基于CST的多電纜耦合影響仿真分析

周 暢，楊華榮，許榮彧，劉 剛，瞿 單，樊友文

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢430205)

0 引言

隨著我國(guó)艦船技術(shù)的發(fā)展，大量新型的電子電氣設(shè)備被廣泛裝備艦船上。艦船設(shè)備的集成度、綜合度越來(lái)越高，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的電磁兼容問(wèn)題。艦船上各個(gè)系統(tǒng)與設(shè)備之間依靠各種類型的電纜互相連接，有限的敷設(shè)空間往往使得這些電纜上的信號(hào)彼此耦合，從而發(fā)生電磁干擾。尤其是強(qiáng)電類電纜常常對(duì)其附近弱電類電纜產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合作用，妨礙電纜的正常工作，影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，導(dǎo)致艦船平臺(tái)難以正常的運(yùn)行［1－2］。

在工程電磁兼容中，為了保護(hù)重要敏感電纜不受干擾，往往采取屏蔽、接地、雙絞線等方法，對(duì)重點(diǎn)敏感電纜進(jìn)行保護(hù)。如何降低電纜因周圍電纜耦合帶來(lái)的影響，其前提是建立電纜的電磁耦合仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)預(yù)估目標(biāo)電纜所受到的耦合影響。然而，由于計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的研究模型接收電纜種類相對(duì)單一，如C.R.Paul等［3］研究的非屏蔽傳輸線電纜串?dāng)_的頻域響應(yīng)，Bellan等［4］分析計(jì)算的非均勻電纜束的耦合影響，國(guó)內(nèi)樊友文、閻毓杰等［5－6］研究了屏蔽電纜、雙絞線電纜的電磁干擾。對(duì)于多種受干擾電纜同時(shí)存在時(shí)，目標(biāo)敏感接收電纜所受到電磁耦合影響的參數(shù)化建模以及對(duì)比研究涉及甚少，而實(shí)際工程當(dāng)中，大量不同種類的電纜往往密集敷設(shè)，敏感接收電纜的周邊，很可能同時(shí)存在其它不同種類的被干擾電纜，這些電纜雖然自身直接產(chǎn)生的信號(hào)很弱，基本可以忽略不計(jì)，但是它們的存在會(huì)直接影響發(fā)射電纜的電磁場(chǎng)，另一方面，受到發(fā)射電纜電磁場(chǎng)的影響，這些電纜會(huì)向外輻射電磁波，形成二次發(fā)射干擾源，因此傳統(tǒng)單一種類接收電纜模型顯然不能滿足對(duì)現(xiàn)代艦船復(fù)雜電纜耦合研究的需要。

本文針對(duì)艦船工程中多種電纜復(fù)雜電磁耦合的問(wèn)題，重點(diǎn)討論了同軸電纜和屏蔽電纜作為接收電纜同時(shí)存在的情況下，接收電纜彼此相對(duì)位置對(duì)目標(biāo)接收電纜電磁耦合的影響。運(yùn)用CST電纜工作室平臺(tái)，結(jié)合工程實(shí)際，建立多電纜耦合參數(shù)化仿真三維模型，對(duì)不同電纜相對(duì)位置進(jìn)行綜合仿真和分析，研究結(jié)果表明，屏蔽電纜和同軸電纜作為接收電纜同時(shí)存在的情況下，屏蔽電纜中會(huì)出現(xiàn)新的電磁耦合，耦合電壓的大小和頻率與同軸電纜的相對(duì)位置有關(guān);屏蔽電纜中舊有的耦合電壓大小和頻率受同軸電纜影響相對(duì)較小。

1 仿真模型設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際艦船電纜工作狀況，本文共選取3種電纜，其中發(fā)射電纜型號(hào)為L(zhǎng)IFY，接收同軸電纜型號(hào)為R－RG58－1，接收屏蔽電纜為我國(guó)船用電纜某試驗(yàn)試用型號(hào)。

圖1 多電纜綜合模型Fig.1 Synthesis model of multi-cables

圖1中，接收同軸電纜和接收屏蔽電纜均為4層結(jié)構(gòu)，如果發(fā)射、接收電纜與地相對(duì)位置較近，寬頻域內(nèi)幾根電纜彼此的耦合受寄生效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗等因素的影響，將會(huì)十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)典電磁分析方法明顯不適用于這種復(fù)雜模型的快速、準(zhǔn)確分析。

CST電纜工作室具有較好的線纜建模和仿真能力，其具體工作流程為:通過(guò)良好的人際互動(dòng)界面建立參數(shù)化仿真模型，自動(dòng)劃分復(fù)雜模型網(wǎng)格并提取2D傳輸線參數(shù)，分析寄生效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗并導(dǎo)出等效SPICE電路模型，利用3D全波仿真配合電路仿真的方法，快速、準(zhǔn)確分析多電纜復(fù)雜電磁耦合問(wèn)題并導(dǎo)出結(jié)果。

為了進(jìn)一步分析和研究同軸電纜的加入對(duì)于敏感屏蔽電纜的影響，建立仿真模型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 仿真模型設(shè)計(jì)思路Fig.2 The design method of the simulation models

