電磁場對屏蔽電纜耦合的研究現狀及發(fā)展趨勢

王川川，朱長青

(軍械工程學院電氣工程系，河北石家莊050003)

軍用移動電站給軍用裝備供電的長電纜極易耦合電磁信號，成為空間電磁信號的接收天線，給用電裝備和發(fā)電系統造成干擾甚至破壞。對屏蔽不夠好的電站和武器裝備來說，長電纜通常會成為引進干擾的主要途徑。

為了提高電站的電磁防護能力，首先就要研究電線電纜的電磁防護，使得電線電纜上產生的電磁干擾信號降至最低限度。本文對國內外在電線電纜對空間電磁場的耦合及防護方面的研究進展進行了

圖1電磁干擾源構成

電磁干擾源產生的電磁干擾依據一定的耦合途徑到達敏感設備，從而對敏感設備的工作產生影響。研究表明，電磁干擾作用于敏感設備必須具備三個條件:干擾源、能量傳輸途徑和敏感設備。圖2為電總結，歸納了常用的研究方法以及常用防護措施，介紹了電線電纜電磁防護問題的研究發(fā)展趨勢。

1 電線電纜在電磁防護方面的研究內容

(1)電磁干擾源及干擾途徑［1］。電磁干擾源既有自然干擾源，又有人為干擾源。具體到戰(zhàn)場環(huán)境中，起主要作用的是各種人為的電磁干擾源?，F代戰(zhàn)場的電磁干擾源構成如圖1所示。線電纜遭受電磁干擾的示意圖。

圖2 電線電纜遭受電磁干擾示意圖

(2)線纜屏蔽結構的研究，包括各類屏蔽材料、形式或組合結構，大致包括:①金屬管狀結構;②金屬絲編織(不同編織密度)結構;③金屬絲纏繞(不同密度)結構;④金屬薄膜重疊繞包(或縱包)結構;⑤鋼帶鎧裝結構;⑥金屬鍍層(包括物理或化學鍍層)結構;⑦半導電屏蔽材料的屏蔽作用;⑧導電漆膜結構;⑨以上組合結構。

(3)線纜不同傳輸形式的研究，包括:①對絞;②對絞屏蔽;③星絞;④星絞屏蔽;⑤同軸結構;⑥雙同軸對稱射頻結構(分屏蔽后加總屏蔽);⑦三同軸結構;⑧漏泄電纜的耦合(利用電磁耦合)。

