基于CST的平行線纜串擾仿真分析

喬新　楊晨　董秋杰

摘 要：導彈數據鏈、雷達以及通訊設備等在傳輸信號時，容易干擾到彈上其他設備，嚴重時將會影響到導彈的作戰(zhàn)性能，其中許多干擾都是線纜電場耦合與磁場耦合產生的串擾。本文針對導彈不同電纜的電磁耦合問題，利用CST電纜工作室，建立平行線纜耦合參數化仿真三維模型，對不同接收線纜及信號共存體系進行仿真對比，研究了平行線纜間距、線纜離地高度、信號上升沿時間、線纜類型以及屏蔽層接地方式幾種不同因素對接收線纜串擾電壓的影響。仿真結果表明，增加線纜間距和盡量貼地鋪設線纜都能減小干擾，接收線纜采用屏蔽雙絞線并且屏蔽層兩端接地才能起到更好的磁場屏蔽作用。

關鍵詞：導彈;EMC;屏蔽線纜;串擾;CST

中圖分類號：TJ760;V443文獻標識碼：A文章編號： 1673-5048（2020）03-0098-05

0 引言

導彈電氣系統(tǒng)為導彈各部分提供能源，彈上電纜網把各分立系統(tǒng)連接起來成為一個整體，為導彈正常工作提供基本保障。由于導彈內部空間有限，電氣、電子設備種類繁多，一般都將處于同一方向鋪設的線纜捆扎在一起，固定在彈體上，就造成了彈上線纜密集度很高。彈上電纜網是彈上所有信息的傳輸通路，也是電磁干擾的主要耦合通道，彈上諸多干擾都是在傳輸過程中通過線纜間串擾耦合產生的[1-2]，尤其是高頻電路電纜網，線纜之間的干擾更加嚴重。因此，導彈電纜網電磁兼容性設計是非常重要的。

國內外許多學者對線間串擾進行了研究。研究線纜線束間串擾的方法主要有： 集總參數電路模型法、傳輸線法、電磁場數值方法。其中傳輸線法求解步驟相對簡單，易于計算機實現，得到的結果也比較精確，成為目前求解線纜線束串擾的常用方法[3]。線纜的分布參數求解方法有解析近似法、數值法、仿真法。研究線纜間串擾的數值法主要有時域有限差分法（FDTD）、時域有限積分法、矩量法（MoM）、有限元法（FEM）等[4-6]。文獻[7]將集總參數模型與分布參數模型進行對比，從時域和頻域兩個方面對多導體傳輸線間的串擾進行理論計算，分析了受擾電纜分別為屏蔽線纜和雙絞線時的串擾系數。文獻[8]指出，信號頻率、線纜間距、線纜距地高度及接地方式等因素都能影響到接收線纜上的串擾情況。除了這些因素外，還可采用屏蔽線纜減小線纜間的耦合。張文娟、楊君等指出屏蔽線纜的屏蔽效能是由屏蔽層接地產生的，屏蔽效能除了與屏蔽層本身的質量、結構有關，還受到屏蔽層阻抗及屏蔽層接地方式的影響[9-10]。

本文針對傳輸高頻信號的線纜，對影響線纜間串擾的不同因素進行仿真分析，總結出電磁兼容設計的要點，用于指導彈上電纜網的設計。

1 平行線纜仿真模型

1.1 CST電纜工作室簡介

CST （Computer Simulation Technology）工作室

套裝是面向3D電磁、電路溫度和結構應力設計工程師的一款全面、精確、集成度極高的專業(yè)仿真軟件包，包括電纜工作室、微波工作室、設計工作室、PCB工作室、電磁工作室等。本文是在電纜工作室中進行仿真的。CST電纜工作室是德國公司專門針對不同形式的電纜網絡設計開發(fā)的一套軟件，包含有同軸電纜、雙絞線電纜等多種電纜模型庫和電路集總單元庫。軟件利用傳輸線理論、電路仿真與3D全波電磁場仿真，可以分析線纜線束間的輻射耦合、復雜電纜網絡的信號完整性、電纜的阻抗等問題，從而預估線纜線束中各類信號完整性及系統(tǒng)級電磁兼容性問題[11]。

