艙室內(nèi)線纜電磁輻射環(huán)境仿真與分析＊

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海 200129）

1 引言

當(dāng)前，各種系統(tǒng)平臺，特別是水下平臺的艙室內(nèi)布置了大量的電子機柜和線纜線束，為了使各電子設(shè)備均能兼容工作，必須保證各設(shè)備具有良好的電磁兼容性，并提供一個良好的電磁環(huán)境［1～5］。

長期的實踐證明，對水下平臺電磁兼容構(gòu)成主要威脅的問題是低頻電磁干擾，特別是各種線纜線束的低頻電磁輻射，大功率的線纜會在艙室內(nèi)產(chǎn)生低頻電磁場，頻率從幾十赫茲到幾十千赫茲，超過一定限值會影響艙內(nèi)的敏感系統(tǒng)，如聲納。

為了準(zhǔn)確預(yù)報大功率線纜在艙室內(nèi)產(chǎn)生的電磁環(huán)境，本文開展了線纜建模方法和低頻輻射環(huán)境仿真方法的研究。

2 計算原理分析

水下平臺艙室內(nèi)線纜是一種極精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)外，線纜還含有不同種類的絕緣材料，如果采用MoM 建模求解會剖分出大量的網(wǎng)格；若果在加上艙壁等金屬結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的網(wǎng)格，求解未知量劇增。針對此難題，可采用傳輸線法（MTL）［6～8］來模擬各種電纜，通過電子電路法計算出線纜上的分布電流，然后通過MoM 計算線纜所產(chǎn)生的輻射場。

基于MTL＋MoM 法的線纜電磁環(huán)境計算［9～11］步驟如下：

1）計算線纜的等效LC矩陣；

2）采用集總電路模型在Spice中建立線纜的MTL模型，包括電纜兩端的電路；

3）采用Spice計算MTL 模型，確定沿線纜電流分布；

4）將MTL計算的傳輸線電流轉(zhuǎn)換成全波計算方法MoM 所采用的外加電流源；

5）采用MoM 計算低頻線纜在艙室內(nèi)的輻射電磁環(huán)境。

具體仿真計算時，采用EMC Studio軟件，專門用于分析設(shè)備級、系統(tǒng)級（如飛機、艦船、汽車等）的電磁兼容問題，在同一軟件平臺上，根據(jù)分析類型，自動組合矩量法（MoM）、物理光學(xué)法（PO）、傳輸線法（MTL）、等效源法（MAS）、電路分析（SPICE）、網(wǎng)絡(luò)分析等多種算法。

下面簡要介紹低頻MoM 的計算原理。線纜電流分布計算出后，可采用理想導(dǎo)線的電場積分方程進(jìn)行求解，如式（1）所示。

在選定基函數(shù)和權(quán)函數(shù)后，應(yīng)用矩量法的基本原理，方程（1）可以轉(zhuǎn)化為矩陣方程

而對于艙壁，采用準(zhǔn)靜態(tài)近似，認(rèn)為艙壁為高導(dǎo)電率的薄金屬壁，滿足條件kδ?1，其中k為波數(shù)，δ為壁的趨膚深度?；贛axwell方程，在自由空間場滿足以下關(guān)系式：

在艙壁內(nèi)電磁場滿足以下關(guān)系式：

建立切向場邊界條件：

其中：

或法向場邊界條件：

其中：

然后，利用方程（3）～（6）和切向邊界條件（7）、（8）或者法向邊界條件（9）、（10）構(gòu)建電場積分方程進(jìn)行聯(lián)合求解。

3 仿真與分析

在EMC Studio軟件中，我們建立了艙室和線纜的仿真模型，如圖2所示，其中艙室尺寸為8m（L）×4m（W）×3m（H），線纜長度為7m，離艙室地面的高度為5cm。

圖2 艙室和線纜的仿真模型

線纜為編織電纜，其內(nèi)導(dǎo)體直徑為2mm，材料為Copper；編織線外壁直徑為7．2mm，相對介電常數(shù)為2．3；編織線外壁厚度為0．36mm，編織線具體的屬性參數(shù)如圖3所示。

圖3 編織線具體參數(shù)

編織線纜采用電壓源激勵，幅度為1V，相位為0，頻率為10kHz，其激勵等效電路圖如圖4所示。

為對比分析艙壁對線纜輻射電磁環(huán)境的影響，求解了同樣位置處電磁場的分布情況，如圖2所示，兩條求解線互相垂直，沿x方向從0m～3m，沿著Z方從0m～3m。

圖4 線纜等效激勵圖

圖5和圖6是有無艙壁時電磁強強度的對比情況。

圖5 電場強度的對比

圖6 磁場強度的對比

從仿真結(jié)果分析可得，艙室內(nèi)電纜電磁輻射的磁場強度比電場強度高約10dB，且編織電纜的低頻輻射以磁場為主，即對電場有較好的屏蔽作用。此外，分析表明艙壁的反射作用對艙室內(nèi)的電磁環(huán)境會造成影響，其幅度需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)、電纜與艙壁距離、電纜敷設(shè)走向，使用本文的計算方法進(jìn)行分析判斷。

4 結(jié)語

各種線纜線束的低頻電磁輻射是水下平臺電磁兼容的主要威脅，本文分析了線纜電磁輻射環(huán)境仿真的特點和難點，提出了基于提出了基于傳輸線法（MTL）和矩量法（MoM）的艙室內(nèi)線纜電磁輻射環(huán)境的仿真方法，并采用系統(tǒng)級電磁兼容仿真軟件EMC Studio構(gòu)建了艙室和線纜的仿真模型，分析表明艙室內(nèi)電纜電磁輻射以磁場為主，電磁環(huán)境受結(jié)構(gòu)布置等影響較大。

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