(4)不同屏蔽結構、不同傳輸形式的線纜在不同頻段或不同場源情況下耦合干擾信號機理及防護措施的研究。

(5)不同屏蔽結構、不同傳輸形式的線纜的轉移阻抗與轉移導納的計算、測量方法研究。

(6)線與線之間的串擾與互耦。

2 場線耦合問題國內外研究概況

2.1 國外研究概況

國外早在20世紀60年代就開始了線纜耦合電磁場的研究，下面對其研究中所采用的理論和取得的主要成果進行介紹。

Vance.E.F［2］運用傳輸線模型來研究空間電磁場與架空輸電線路、空間電磁場與地下屏蔽電纜的耦合，給出了管狀屏蔽和編織型屏蔽兩種同軸電纜的轉移阻抗和轉移導納的計算及測量方法，沒有研究多導體、多層屏蔽的電纜對空間電磁場的耦合，也沒有解決這種電纜的轉移阻抗和轉移導納的計算及測量方法。Michel Aguet、Mircea Ianovici和 Lin Chung-chi［3］將空間電磁場與屏蔽電纜之間的復雜耦合問題分解為兩個相對簡單的關聯的內、外傳輸線系統，外傳輸線系統由屏蔽電纜的屏蔽層和大地構成，由此系統計算得到在空間電磁場激勵下的屏蔽層電壓和電流響應，內傳輸線系統由屏蔽電纜的屏蔽層和芯線構成，由此系統計算得到芯線上的響應，兩個傳輸線系統由轉移阻抗及轉移導納聯系在一起。D’Amore.M，Feliziani.M 和 Celozzi.S［4-6］根據場線耦合的內外傳輸線模型，研究了空間電磁場與同軸屏蔽電纜、空間電磁場與屏蔽多導體平行芯線電纜及螺旋狀芯線電纜的耦合和空間電磁場與無屏蔽多導體平行芯線電纜及螺旋狀芯線電纜的耦合等，通過運用電路模型理論最后推導出空間電磁場與屏蔽電纜響應之間的集中參數矩陣方程關系。Arlon T.Adams、Jose Perini等［7］研究了超高頻及以上頻率電磁場對線纜的耦合，在這種情況下，電纜將變?yōu)殡姶蟪叽?，線上感應電流的分布為駐波或行波模式，電流將出現反射。Tesche.P.M 等［8］研究了空間電磁場與架空輸電線路之間的耦合，給出了空間電磁場激勵下計算架空線響應的格林函數，由此函數可以很方便地計算架空輸電線路上任意點處的響應，沒有研究空間電磁場與屏蔽多導體電纜的耦合。另外，Belifuss.J［9］運用模式傳播理論求解空間電磁場激勵下的多導體傳輸線響應，建立了傳輸線響應的最大值與傳播模式之間的關系，但是此種方法非常煩瑣。

對于屏蔽電纜的轉移阻抗與轉移導納的計算與測量，許多學者作出了不懈的努力，提出了一些模型與方法。基本做法是在電纜屏蔽層加上一個已知的電壓和電流信號，然后測量電纜芯線上感應到的電壓和電流信號，最后根據一定的計算方法得到轉移阻抗和轉移導納。這些方法能應用于GHz以下環(huán)境，但存在適用的電纜種類有限，計算方法、測量裝置復雜、代價較高等問題。Kley.T［10］提出了一種測量方法，使屏蔽電纜轉移阻抗和轉移導納的測量大大簡化，測量裝置簡單，花費較少，但該方法應用范圍有限，只適用于單芯屏蔽電纜。為了得到屏蔽電纜的轉移阻抗和轉移導納，Helmers.S和 Gonschorek.K.H［11］提出將矩量法(MOM)傳輸線理論(TLT)和實驗測量法相結合，可得到一種快速、簡便的方法。他們還研究了在什么情況下轉移阻抗和轉移導納在場線耦合中各自起到主要作用。Orlandi.A［12］利用SPICE軟件，建立了屏蔽同軸電纜轉移阻抗和轉移導納的計算模型，該模型應用范圍比較有限。

有文獻指出，對于線纜之間的互耦，受擾線上感應電壓比干擾線上電壓低很多，但卻處于同一數量級。Levin.B.M［13］研究了兩芯通信電纜轉移阻抗和轉移導納的計算方法，在研究中發(fā)現芯線之間的耦合是通信電纜電磁干擾的重要來源，這說明線纜之間的互耦有時能產生很大的影響，是不可忽視的干擾源。

綜合國外研究文獻來看，國外對場線耦合問題的研究基本理論都來自E.F.Vance的研究成果。隨著其他技術的發(fā)展及其在場線耦合分析中的應用，又出現了一些新的計算模型，如文獻［14］等。對于復雜環(huán)境中的屏蔽電纜，在計算電纜屏蔽層上的感應信號時，也可以采用一些現有的軟件計算電纜屏蔽層上的響應，如FEDELITY軟件、FEKO軟件等。在計算電纜芯線響應時，一般仍采用傳輸線模型進行求解。

在場線耦合問題的研究中，國外學者做了很多實際的、有開創(chuàng)性的工作，提出了一些經典、常用不衰的計算模型和方法，發(fā)展了一些實用的算法。由于該問題的復雜性，并且很多方面仍是未知領域，或未完全搞清，主要包括以下方面:

(1)前人的研究中有很多屏蔽結構、傳輸形式的線纜耦合電磁場的機理沒有涉及到;

(2)前人的研究中，很多研究方法是經過將研究對象簡化的結果，與實際情況偏差較大;

(3)現有的屏蔽電纜的轉移阻抗、轉移導納計算和測量方法存在適用范圍有限、技術復雜、代價高昂等問題;

