平行線纜的串擾耦合仿真研究

李玉峰　林鵬　孫文秀　劉裕

摘? 要：在飛機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）設計中，量化各類信號電磁干擾程度是重要的研究內容。文章基于CST軟件構建平行線纜系統(tǒng)仿真模型，研究了發(fā)射線纜注入單源干擾時，線纜隔離間距、線纜離地高度及線纜類型幾種要素對接受線纜上串擾耦合的影響；并對同一線束中不同頻率的雙源混合信號傳輸體系進行了仿真對比研究，為混合信號在電子設備傳輸中的串擾分析提供了一定的研究基礎。通過仿真結果表明，串擾耦合電壓隨著線纜隔離間距減小、線纜離地高度增加而增大；屏蔽線可以有效降低電磁干擾；在混合信號傳輸中高頻信號對串擾波形及耦合量影響較為嚴重。

關鍵詞：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)；串擾；平行線纜；耦合仿真

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）13-0063-05

Research on Crosstalk Coupling Simulation of Parallel Cables

LI Yufeng， LIN Peng， SUN Wenxiu， LIU Yu

（College of Electronic and Information Engineering， Shenyang Aerospace University， Shenyang? 110136， China）

Abstract： In the design of aircraft Electrical Wiring Interconnection System （EWIS）， it is an important research content to quantify the degree of electromagnetic interference of various signals. This paper builds a parallel cable system simulation model based on CST software， and studies the influence of cable isolation distance， cable ground height and cable type on the crosstalk coupling on the receiving cable when single-source interference is injected into the transmitting cable. The simulation and comparison research of the dual-source mixed-signal transmission system with different frequencies in the same wiring harness is carried out， which provides a certain research basis for the crosstalk analysis of the mixed-signal in the transmission of electronic equipment. The simulation results show that the crosstalk coupling voltage increases with the decrease of the cable isolation distance and the increase of the height of the cable from the ground. The shielded wire can effectively reduce the electromagnetic interference. In the mixed signal transmission， the high frequency signal has a serious influence on the crosstalk waveform and coupling amount.

Keywords： electrical wiring interconnection system; crosstalk; parallel cable; coupling simulation

0? 引? 言

飛機機載電子系統(tǒng)多采用模塊化設計，機載設備之間需要大量的電纜連接，進行信號或能量的傳輸，由于電氣線路系統(tǒng)易發(fā)生故障，飛機不能保持平穩(wěn)飛行和著陸，導致了一些嚴重飛行的事故的發(fā)生[1，2]，美國聯(lián)邦航空局在2007年對FAR25部第123號修正案做出了相應修正，增加了電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)部分，簡稱為EWIS[3]。該系統(tǒng)對飛機線束的布置設計提出了嚴格的適航要求，以解決電氣線路互連系統(tǒng)的電磁兼容問題。

自然雷電、核爆或電磁武器襲擊產生的電磁脈沖會通過空間耦合進入飛機內部電纜中，從而干擾機載設備的正常工作[4]。此外，電纜內由于電磁脈沖產生的強電流干擾還會向周圍空間輻射，串擾附近的正常工作的電纜，干擾其他的機載設備[5-7]，這也是EWIS適航設計的重要內容。

在國內飛機的EWIS設計過程中，不同頻率傳輸信號混合干擾的研究比較少，因此有必要通過理論分析來建立EWIS線纜串擾的仿真模型，從而計算出不同干擾條件下的線纜間電磁干擾強度。本文首先研究了線纜輸入單源干擾時，在不同隔離間距、不同離地高度和不同線纜類型等要素下串擾的響應；進而在此基礎之上分析了不同頻率的雙源信號混合干擾的串擾響應。

1? 線纜仿真理論

CST是一款三維高頻電磁場仿真軟件，不僅可以對單個器件進行優(yōu)化設計，還可以對整體系統(tǒng)進行協(xié)同仿真，其中包含8個工作室子軟件。本文則是基于CST電纜工作室來搭建串擾的仿真模型，并進行建模仿真。CST電纜工作室中有如單線、雙絞線、屏蔽線、同軸線、捆扎線等多種線型的電纜模型庫和電路集總單元庫。

研究線纜線束串擾的方法有多種，主要包括集總參數電路模型法、電磁場數值法和傳輸線法，傳輸線法求解步驟相對簡單，計算機容易實現(xiàn)，且結果也相對準確[8]，所以本文根據傳輸線理論[9]，以共地平行線纜為研究對象，模擬線纜上的分布參數對傳輸信號的影響，進而得出線纜之間的串擾耦合結果。共地平行線纜示意圖與其等效電路圖分別如圖1、圖2所示。1號線纜需要注入干擾信號，稱之為發(fā)射線纜，其中一端接有內阻抗為Z0的干擾源Es，另一端接負載電阻ZL；2號線纜的兩端均接負載電阻ZL，接收來自發(fā)射線纜的輻射干擾，稱之為接收線纜。NEXT表示近端串擾，F(xiàn)EXT表示遠端串擾，兩根線纜間距為d，距地面高度均為h，線纜長度均為L，通過公共的接地點形成閉環(huán)回路。每根線纜都有分布電阻、分布電感，兩根線纜之間存在互電容、互電感，兩根線纜與地面之間還存在分布電容。