1.2 傳輸線耦合模型

兩根傳輸線平行放在一起，如圖1所示。線纜1～2的一端有干擾源ES，ES的內阻抗為ZS，線纜另一端有負載阻抗ZL，通過接地點構成閉環(huán)回路。傳輸線3～4兩端都有阻抗ZL，通過接地點形成回路。兩個回路有公共的接地點。圖中有干擾源的線纜稱為發(fā)射線，被干擾的線纜稱為接收線。每條傳輸線都有分布電阻和分布電感，傳輸線之間有互電感和互電容，傳輸線和地面之間有分布電容。

圖1中： 發(fā)射線的單位長度電阻、電感、電容分別為RTΔz， LT， CT;接收線的單位長度電阻、電感、電容分別為RR，LR，CR;傳輸線間的單位長度互電感、互電容分別為LM，CM。平行傳輸線模型的等效電路圖如圖2所示。

當Δz→0時，應用基爾霍夫定律可以得出

dU（x）dz=-（R+jωL）I（z）（1）

dI（x）dz=-jωCU（z）（2）

式中： U（x），I（x）分別為相電壓和相電流向量;R，L，C分別為單位長度電阻、電感、電容矩陣。

通過數值法提取出線纜的分布參數，代入式（1）～（2）就可以求得接收線上的串擾電壓值和電流值。在CST電纜工作室仿真時，是基于傳輸線理論，采用集總法和模式法兩種方法提取線纜線束電參數，生成等效電路模型，從而求解出串擾電壓的。

1.3 仿真模型

在CST電纜工作室建立如圖1所示的平行線纜模型。1～2為發(fā)射線纜，3～4為接收線纜，線纜長度l為1 m，兩根線纜間距為d，線纜離地高度為h。發(fā)射線纜1端口接干擾源ES，ES的內阻為50 Ω，2端口接電阻ZL。接收線纜的兩個端口直接接電阻ZL。接地長1.6 m、寬0.8 m。所用線型來自CST電纜工作室自帶的線纜模型庫，包含單線、同軸線、雙絞線和使用CST電纜工作室定義的一種新的線型： 屏蔽雙絞線。

發(fā)射線纜的線型為單線，干擾源采用方波信號，方波信號的示意圖如圖3所示。信號參數設置為： Vpulse為5 V，Tdelay為0.02 μs，Trise為0.02 μs，Thold為0.4 μs，Tfall為0.02 μs，Ttotal為0.5 μs。本文在沒有聲明改變方波信號參數時，均采用此方波信號。圖4為仿真中的干擾源波形圖。

2 不同因素對線纜串擾的影響

導彈中線纜通常捆扎在一起，使得線纜之間存在不同程度的耦合，即串擾。一個線纜上的信號對另外線纜上的信號產生影響，嚴重時會影響到電氣設備的正常工作甚至影響到導彈的作戰(zhàn)性能。線纜間距、線纜離地高度、干擾源信號的變化以及線纜的類型都會對串擾產生影響。不同因素對線纜串擾的影響，怎樣才能使得線纜間串擾盡可能減小，是本文研究的主要內容。

2.1 平行線纜間距對串擾的影響

發(fā)射線纜和接收線纜使用單線LIFY_1qmm50，離地高度h為5 cm，線纜長度l為1 m，阻抗ZL為50 Ω， 兩根線纜間距d分別為5 cm，8 cm，10 cm，對比3端口電壓值的變化，如圖5所示。

從圖5中可以明顯看出，隨著線纜間距增加，接收線纜串擾電壓明顯減小。這是由于增加線纜間距可以減小線纜間的耦合電容，從而減小線纜間的串擾。所以在導彈內實際鋪設線纜時，要盡可能增大線纜間距。

導彈內部線纜一般按照高低頻、強電弱電等歸類并分隔開來，再鋪設到對應線纜槽里。為了使不同類別信號間距達到最大，一般將不同類別的信號分別鋪設在彈徑的兩端，由于彈徑不同，間距可達5～100 cm。所以設置兩根線纜間距d為50 cm和80 cm，觀察3端口電壓值的變化，如圖6所示。

