孔缝尺寸参数对腔体的5G屏蔽效能影响规律研究_赵欣洋.pdf

www.ChinaAET.com5G Vertical Industry Application5G垂直行业应用孔缝尺寸参数对腔体的 5G 屏蔽效能影响规律研究*赵欣洋，尹琦云，杨晨，陆洪建（国网宁夏电力有限公司 超高压公司，宁夏 银川 750000）摘 要：为保证换流站 5G 设备屏蔽腔体的屏蔽性能，明确腔体孔缝数量及尺寸对其屏蔽效能的影响规律，在 HFSS仿真环境下，构建了屏蔽腔体的电磁屏蔽效能分析模型，分析了 5G 微带贴片天线电磁辐射的空间分布特征；然后，分析了腔体孔缝高度对屏蔽效能的影响，发现不同孔缝直径下屏蔽效能均随孔缝高度的增加而呈增强趋势，电磁辐射强度由 0.5 mm 高度下的 24.81 dB 降低为 2.0 mm 高度下的 16.29 dB，同时分析发现屏蔽效能随孔缝直径的增加呈现下降趋势，最大辐射强度由 1.0 mm 直径的-15.13 dB 增长至 7.0 mm 直径的 49.87 dB；最后，在孔缝面积占比一定的情况下，发现随着孔缝数量的增多和孔缝直径的减小，屏蔽腔体的屏蔽效能是不断提高的。关键词：5G 通信技术；电磁辐射；屏蔽腔；孔缝尺寸参数中图分类号：TN929.5 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223380中文引用格式：赵欣洋，尹琦云，杨晨，等.孔缝尺寸参数对腔体的 5G 屏蔽效能影响规律研究J.电子技术应用，2023，49(4)：16-20.英文引用格式：Zhao Xinyang，Yin Qiyun，Yang Chen，et al.Influence of aperture size parameters on 5G shielding effectiveness of shielding cavityJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：16-20.Influence of aperture size parameters on 5G shielding effectiveness of shielding cavityZhao Xinyang，Yin Qiyun，Yang Chen，Lu Hongjian(State Grid Ningxia Electric Power Co.，Ltd.，Ultra-High Voltage Company，Yinchuan 750000，China)Abstract：In order to ensure the shielding performance of the shielding cavity of the 5G equipment in the converter station,and to clarify the rule of the influence of the number and size of the cavity aperture on its shielding effectiveness,this study constructs the electromagnetic shielding effectiveness analysis model of the shielding cavity under the HFSS simulation environment,and analyzes the spatial distribution characteristics of the electromagnetic radiation of the 5G microstrip patch antenna.Then,the influence of the slot height of the cavity on the shielding effectiveness is analyzed.It is found that the shielding effectiveness under different slot diameters increases with the increase of the slot height,and the electromagnetic radiation intensity decreases from 24.81 dB at 0.5 mm height to 16.29 dB at 2.0 mm height.At the same time,the analysis shows that the shielding effectiveness decreases with the increase of the slot diameter,and the maximum radiation intensity increases from-15.13 dB at 1.0 mm diameter to 49.87 dB at 7.0 mm diameter.Finally,with a certain proportion of the aperture area,it is found that the shielding effectiveness of the shielding cavity is continuously improved with the increase of the aperture number and the decrease of the aperture diameter.Key words：5G communication technology；electromagnetic radiation；shielding cavity；aperture dimension parameters0 引言随着通信技术的发展，电力系统通信技术亦发展迅速。