2 多電纜綜合模型仿真及分析

按照第1節(jié)中的步驟設(shè)計(jì)多電纜綜合仿真模型，使用數(shù)值分析軟件CST電纜仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行分析和計(jì)算。發(fā)射電纜、接收同軸電纜和接收屏蔽電纜的橫截面結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示。圖3(a)為單接收屏蔽電纜模型;圖3(b)為雙接收電纜仿真模型，為了進(jìn)行對(duì)比分析，保持發(fā)射電纜、接收屏蔽電纜與圖3(a)中一致，同軸電纜按照A、B、C、D、E、F標(biāo)志所在位置，取6個(gè)不同的位置分別進(jìn)行仿真計(jì)算。此處h1=5 cm，h2=5 cm，L0=5 cm，L1=1 cm，L2=1 cm，L3=0.5 cm，所有電纜長(zhǎng)度固定為1 m，發(fā)射電纜傳輸信號(hào)幅度為100 V，頻率為0～250×106Hz。

圖3 多電纜仿真模型Fig.3 Simulation models of multi-cables

單接收屏蔽電纜模型仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 單接收屏蔽電纜模型仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of single receiving cable model

仿真結(jié)果表明，當(dāng)接收屏蔽電纜只受到發(fā)射電纜作用時(shí)，其耦合電壓峰值為0.55 V，頻率為149 ×106Hz。

圖3(b)中的模型共6個(gè)，仿真結(jié)果如圖5所示。

可以發(fā)現(xiàn)，相比單一的發(fā)射電纜+接收電纜模型，同軸電纜加入后，接收屏蔽電纜中除了原有的位于149×106Hz處的耦合電壓，在142－148×106Hz之間，出現(xiàn)了新的、較強(qiáng)的耦合電壓，可以判斷，這一耦合電壓是由于同軸電纜在發(fā)射電纜電磁場(chǎng)的影響下形成二次輻射造成的。

圖5 雙接收電纜仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of dual receiving cables models

其中，當(dāng)同軸電纜位于A，B，C三處，即:發(fā)射電纜和接收電纜同一平面時(shí)，電磁耦合的變化最為明顯，其最大耦合電壓都超過(guò)了1 V，大大超過(guò)了D，E，F(xiàn)處的0.87 V，0.47 V和0.48 V，此外，當(dāng)同軸電纜位于相對(duì)發(fā)射電纜較近的A點(diǎn)時(shí)，接收電纜在149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.57 V，在146×106Hz在處新出現(xiàn)的電磁耦合電壓值為1 V，而當(dāng)同軸電纜靠近接收電纜，移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，原來(lái)149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.48 V，基本不變，新出現(xiàn)的電磁耦合電壓峰值則提高到1.5 V，頻率由146×106Hz降低到144.5×106Hz，這是因?yàn)橥S電纜靠近接收屏蔽電纜，對(duì)其影響加強(qiáng)，

因此耦合電壓峰值上升。同軸電纜移動(dòng)到C點(diǎn)，進(jìn)一步靠近屏蔽電纜時(shí)，149×106Hz處的耦合電壓峰值為0.54 V，新出現(xiàn)的耦合電壓峰值則降為1.38 V，頻率也下降到142.7×106Hz，耦合電壓峰值之所以下降，是因?yàn)橥S電纜距離發(fā)射電纜過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致其二次輻射能力下降，同時(shí)，原來(lái)149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.49 V，頻率基本不變，幅值變化也較小。

綜上所述，相比較單一的發(fā)射電纜+接收電纜模型，同軸電纜的加入會(huì)在接收屏蔽電纜中激起新的電磁耦合，當(dāng)同軸電纜位于發(fā)射電纜和接收屏蔽電纜同一平面中間位置時(shí)，其激起的電磁耦合電壓幅值最高，同時(shí)屏蔽電纜中原先已經(jīng)存在的電磁耦合電壓受同軸電纜的影響相對(duì)較弱，其頻率基本不變，幅值變化也相對(duì)較小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于CST電纜工作室平臺(tái)，建立了多電纜耦合參數(shù)化仿真模型，分析了多種不同種類電纜共存時(shí)的電磁耦合影響。仿真結(jié)果表明，相比較單根接收屏蔽電纜體系，屏蔽電纜和同軸電纜作為接收電纜同時(shí)存在的情況下，接收屏蔽電纜中會(huì)產(chǎn)生新的、較強(qiáng)的電磁耦合，新電磁耦合的幅值和頻率與同軸電纜的相對(duì)位置有關(guān)，當(dāng)同軸電纜位于發(fā)射電纜和接收屏蔽電纜同一平面中間位置時(shí)，其激起的電磁耦合電壓幅值最高，達(dá)到1.5 V，幾乎是接收電纜原有電磁耦合電壓峰值的3倍;同時(shí)屏蔽電纜中原有的電磁耦合受同軸電纜影響相對(duì)較小。利用這種多電纜耦合模型，可以快速分析多電纜復(fù)雜電磁耦合問(wèn)題，對(duì)于現(xiàn)代艦船電纜電磁兼容預(yù)估和預(yù)防具有重要的指導(dǎo)意義。

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