從圖6中

可以看出，當距離增加到50 cm，串擾電壓值最大幅度不超過0.005 V;當距離增加到80 cm，串擾電壓值最大幅度不超過0.002 V，干擾值非常小。所以采取將不同信號進行歸類并分隔這種措施對于減小線纜間的干擾是非常有效的。

2.2 線纜離地高度對串擾的影響

發(fā)射線纜和接收線纜使用單線LIFY_1qmm50，線纜間距d為5 cm，線纜長度l為1 m，阻抗ZL為50 Ω， 線纜離地高度h分別為4 cm，8 cm，10 cm，對比3端口電壓值的變化，如圖7所示。

從圖7中可以明顯看出，線纜越貼近地面，串擾電壓越小;隨著線纜離地高度增加，線纜串擾電壓值明顯變大。這是由于隨著線纜離地高度增加，閉合回路的面積也變大了，即產生的磁通變大，從而產生更大的感應電壓。在導彈中，接地所指的是導彈的彈殼。導彈供電地、遙測供電地、部分彈上二次電源地共地，一般通過彈殼共地， 共地接地要保證單點接地。所以在實際鋪設線纜時，要盡可能使線纜靠近彈殼。

2.3 信號上升沿時間對串擾的影響

發(fā)射線纜和接收線纜使用單線LIFY_1qmm50，線纜間距d為5 cm，線纜長度l為1 m，阻抗ZL為50 Ω，線纜離地高度h為5 cm， 方波信號上升沿時間（Trise）分別為0.02 μs，0.04 μs，0.06 μs，對比3端口電壓值的變化，如圖8所示。

從圖8可以看出，信號上升沿時間越小，即信號變化越劇烈的時候，串擾電壓值越大。所以為了減小串擾，應避免使信號變化過于劇烈。

2.4 線纜類型對串擾的影響

發(fā)射線纜使用單線LIFY_1qmm50，線纜間距d為5 cm，線纜長度l為1 m，阻抗ZL為50 Ω，線纜離地高度h為5 cm，接收線纜類型分別為單線LIFY_1qmm50、同軸線RG58和新定義的屏蔽雙絞線，對比3端口電壓值的變化，如圖9所示。

從圖9中可以看出，屏蔽雙絞線和同軸線上的串擾電壓值最小，基本為0。而單線上串擾電壓值最大。屏蔽層是導線絕緣層和護套之間的金屬織網，通過金屬對電磁波的反射、吸收和趨膚效應原理，有效防止外部電磁干擾進入電纜，同時也阻止內部信號輻射出去，干擾其他設備的工作。所以，屏蔽層對平行線纜間的串擾有很好的抑制作用，對于重要的信號要根據情況選擇屏蔽雙絞線或同軸線。

2.5 屏蔽層接地方式對串擾的影響

發(fā)射線纜使用單線LIFY_1qmm50，接收線纜使用屏蔽雙絞線。線纜間距d為5 cm，線纜長度l為1 m，阻抗ZL為50 Ω，線纜離地高度h為5 cm，屏蔽雙絞線的屏蔽層分別為屏蔽層兩端接地、屏蔽層兩端不接地和屏蔽層一端接地，對比3端口電壓值的變化，如圖10所示。

從圖10可以看出，屏蔽層兩端接地時，接收線纜上的串擾值最小，基本為0。屏蔽層一端接地和兩端都不接地時，串擾值都比較大，這說明屏蔽層一端接地和屏蔽層不接地都不能起到屏蔽的作用。這里需要注意的是，如果內部的電路只有一端接地，那么，屏蔽層也應該一端接地，如圖11所示。此時，返回的電流只有一個回路，即全部流經屏蔽層。I1與IS大小相等、方向相反，其產生的磁場干擾相互抵消[12]。因此，在使用屏蔽雙絞線時，對于屏蔽層接地方式要根據具體電路去選擇，才能發(fā)揮屏蔽雙絞線屏蔽的作用。

