屏蔽線纜的接地仿真研究

朱婷婷,王英浩,莊 偉

(1.南京師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院,江蘇 南京 210023) (2.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

大多數(shù)軍用車和民用車上的線纜是連接不同設(shè)備與系統(tǒng)的重要工具,其功能是傳輸信息和能量. 在外界電磁波干擾下,車輛內(nèi)部的線纜是引入電磁干擾的一個(gè)重要途徑. 線纜通過耦合外界電磁波而產(chǎn)生很大的電流和電壓,并傳輸?shù)杰囕v內(nèi)部的電子設(shè)備中,嚴(yán)重干擾車輛的正常工作. 因此,需要對(duì)這種干擾進(jìn)行抑制,抑制電磁干擾的方法主要有屏蔽、接地和濾波等. 本文主要采用屏蔽線接地的方式進(jìn)行抑制.

采用屏蔽線纜可以有效地抑制空間電磁場(chǎng)對(duì)傳輸線的影響,避免出現(xiàn)通信失效、信號(hào)誤差等現(xiàn)象. 也可以降低不同線纜間的輻射和串?dāng)_帶來的影響[1]. 影響屏蔽線纜屏蔽效能的關(guān)鍵點(diǎn)在于線纜的接地,如果接地不正確非但不會(huì)起到屏蔽外界干擾的作用,可能會(huì)引入更大的干擾. 電磁干擾隨著線纜進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部,嚴(yán)重影響車輛的正常性能. 屏蔽層接地后,使得干擾電流經(jīng)屏蔽層短路入地,從而對(duì)線纜傳輸信號(hào)起到屏蔽作用[2-6]. 本文主要探討高空核電磁脈沖干擾下,車內(nèi)屏蔽線纜的最佳接地方式.

1 線纜的接地方式

常用的線纜接地方式一般有單點(diǎn)接地、兩點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地. 單點(diǎn)接地常采用端點(diǎn)接地,常用的兩點(diǎn)接地方式指的是接地位置在線纜兩個(gè)端點(diǎn)處. 由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)低頻電磁問題常用單點(diǎn)接地,單點(diǎn)接地一般要求地線長(zhǎng)度不超過信號(hào)波長(zhǎng)的二十分之一[7],高頻電場(chǎng)問題由于波長(zhǎng)短,單點(diǎn)接地不再適用,于是采用兩點(diǎn)接地. 在更高頻還有多點(diǎn)接地模式,如果設(shè)備較為復(fù)雜,還可以采用混合接地的方式解決問題[8].

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[9]可知

(1)

圖1 閉環(huán)回路面積示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed loop circuit area

式中,ε表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),Φ表示磁通量,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,t和S分別表示時(shí)間和閉環(huán)回路面積. 圖1為閉環(huán)回路面積示意圖. 當(dāng)接地位置位于線纜端點(diǎn)時(shí),閉環(huán)回路面積最大,穿過閉合電路的磁通量最多,相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大. 當(dāng)線纜的接地位置不在端點(diǎn)處時(shí),相比現(xiàn)有兩端點(diǎn)接地方法,非端點(diǎn)的接地回路面積減小了,穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化,在這種情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和線纜屏蔽層電流也相應(yīng)地發(fā)生變化,即芯線電流與線纜耦合的電磁能量減小,線纜的屏蔽效能增大[10-11]. 因此,本文主要的研究?jī)?nèi)容是在線纜上尋找出合適的接地方式以及最佳接地位置,以降低線纜上的感應(yīng)電流,讓屏蔽線纜的防護(hù)效果達(dá)到最佳.

2 算例分析

首先通過一個(gè)仿真算例[12]來驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性. 仿真模型如圖2所示.

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of test results and simulation results

圖4 屏蔽線纜示意圖Fig.4 Schematic diagram of shielded cable

在CST軟件中設(shè)置核電磁脈沖進(jìn)行側(cè)面照射,入射方向?yàn)?Z方向. 仿真結(jié)構(gòu)尺寸為40 cm×40 cm×40 cm 金屬屏蔽腔體,并開有8 cm×8 cm的方形孔縫. 另外,在腔體上方開孔,半徑為1 cm,并放置10 cm的線纜,5 cm在腔體外側(cè),5 cm在腔體內(nèi)側(cè). 計(jì)算兩種不同耦合通道的比較系數(shù)[12]. 將其與參考文獻(xiàn)[12]中的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比. 如圖3所示.

