s m ) ，真空中盯= o ； 一磁导率，为介质的磁损耗( d m ) ，真空中盯研= 0 。 在直角坐标系中，( 3 1 ) 、( 3 2 ) 式可写为： ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 考虑( 3 4 ) 、( 3 5 ) 式的f d t d 差分离散。另f ( x ，y ，z ，f ) 代表云或豆在直角 坐标系中的某一分量，在时间和空间域中的离散取以下符号表示： f ( x ，y ，z ，t ) = f ( i a x ，j a y ，k a z ，n a t ) = f “o ，k ) ( 3 6 ) 对f ( x ，y ，z ，f 1 关于时间和空f , j 的一阶偏导数取中心差分近似，即： 晒 面 面 啦百哆百幔百 占 占 占 = = = 啊i啦一缸眠一砂 啦一钞戤i鸭i 日 日 日 m m m 盯 盯 盯 一 一 一 三 ，一 三 盟西盟西盟西 心 n “ 叫 叫 叫 i l = = 吗i幔i峨一钞 一 一 一 啦一砂峨i哆i 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 掣l m a x i 。， 掣l 脚 砂 i 吲舢 掣l 地 瑟 i 一， 厂“( r + 互1 ，尼) 一厂”( z 一圭，一，七) 小，+ 圭， 厂“( r ，后+ 丢) 一厂”( ，七一丢) 望垒：兰：三：到型 a t t = n a t & l 七) 一f “1 0 ，k ) ( 3 7 ) 在f d t d 离散中电场和磁场各节点的空间排布如图3 1 所示，这就是著名 的y e e 元胞。由图可见每一个磁场分量由四个电场分量环绕；同样，每一个电 场分量由四个磁场分量环绕。这种电磁场分量的空间取样方式不仅符合法拉弟 感应定律和安培环路定律的自然结构，而且这种电磁场各分量的空间相对位置 也适合于麦克斯韦方程的差分计算，能够恰当地描述电磁场的传播特性。此外， 电场和磁场在时间顺序上交替抽样，抽样时间间隔彼此相差半个时间步，使麦 克斯韦旋度方程离散以后构成显式差分方程，从而可以在时间上迭代求解，而 不需要进行矩阵求逆运算。因而，由给定相应电磁问题的初始值及边界条件， 利用f d t d 方法就可以逐步推进地求得以后各个时刻空间电磁场的分布。 图3 1f d t d 离散中的y e e 元胞 对于时谐场，若采用复数表示e x p ( j 国f ) ，实际应用中常给出介质的复数本 、， 七 1 2 一 ，一 ， 血、厂 七 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 构参数，例如复介电常数和复磁导率系数为： 嚣- 弦j g ”i e 勉o2 ) ) n 8 ， 占2 占一j 占2p ，一j 占，j i，。、 ” ”i l 、7 = 2 ow ，一j ，j j 上式中的虚部分别对应于介质的电和磁损耗。因此，时谐场情况复数本构参数 的虚部z 、t ：与( 3 4 ) 、( 3 5 ) 式中的电导率盯和盯m 的关系为： , f f ：旦，= l ( 3 9 ) ：旦lr = o i 3 2 2 直角坐标中的f d t d ：三维情况 设观察点0 ，y ，z ) 为b 的节点，即( i + 1 2 ，j ，足) ，以及时刻t = ( ，z + 1 2 ) a t ， 于是，( 3 4 ) 式第一式的离散为： 占_ 七) ， 1 1 e + 1 if + i ，k 二 1 + j j