無人艇的線纜串擾仿真分析及應用

劉子為，劉國禧，王慶娟

（北京理工大學珠海學院 計算機學院，廣東 珠海 519088）

0 引言

近年來，隨著人工智能技術、通信技術等進步，無人艇產業(yè)也進入了高速發(fā)展階段。無人艇一般多為基于某種任務而進行對應目的開發(fā)和性能設計的、一種在可以在復雜水面環(huán)境中遠距離執(zhí)行相關任務的機器人，也可被當看成一套復雜的智能系統(tǒng)，具備環(huán)境感知、目標識別、任務決策、航行控制等功能。隨著無人控制技術的發(fā)展，無人艇內電子設備的種類、數量不斷增加、運行速度不斷提高，且其艙內空間較有人船艇更加狹小，導致艇內電氣設備密度大，電磁環(huán)境更加惡劣，將會干擾無人艇平臺的相關電子設備及線纜，進而極大地影響系統(tǒng)的性能，更有可能嚴重毀壞一些敏感的電子設備。由于無人艇應用的工況環(huán)境相對惡劣，在設計時無須考慮人體舒適度，這就要求無人艇內部設備、器件等具有更高的可靠性和抗干擾能力。由于無人員在艇內，在航行過程中，當無人艇內關鍵設備受到干擾引起設備故障時，將無法及時采取人為干預，可能導致任務失敗。這些均要求無人艇需要具有優(yōu)秀的電磁兼容性能，才能保證其正常航行與作業(yè)。

本文以某型號無人艇內部發(fā)電機的輸出電纜線作為干擾源，以線纜傳導作為傳播路徑，以其周邊的單線、同軸線作為敏感源，從而建立線纜串擾的仿真模型，進而分析時域及參數仿真結果。本項目的仿真工作主要基于電磁仿真軟件CST Cable Studio（CST 電纜工作室）完成。CST 線纜工作室是一款專業(yè)線纜級電磁兼容仿真軟件，基于邊界元法仿真線纜以及周邊三維結構，可以對真實工況下由各類線型構成的數十米長線束及周邊環(huán)境進行信號完整性/電磁干擾/電磁敏感分析，即SI/EMI/EMS 分析，能夠解決線纜線束瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)輻照和輻射雙向等問題。

1 線纜串擾概述

從某一條或多條信號線引入到另一信號線的近場電磁耦合稱之為串擾，主要為線間的電容性耦合和電感性耦合。對其他線產生影響的線是一種干擾線，被干擾線影響的線是一種受害線，可以稱為一種敏感源。由于這種耦合性能會在一定程度上影響受害線的正常工作，從某種意義上說，盡可能地減少該種耦合值成了專業(yè)人員的研究對象。

一般來說，有如下幾種方式會決定了線纜串擾的強度，分別是：耦合電容大小，干擾線上的信號頻率大小，受害線上的接地電容大小以及受害線的驅動能力。于是，針對以上問題，可以得到這幾種線纜串擾的解決方案：一是降低線間產生的耦合電容，即使得線纜之間的距離加大，平行線纜的長度減??；二是增加受害線纜的驅動能力，一般情況下線纜串擾大小隨著受害線的驅動能力值越小而增大，于是可以在接收端增加電容和電阻并聯接地，然后過濾干擾信號，或者可以在電路中安置電壓跟隨器；三是加強受害線的抗干擾性，使得受害線的寬度增加，或者添加屏蔽層等。

2 無人艇內的電磁干擾源與敏感設備分析

本項目主要研究無人艇的電磁三要素，即干擾源、干擾路徑以及受擾源。電磁兼容性主要受驅動、電擊、高速信號等干擾源要素的影響。干擾路徑分為線纜傳導以及空間輻射：線纜傳導即通過電纜線進行傳導，根據材料對干擾程度有不同影響；空間輻射即通過某種介質傳導，根據距離會對干擾程度有不同的影響。受擾源包括天線，傳感器，敏感弱點電路等接收信號的器件。強烈的電磁干擾可能使靈敏的電子設備因過載而損壞。