2.6 舵機對點火信號的干擾仿真

舵機自檢時，由于舵機功率較大，會產生較強的干擾信號，有可能會干擾到點火信號?；谖闹?.3節(jié)的仿真模型，設置1～2為舵機干擾信號（發(fā)射線纜），3～4為發(fā)動機點火信號（接收線纜），線纜長度l為1 m，兩根線纜間距d為5 cm，線纜離地高度h為5 cm。發(fā)射線纜干擾信號的波形圖如圖12所示，接收線纜兩端接27 V直流電源。

分別設置接收線纜的線型為單線、雙絞線和屏蔽雙絞線，觀察3端口的電壓，如圖13所示。

若沒有干擾，3端口的電壓應為13.5 V，但是在接收線纜的線型為單線的情況下，3端口的電壓在13.5 V上下浮動，即產生了較大干擾。

接收線纜為屏蔽雙絞線和雙絞線時的串擾如圖14所示。從圖中可以看出，使用雙絞線可以適當減小干擾，而屏蔽雙絞線的效果最好，使得干擾基本為0。所以，發(fā)動機點火信號要采用屏蔽雙絞線，才能避免舵機信號對其產生干擾，從而保證發(fā)動機點火的可靠性。

3 結論

本文主要利用CST電纜工作室，研究了影響平行線纜串擾的因素，包括線纜間距、線纜離地高度、信號上升沿時間、線纜類型以及屏蔽層接地方式。主要結論有：

（1） 平行線纜串擾隨線纜間距增大而減小，平行線纜串擾隨線纜離地高度增大而增大;

（2） 干擾源信號會對線纜間串擾產生影響，信號上升時間越短，串擾電壓值變化越陡峭，產生的干擾越大;

（3） 采用屏蔽雙絞線和同軸線能使串擾電壓明顯減小，對于易受干擾或容易產生干擾的信號應根據需要采取這兩種線型;

（4） 在使用屏蔽雙絞線時，屏蔽層兩端接地的屏蔽效果最好;

（5） 通過對點火信號的仿真，驗證了采用雙絞線或者屏蔽雙絞線可以降低舵機對點火信號的干擾，且屏蔽雙絞線的屏蔽效果最好，使干擾基本為0。

本文的研究結論對導彈線纜選型、鋪設和接地有一定的參考價值;有助于減小線纜間串擾，優(yōu)化導彈電磁兼容設計。

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Simulation and Analysis of Parallel Cables Crosstalk

Based on CST

Qiao Xin*，Yang Chen，Dong Qiujie

（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Abstract： When the data link， radar and communication equipment ofmissile are transmitting signals， other equipments are easily interfered， even the missiles combat performance would be affected. Many of these interferences are crosstalk generated by the coupling of electric field and magnetic field. In this paper， based on the electromagnetic coupling problem of different missile cables，the CST cable studio is used to establish a three-dimensional model of parallel cable coupling parametric simulation，and the simulation and comparison of different receiving cables and signal coexistence system are carried out. The effects on receiving cable crosstalk voltage of different factors such as the parallel cable distance， cable height， signal rising time， cable type and shielding layer grounding modes are researched. The simulation results show that the interference can be reduced by increasing the cable distance and laying cables as close to the ground as possible，and using shielded twisted pair for the receiving cables and laying shielding layer to ground at both ends will achieve good magnetic field shielding.

Key words： missile;EMC;shielded cable;crosstalk;CST

收稿日期：2018-10-25

作者簡介： 喬新（1993-），女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向為電氣系統(tǒng)設計和電磁兼容研究。

E-mail： 1219257668@qq.com

引用格式： 喬新，楊晨，董秋杰. 基于CST的平行線纜串擾仿真分析[ J].

航空兵器，2020， 27（ 3）： 98-102.

Qiao Xin，Yang Chen，Dong Qiujie.Simulation and Analysis of Parallel Cables Crosstalk Based on CST[ J]. Aero Weaponry，2020， 27（ 3）： 98-102.（ inChinese）