作为新一代通信技术，5G 通信技术具有高速率、广连接、低时延等优点，推动了变电站站内监控、无人巡视、远程操作等日常运维业务向低延时、智能化、可视化方 向 发 展，提 高 了 系 统 运 维 的 安 全 性、便 捷 性、交 互性12。但是，受场地限制，实际应用中 5G 基站天线与电气一次及二次设备相距较近，5G 基站发出的电磁辐射场及其激励下大尺寸电气设备产生的电磁散射场施加在电气二次设备上，对电气二次设备(如继电保护、远程 监 控 等)产 生 电 磁 干 扰，可 能 影 响 设 备 的 正 常*基金项目：国网宁夏电力有限公司检修公司群创项目（5229CG21000C）165G Vertical Industry Application5G垂直行业应用电子技术应用 2023年 第49卷 第4期运行35。随着直流输电的快速发展，换流站及站内设备在系统中出现的频率越来越高。换流站内电气二次设备与5G 通信设备的电磁兼容问题逐步引起业内专家的重视。对换流站内继电保护等电气二次设备加装金属屏蔽腔体，是减轻通信设备间电磁干扰的有效手段。屏蔽腔体电磁屏蔽效能的分析和计算是电磁防护领域的重要研究方向67。由电磁兼容理论可知，加装全封闭金属腔可以完全屏蔽外界的电磁干扰，但其不能满足被保护设备自身的信息交换和设备散热需求。因此，实际应用中，为被保护的电气二次设备加装带有一定数量孔缝的金属腔体是降低电磁干扰的有效方式。现有研究表明，腔体的孔缝数量及尺寸、电磁干扰信号的频率等参数对屏蔽腔的屏蔽效能影响显著。不恰当的参数组合可能削弱腔体的屏蔽效能，轻则导致被保护电气设备的通信受到超阈值干扰，重则导致被保护电气设备的整体失灵。因此，为合理确定屏蔽腔体的孔缝尺寸参数，保证良好的屏蔽性能，亟需分析腔体孔缝数量及尺寸对其屏蔽效能的影响规律。本研究拟在 HFSS 仿真环境下，构建电磁屏蔽效能分析模型，包含 5G 微带贴片天线、屏蔽金属腔体以及单极子天线等模块，分析不同孔缝尺寸参数下屏蔽腔体对单极子天线的 5G 电磁干扰水平，明确孔缝尺寸参数对屏蔽腔体的屏蔽效能的影响规律，为屏蔽腔体的优化设计提供理论支持。1 电磁屏蔽效能分析模型构建1.1 5G 微带贴片天线模块微带贴片天线一般是由具有一定厚度的介质、较薄的金属接地板及辐射贴片组成，广泛应用于各类无线通讯设备。因此，本研究以微带贴片天线作为 5G 电磁辐射的产生元件。微带贴片天线的结构是，在一块介质基板两侧分别布置辐射贴片和接地板，辐射贴片前端有一突出的金属窄带（微带线），如图 1 所示。根据贴片及微带线尺寸参数的不同及极化方式的区别，贴片天线的中心工作频率可调整89。为模拟 5G 电磁辐射，本研究选择介电常数 4.4 的FR4 环氧树脂作为基板材料，采用 50 微带线馈电，搭建了中心工作频率为 3.5 GHz 的全向天线10，其结构尺寸及参数分别如图 2 和表 1 所示。模型求解类型为模式驱 动 求 解 类 型（Driven Modal），馈 电 激 励 方 式 设 为wave-port，阻抗设置为 50。1.2 屏蔽金属腔及单极子天线模块随着光伏等新能源的广泛接入，采用物联网技术的智能型空气开关是配电网的常用设备。其物联网无线通信模块多采用单极子天线形式。因此,本研究用长度为 40 mm、半径为 1 mm 的铜棒，外敷绝缘橡胶，模拟Taoglas TG.55 型单极子天线。同时，为分析屏蔽腔体对5G 电磁辐射的屏蔽效能，在单极子天线外建立了尺寸为 34 mm74 mm24 mm（长宽高）的屏蔽腔，如图 3所示，并计划分析屏蔽腔的孔缝尺寸参数对腔体屏蔽效能的影响规律。1.3 电磁屏蔽效能分析模型的整体布置屏蔽效能分析模型包括微带贴片天线、屏蔽腔及单极子天线、空气腔体等模块，如图 4 所示。为分析紧凑布置场景下 5G 微带天线对屏蔽腔内单极子天线的电磁辐射水平和腔体屏蔽效能，设置微带贴片天线与屏蔽腔垂直相距 150 mm，单极子天线居中置于屏蔽腔内。在微带贴片天线和屏蔽腔外建立一空气包裹域，简称空气腔体，其三维尺寸为 146 mm102 mm200 mm（长宽图 1微带贴片天线整体结构图 2微带贴片天线结构尺寸表 1微带贴片天线尺寸参数参数wwdw1l1h1h2h3长度/mm161.531211204175G Vertical Industry Application5G垂直行业应用www.ChinaAET.com高）。边界条件设置中，将辐射贴片及 1/4 导线都设为理想金属导体（Perfect E），将空气腔设为 Radiation 1。2 腔体屏蔽效能分析2.1 微带贴片天线电磁辐射的空间非对称由于微带贴片天线的空间非对称性，其在空间不同方位的增益强度是有明显区别的。为进一步分析其不同方位的增益变化规律，提取微带贴片天线的辐射增益随俯仰角（Theta）的空间变化云图，如图 5 所示，当俯仰角（Theta）为 0时，其方向为微带贴片天线正上方方位，其辐射增益较高；同时，当俯仰角（Theta）为 180时，其方向为微带贴片天线正下方方位，其辐射增益也较高；而当俯仰角（Theta）为 90或-90时，不论方位角（Phi）在0，360范围内取何值，其辐射增益均较低。上述微带贴片天线的电磁辐射空间分布的非对称性特点，是本研究中将屏蔽腔体及单极子天线放置在微带贴片天线正上方的原因。2.2 屏蔽腔孔缝高度对屏蔽效能的影响规律屏蔽腔的孔缝尺寸参数主要有孔缝高度（H）和孔缝直径（D）两个参数，如图 6 所示。其中，孔缝高度即屏蔽腔的腔壁厚度。电磁辐射波通过孔缝进入屏蔽腔内部，孔缝高度和孔缝直径共同决定了电磁辐射波进入腔体的难易程度。为全面分析不同参数下孔缝高度对屏蔽效能的影响，选定 0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm 共 4 种孔缝高度进行分析，并对每种孔缝高度均考虑 3 mm、5 mm、7 mm共 3 种孔缝直径，合计 12 个处理。以孔缝高度 1 mm 为例，分析长度为 40 mm 的单极子天线上的电磁辐射强度，如图 7 所示。可知，3 种孔缝直径下单极