(4)在研究一些新的電磁干擾源對線纜的耦合時，采用經典的模型和方法已不能得到十分滿意的結果。

2.2 國內研究概況

國內對于屏蔽電纜耦合電磁場問題的研究高潮起于20世紀90年代末。大多數研究基于傳輸線理論［15-23］，少部分采用了時域多分辨分析方法［24］，也有一些混合算法獲得了應用［25］。隨著計算機技術的高速發(fā)展，采用全波分析法，將電纜耦合問題作為電磁散射問題來分析已成為可能。目前國內采用場的時域有限差分法(FDTD)仿真計算了空間電磁脈沖對電纜屏蔽層的感應電流［26-31］，較少進行電纜芯線電流的計算。屏蔽電纜的轉移阻抗和轉移導納仍是研究的一個熱點。在多導體屏蔽電纜對電磁脈沖耦合的研究中，主要集中在多導體電纜參數的提取上［32，33］，對于多導體之間串擾的研究較少。在實驗測量方面，測量的重心多在研究電纜屏蔽層的電流，及分析影響電纜屏蔽層電流的相關參數［34］，對電纜芯線感應信號的測量非常少。

3 常用的研究方法

研究電磁場對傳輸線的耦合問題的分析方法大體來說可以分為兩類，即場的方法和等效路的方法。

3.1 場的方法

這種分析方法直接從Maxwell方程組出發(fā)，對各場分量進行嚴格求解，理論上較為嚴格。隨著計算電磁學的不斷發(fā)展，對電磁場問題作時域全波分析成為可能，逐漸發(fā)展了一些新的時域全波分析算法。其中比較典型的計算方法有:

(1)時域有限差分法。FDTD法在分析線纜耦合方面已有較長應用歷史，它可以采用全波分析法，將電纜耦合問題作為電磁散射問題來分析。FDTD法是分析電線電纜耦合電磁場問題的有力手段，然而，在實際應用時它僅適用于相互平行的導體結構，對于垂直導線結構以及其他復雜導體則不能處理。該算法還存在對計算機內存要求較高和計算時間較長的問題。目前的主要發(fā)展方向是提高計算精度，增加模擬復雜媒質和結構的能力(特別是對不同媒質分界面處的模擬)，減少對計算機存儲空間等硬件水平的需求等。近年來，有多種FDTD法的變形出現，文獻［35］舉出了較具特色的幾種。

(2)傳輸線矩陣方法。傳輸線矩陣法建立在傳輸線理論上，也被用來分析傳輸線上任一點的電壓與電流的分布情況。傳輸線矩陣法TLM是和FDTD法幾乎同時發(fā)展起來的時域方法，但其應用不如后者廣泛，原因在于與FDTD法相比，這種方法的運用較為復雜，需要進行電路參數和場量之間的轉換，而且占用計算機內存較大，計算效率相對較低。此外，該方法對非均勻網格的處理能力和吸收邊界的作用效果尚待提高。隨著研究人員的努力，TLM方法也在不斷發(fā)展［36-38］。

(3)時域積分方程法(TDIE)。該法近年來發(fā)展迅速，但是因一些因素的制約而限制了它的實際應用，例如存在后期不穩(wěn)定的問題。目前改善TDIE后期不穩(wěn)定性的方法有:平均法、時域混合場積分法、隱式法、濾波器法、新型的時間基函數法、精確計算時域積分方程的阻抗矩陣元素等。

此外還有許多其他的算法，如時域有限元法(FETD)、多分辨率時域技術(MRTD)、時域偽譜算法(PSTD)等。文獻還提到出現了不同算法的結合，以及信號處理技術與算法的結合。

3.2 路的方法

這種方法通過所分析的電纜系統建立起一組等效的傳輸線方程，在一定的近似條件下，將電纜內外電場和磁場的耦合簡化成電纜內外電流、電壓通過屏蔽電纜的轉移阻抗和轉移導納的耦合關系，從而求解電纜外部空間電磁場激勵時引起的內部響應，這類方法比較簡單實用。