一般能夠產生較大du/dt 和di/dt 的設備，可被當成干擾源。根據無人艇內部各設備的種類和信號特點，可以將無人艇內部干擾源可分為兩類，一類為電源部分，一類為設備部分。本文以某型號的電推無人艇為分析對象，通過調查后確定電源部分的干擾源包括柴油發(fā)電機、電源充電器/斬波電路等；設備類部分干擾源包括航行控制器（內部自帶的全橋、半橋）、工控機、主控制器（電源可能輸出雜波）、隔離驅動模塊（繼電器等）、動力設備等。無人艇內部CAN 總線、RS486 總線、AD 采集模塊、動力控制模塊等，容易受到周圍電磁場或導線上的干擾，因而被當成敏感設備。

本文將以該型號無人艇艇尾雅馬哈掛機的輸出線纜作為干擾源，線纜傳導作為干擾路徑，周圍的信號采集線纜作為受擾源進行線纜串擾仿真與分析。除此之外，本文設定其他干擾源為理想狀態(tài)，即不會產生電磁干擾，且無人艇其他部件工作正常。

3 仿真模型建立

3.1 艇體結構模型優(yōu)化

線纜周圍三維結構（金屬）對線纜串擾結果影響較大，為了使得仿真結果與實際船艇更加接近，因而首先建立無人艇艇體三維結構模型。對于艇體結構建模，本項目采用艇體設計前期的三維圖紙，還原模型的初級形態(tài)，盡可能地構造船頭以及船身，并且還構造出了船艇內部的各個艙室的大概位置。

為了簡化仿真時間、提升仿真速度，本模型舍去無人艇的非金屬部分，僅保留艇體金屬部分，其原因是非金屬部分對電磁干擾的影響非常小，幾乎可以舍去這部分的電磁效應。同時本模型還在艇體結構中的微小縫隙進行填補，大大降低了后續(xù)仿真的網格數量，從而很大程度的提升仿真速度。

艇體三維結構模型優(yōu)化后，需對其材料的相關屬性進行定義，由于本艇為鋁合金材料，故需在CST 線纜工作室中對其電導率、磁導率等材料屬性進行定義。金屬材料選為鋁合金，類型仿照真實情況下的可損金屬，電導率為3.56×107 S/m，Mu 值為1.0，其余選為默認模式。

3.2 線纜建模

線纜模型建模需要賦予線纜兩個特征，分別為結構信息和電氣特性。本項目先建立結構信息，包括線纜長度、路徑、布局、接地等；然后對建立的線纜路徑段賦予電氣特性，如線纜數量、類型、線徑、材料等，最后將形成完整的線纜模型。

本項目工具實際情況中的艇尾雅馬哈掛機的輸出線纜，即采用16 平電源線，然后在CST 線纜工作室中根據該線纜的具體尺寸進行建模。

為了對比分析不同線纜類型的信號采集線纜受到尾雅馬哈掛機的輸出線纜的串擾程度，本文分別建立單線與同軸線的信號采集線纜模型，其剖面圖分別如圖1所示。

圖1 剖面圖

對于本文研究對象，根據在艇內的艇尾雅馬哈掛機的輸出線纜及周圍信號采集線纜的實際布線情況，在CST 線纜工作室中按照如上的線纜，然后手動添加線纜模型，建成后的線纜在無人艇三維結構中的位置如圖2所示。

圖2 線纜在無人艇三維結構中示意圖

3.3 串擾仿真及分析

本文分別從時域仿真及參數仿真兩個方向，分析艇尾雅馬哈掛機的輸出線纜及周圍信號采集線纜的串擾情況。

3.3.1 時域仿真

通過時域仿真，可以直觀地得到受擾線纜上感應到的串擾電壓值。當無人艇三維結構優(yōu)化、線纜模型建立完成后，接下來在CST 線纜工作室中電路圖界面下建立如圖3所示時域仿真電路。其中電阻值為默認的50 Ω，并在激勵信號線、傳輸信號線、近端串擾信號線、遠端信號串擾信號線上添加4 個探針，分別為P1、P2、P3、P4。

圖3 時域仿真電路圖

為了更好地模擬實際情況，在圖3 中Port1 里添加的激勵源為示波器測得的艇尾雅馬哈掛機的輸出線纜中的實際信號，如圖4 上方的曲線，即P1 值所示。該信號理想狀態(tài)下為12 V 直流輸出，但從圖4 上方的曲線中看出，在實際工作中該信號約為10 V，且其上會疊加上較大的干擾信號，幅值在±10 V 左右。這種幅值變化大的信號需要特別注意，這將會對周圍敏感信號產生較大干擾。