從圖3中可以看出,文獻(xiàn)[12]的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合. 驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性.

3 屏蔽線纜接地仿真研究

本文采用CST仿真軟件對(duì)線纜模型進(jìn)行驗(yàn)證仿真,分析不同接地位置和數(shù)目對(duì)線纜的抗干擾性能的影響. 圖4為屏蔽線纜示意圖,主要研究線纜距地高度和長(zhǎng)度變化對(duì)電流的影響. 對(duì)比感應(yīng)電流在不同接地位置的大小,找出最佳接地位置[13],進(jìn)而得到最佳接地方式.

仿真一根線纜放置在7 m×2 m的地平面上,線纜長(zhǎng)度為L(zhǎng),線纜距離地面為h,線纜型號(hào)為同軸線RG58(導(dǎo)體為直徑9.4×10-4m的鍍錫銅、絕緣體為直徑2.95×10-3m的聚乙烯、屏蔽層為直徑3.6×10-3m的鍍錫銅、護(hù)套為直徑4.95×10-3m的聚氯乙烯). 激勵(lì)源使用核電磁脈沖平面波照射,側(cè)面入射,入射方向?yàn)?Z方向,極化方向平行于線纜,為+X方向. 在線纜兩端分別接50 Ω的電阻并接地.

3.1 距地高度和線纜長(zhǎng)度對(duì)電流的影響

基于圖2的線纜模型,通過控制變量法改變線纜距地高度和長(zhǎng)度,仿真線纜單點(diǎn)接地時(shí)線纜上的感應(yīng)電流. 接地點(diǎn)在端點(diǎn)A,當(dāng)線纜長(zhǎng)度為5 m時(shí),改變線纜距地高度h(取0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m);當(dāng)線纜距地高度為0.3 m時(shí),改變線纜長(zhǎng)度L(取 2 m、5 m、8 m、10 m),得到的端點(diǎn)A感應(yīng)電流仿真結(jié)果如圖5、圖6所示.

由圖5、圖6可以看出,線纜距離地面越高,電流越大;線纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),電流越大.

圖5 不同距地高度的端點(diǎn)A感應(yīng)電流波形對(duì)比Fig.5 Comparison of terminal A induced current waveformsat different heights from the ground

圖6 不同線纜長(zhǎng)度的端點(diǎn)A感應(yīng)電流波形對(duì)比Fig.6 Comparison of terminal A induced current waveformswith different cable lengths

3.2 接地點(diǎn)位置變化對(duì)電流的影響

為了研究不同接地點(diǎn)位置對(duì)屏蔽線纜感應(yīng)電流的影響,本文使用線纜單點(diǎn)接地,改變線纜模型中的接地點(diǎn)位置進(jìn)行仿真分析. 如圖7所示,線纜長(zhǎng)度為5 m,距地高度為0.3 m. 接地點(diǎn)與A點(diǎn)之間的距離為d,每次變化步長(zhǎng)為0.2 m,逐漸增加到4.8 m. 在端點(diǎn)及接地點(diǎn)兩側(cè)放置探針,P1和P4是線纜兩端的探針,P2、P3是接地點(diǎn)兩側(cè)的探針. 當(dāng)接地點(diǎn)與A點(diǎn)之間的距離d從0.2 m增加到4.8 m時(shí),依次對(duì)比線纜兩端和接地點(diǎn)兩側(cè)4個(gè)探針相應(yīng)的感應(yīng)電流峰值的變化. 仿真結(jié)果如圖8所示.

圖7 單點(diǎn)接地示意圖Fig.7 Schematic diagram of single point grounding

圖8 4個(gè)探針的感應(yīng)電流峰值變化曲線Fig.8 The peak change curve of induced current of 4 probes

結(jié)果表明,P1和P2的感應(yīng)電流峰值隨著d的增大而增大,P3和P4的感應(yīng)電流峰值隨著d的增大而減小. 接地點(diǎn)位置在2.5 m左右,也就是接地點(diǎn)處于線段中點(diǎn)時(shí),4個(gè)探針的感應(yīng)電流峰值均小于0.2 A,即為最佳接地位置.