Helmers.S.和 Gonschorek.K.H 研究發(fā)現，傳輸線模型有一些局限性［39］，針對這些問題，F.M.Te-sche等指出如果電纜和大地組成系統滿足兩個條件:一是大地為完純導體，電纜和它在大地中的鏡象導體成完全對稱狀態(tài)，此時共模電流非常小，只需考慮差模電流;二是在感興趣的頻率范圍內，傳輸線的橫向尺寸為電小尺寸，即與波長相比很小，即可運用傳輸線理論進行分析［40］。

由于傳輸線模型簡單，易于考慮電纜參數的頻變特性，且能滿足工程實踐的需要，因此在場線耦合機理研究中得到了廣泛的應用。學者們提出了場線耦合計算模型，主要有 Taylor模型、Agrawal模型、Racchidi模型等。至于 Vance.E.F的模型，基本與Agrawal模型相同，但有所簡化。由于Agrawal模型中只用到了沿線電場分量作為激勵，因此模型簡單，但在終端邊界條件處理方面比Taylor模型復雜。由于實際應用中傳輸線多為耦合多導體傳輸線，因此實際應用中的場線耦合問題可以歸結于耦合多導體傳輸線的場線耦合問題。以上述三種傳輸線模型為基礎，國內外學者對耦合多導體傳輸線耦合響應進行了大量的研究，大多數研究均在準TEM波近似下，用一組頻域常微分方程或時域偏微分方程來描述傳輸線的分布參數電路模型，進而在給定的初始條件及邊界條件下求解這些方程。研究中所采用的方法可以分為兩類:

(1)頻域分析方法。該方法可以處理頻變參數。但由于在處理瞬態(tài)問題時，必須采用傅立葉變換，當瞬態(tài)電磁過程上升時間很短時，計算工作量較大，有可能引起失真和混疊等問題。此外，頻域分析方法只能處理線性問題，不能處理非線性問題和非均勻傳輸線，也難于處理非零初始條件問題。目前，采用其他數值變換的方法逐漸應用于該方法中。

(2)時域分析方法［41］。包括貝杰龍(Bergeron)法、等效集總參數電路模型法、特征法、網格法以及FDTD等方法，這些算法工作量較少，且結果直觀，可以處理非線性系統，但不易處理頻變參數問題。

對于瞬態(tài)電磁場的計算，首選的方法當然應該是時域分析方法。但是由于場的方法計算量太大，計算的時間也很長，且對于電磁脈沖對傳輸線的耦合問題，按傳輸線理論的方法作近似分析，計算出的結果在工程上精度是足夠的，因此采用等效路的方法中的時域算法是很好的選擇。這其中等效路的FDTD法秉承場的FDTD法的優(yōu)點，不僅可以計算出傳輸線上任意點的電壓、電流波形，對于非均勻傳輸線的求解也比較方便，因此越來越受到關注。

4 結束語

屏蔽電纜是空間電磁能量的巨大收集器，對電纜耦合空間電磁場問題的研究具有重要的理論意義和實用價值。近年來國內外許多學者進行了大量的研究，并取得了很大進展，提出了一些防護技術，產生了實際的價值。但總的說來，電纜對空間電磁場的耦合及其防護技術還研究得不夠，還不能完全做到對電纜的有效防護，一些關鍵技術還亟待解決。本文認為在以下幾方面值得深入研究和探索:

(1)目前的研究主要集中在平行直導體傳輸線和電纜上，對任意彎曲傳輸線和電纜的研究較少，線纜彎曲對傳輸高頻信號的影響仍不甚清楚，要加強這方面的研究;

(2)努力尋找不同類型電纜的轉移阻抗和轉移導納的計算和測試方法;

(3)發(fā)展更加實用的算法，改進現有算法，在算法的推廣應用方面，為克服愈發(fā)復雜的算法理論給使用者帶來的困難，要努力發(fā)展相應算法的仿真軟件;

(4)在解決復雜研究對象的建模問題方面，要繼續(xù)研究和發(fā)展自適應、智能化的建模技術;

(5)多導體屏蔽電纜耦合空間電磁場，以及不同導體之間的串擾的研究有待加強。

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