圖4 信號采集線纜為單線時干擾信號

通過時域仿真，可分別得到信號采集線纜分別為單線與同軸線時其上的干擾電壓，如圖4、圖5（兩圖中下面的曲線，即P2 曲線值）所示?？梢?，當信號采集線纜為單線時，單線上的干擾電壓達±5 V 左右，勢必對后端對該信號的處理產生較大影響，如信號誤判等，可能會導致較嚴重后果；而當信號采集線纜為同軸線時，同軸線上的干擾電壓約為0 V，幾乎沒有產生額外的干擾電壓?？梢娡S線的屏蔽效果相較于單線的屏蔽效果好，具有很強的屏蔽性能。

圖5 信號采集線纜為同軸線時干擾信號

3.3.2 S參數仿真

參數（Scattering Parameters）是散射參數，屬于微波傳輸中的一個重要參數，是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，可用于評估二端口反射信號和傳送信號的性能。以二端口網絡為例，為反向傳輸系數，也就是隔離。為正向傳輸系數，也就是增益。為輸入反射系數，也就是輸入回波損耗，為輸出反射系數，也就是輸出回波損耗。換句話說，當有兩條水管連接在左右兩頭且開放不同流速的水時，可能會產生左邊的水一部分流到右邊，一部分流回左邊，或者全部流到右邊或全部流到左邊。此時就可以將這種現象理解成電信號的輸出結果。

基于上述定義，對于線纜線束串擾分析，以干擾源線纜的輸入信號端作為Port1，以受擾線纜的其中一端作為Port2而建立二端口網絡，則代表著干擾源線纜中有多少干擾信號進入了受擾線纜中去。當越小，則代表著兩者串擾風險越小。

在CST 線纜工作室中電路圖界面下建立如圖6所示參數仿真電路。

圖6 S 參數仿真電路圖

本文仿真頻率范圍為100 kHz ～200 MHz。圖中Port1為雅馬哈掛機的輸出線纜一端，其激勵源同時域仿真一樣，而Port2 信號則是采集了線纜一端。為了建立信號通路，上述兩個線纜另一端均采用50 Ω 電阻接地的方式。

通過參數仿真，可分別得到信號采集線纜分別為單線與同軸線時的參數，如圖7、圖8所示?？梢姡?00 MHz 時，當信號采集線纜為同軸線的參數約為-50 dB，而信號采集線纜為單線時的參數約為-15 dB，同軸線的參數小于單線的參數；這說明單線與同軸線之間的串擾風險更小，同軸線的電氣特性具有更高的電磁抗擾性能。同時通過圖7、圖8 比較，可以看出隨著頻率的升高，參數會逐漸增加，則意味著隨著頻率的升高，兩個線纜間的串擾風險將增加。

圖7 信號采集線纜為單線時S21 參數

圖8 信號采集線纜為同軸線時S21 參數

4 建議

通過上述仿真分析可知，同軸線的抗干擾能力遠好于單線，但由于價格成本較高，在無人艇設計時需綜合考慮線纜所在的電磁環(huán)境、所傳輸信號的屬性及線纜成本。于是，在實際情況下的無人艇內部艙室構造中，本文認為以下線纜布線設計和實施的改進方式可以借鑒：

（1）線對不同線纜的電壓等級、功率及傳輸信號特點進行分類。先確定無人艇內部線纜的種類，而后研究其干擾性以及抗干擾線，對布線具有積極意義；（2）盡可能分開布置不同類別的電纜，從源頭阻止線間串擾問題；（3）盡可能屏蔽傳輸高頻及敏感信號的線纜，或跟換為同軸線纜，且屏蔽層應進行多點接地；（4）對于強干擾線纜的周邊布線，盡可能先計算得到周圍的線纜串擾大小，從而確定周邊線纜線束的布線位置及線纜線束類型，以此提高布線水平，減少設計成型后布線整改問題。

5 結論

本文分析了無人艇內干擾源和敏感設備，采用仿真的方法對無人艇內部不同種類線纜的串擾問題進行研究，該方法能夠較準確、快速地仿真出多種線纜間的串擾問題，對后續(xù)的無人艇線纜布局布線及提高無人艇電磁兼容性能具有指導意義。