以上仿真結(jié)果符合法拉第電磁感應(yīng)定律,即線纜距地高度變高或長(zhǎng)度變長(zhǎng),則閉合回路面積會(huì)相應(yīng)變大,穿過閉合回路的磁通量也隨之變多,感應(yīng)電流變大. 接地位置位于線纜端點(diǎn)時(shí),接地回路面積最大,電場(chǎng)積分路徑最長(zhǎng),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大,相應(yīng)的感應(yīng)電流最大[11]. 所以,在線纜防護(hù)中,鋪設(shè)線纜要盡量減小距地高度;并且連續(xù)線纜長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng),以減小線纜上的感應(yīng)電流,進(jìn)而降低電磁脈沖對(duì)線纜的損害[11];需使用單點(diǎn)接地方式時(shí),要避免端點(diǎn)接地,取中點(diǎn)接地方式最佳.

4 多點(diǎn)接地方式對(duì)電流的影響

為了研究屏蔽線纜單點(diǎn)接地、兩點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地對(duì)線纜感應(yīng)電流的影響,采用核電磁脈沖側(cè)面照射線纜的方式來進(jìn)行仿真分析. 不同接地方式的接地位置示意圖如圖9所示,取線纜長(zhǎng)度為5 m、距地高度為 0.3 m. 線纜單點(diǎn)接地為端點(diǎn)A接地,中點(diǎn)接地為中點(diǎn)C接地,兩端接地為端點(diǎn)A和端點(diǎn)B接地,3點(diǎn)接地為端點(diǎn)A、端點(diǎn)B和中點(diǎn)C接地. 4種不同接地方式均探測(cè)端點(diǎn)A處的感應(yīng)電流進(jìn)行分析. 仿真結(jié)果如圖10和表1所示.

圖9 仿真線纜接地位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the simulation cablegrounding position

圖10 4種不同接地方式的感應(yīng)電流波形對(duì)比Fig.10 Comparison of induced current waveforms of4 different grounding methods

表1 不同接地方式的感應(yīng)電流峰值Table 1 Peak induced currents of different grounding methods

從圖10和表1可以看出,使用三點(diǎn)接地方式時(shí),電流峰值最小為0.087 8 A;其次是兩點(diǎn)接地方式,電流峰值為0.103 8 A;單點(diǎn)接地方式感應(yīng)電流峰值最大,其中端點(diǎn)接地電流峰值為0.293 1 A,中點(diǎn)接地電流峰值為0.199 4 A. 因此,在幾種接地方式中,多點(diǎn)接地時(shí),線纜的抗干擾能力最好,其次是兩端接地,單點(diǎn)接地方式效果最差. 而在單點(diǎn)接地方式中,中點(diǎn)接地比端點(diǎn)接地的感應(yīng)電流要小,抗干擾能力好. 在實(shí)際應(yīng)用中,線纜要使用多點(diǎn)接地方式,而必須使用單點(diǎn)接地方式時(shí),要避免端點(diǎn)接地,取中點(diǎn)接地方式最佳.

5 結(jié)論

屏蔽線纜是連接各個(gè)電子設(shè)備的關(guān)鍵紐帶,也是電磁能量進(jìn)入電子電控系統(tǒng)的重要耦合通道,研究線纜在不同接地方式下的抗干擾能力尤其重要. 本文在理想地平面上使用屏蔽線纜對(duì)不同接地方式、不同接地位置進(jìn)行仿真分析. 結(jié)果表明,在幾種接地方式中,多點(diǎn)接地線纜的抗干擾能力最好,單點(diǎn)接地方式抗干擾能力最差. 其次,在單點(diǎn)接地方式的不同接地位置中,中點(diǎn)接地比端點(diǎn)接地的抗干擾能力強(qiáng). 因此,在車輛內(nèi)各類電子設(shè)備應(yīng)用中,線纜要使用多點(diǎn)接地方式,而必須使用單點(diǎn)接地方式時(shí),要避免端點(diǎn)接地,取中點(diǎn)接地方式最佳. 與此同時(shí),也要綜合考慮車輛系統(tǒng)中的其他電磁干擾的要求,從而保證整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行.