發(fā)射線纜與接收線纜的單位長度電阻分別為RT、RR，單位長度電感分別為LT、LR，單位長度電容分別為CT、CR，兩根傳輸線纜之間的單位長度互電感、互電容分別為LM、CM。

應用基爾霍夫定律，令?z→0時，有：

所以當得到了線纜線束的分布參數后，代入式（1）中即可得出接收線纜上的串擾電壓和串擾電流。

2? 單源信號對串擾的影響

串擾耦合的大小作為系統(tǒng)電磁兼容性指標可以衡量線纜之間互相干擾的程度[10，11]。若兩根線纜上的信號相互影響，嚴重時會影響到電氣線路系統(tǒng)的正常工作，危及飛機飛行安全。線纜隔離間距、線纜離地高度等因素都可以影響線纜串擾耦合，本節(jié)針對上述因素在單個干擾源的情況下進行了線纜的串擾分析，并對比研究了有無屏蔽措施的線纜及扭絞線的抗干擾能力。

依據實際工程中使用的導線規(guī)范，在CST電纜工作室的數據庫中生成串擾仿真所需要的單線、雙絞線、同軸線和屏蔽雙絞線，并構建圖1所示的仿真模型。在模型中取參考地的尺寸為長2 m，寬1 m，無厚度，材質為PEC（Perfect Electric Conductor）。發(fā)射線纜與接收線纜的負載阻抗均為50 Ω。

本節(jié)使用的干擾源選用方波信號，具體參數為：Vpulse為20 V，Ttotal為1 μs，Tdelay為0.05 μs，Trise為

0.05 μs，Thold為0.7 μs，Tfall為0.05 μs。干擾信號波形圖如圖3所示。

2.1? 線纜隔離間距對串擾耦合的影響

發(fā)射線纜與接收線纜均采用軟件數據庫中型號為22AWG的單芯非屏蔽導線，兩根線纜離地高度h均為5 cm，線長L均為1 m。線纜隔離間距d分別以5、10、15 cm進行仿真。接收線纜上近端串擾耦合電壓值隨線纜隔離間距的變化曲線如圖4所示。

從圖4的仿真結果中得出，在相同的發(fā)射與接收條件下，線纜隔離間距為5、10、15 cm時，接收線纜上的串擾耦合電壓峰值分別為0.380 7、0.292 6、0.127 6 V?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著線纜隔離間距不斷地增大，線纜間的串擾耦合效應是有明顯地減弱，這是因為當其他條件沒有發(fā)生變化時，隔離間距增大，線纜間的互電感、互電容都會隨之減小，從而降低了接受線纜上的串擾電壓。因此在實際的工程中，可以考慮適當增加線纜的隔離間距。

2.2? 線纜離地高度對串擾耦合的影響

發(fā)射線纜和接收線纜仍然使用單芯非屏蔽導線22AWG，兩根線纜長度L均為1 m，線纜隔離間距d為5 cm。線纜離地高度h分別以5、10、15 cm進行仿真。接收線纜上近端串擾耦合電壓值隨線纜離地高度的變化曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結果中得出，在相同的發(fā)射與接收條件下，線纜離地高度為1、5、10 cm時，接收線纜上的串擾耦合電壓峰值分別為0.094 9、0.380 7、0.636 1 V。從結果中可以明顯看出線纜越接近地面，接收線纜上的串擾電壓值是越小的。這是因為當線纜離地高度降低，在其他條件不變的情況下，線纜與地面之間所構成的回路面積減小，這樣就使得回路中的磁通量變小，進而減弱了耦合效應。所以在實際布線時，要充分考慮到讓線纜線束更貼近地面或殼體表面。

2.3不同線纜類型對串擾耦合的影響

發(fā)射線纜采用單芯非屏蔽導線22AWG，兩根線纜離地高度h均為5 cm，線纜長度L均為1 m，線纜隔離間距為5 cm。接收線纜分別以單芯非屏蔽導線22AWG、雙絞線UTP_LIFY_1qmm、同軸線RG316和自定義的屏蔽雙絞線進行仿真，其中同軸線和自定義屏蔽雙絞線中的屏蔽層均使用銅編織網。接收線纜上的近端串擾耦合電壓值隨線纜類型的變化曲線如圖6所示。

從圖6的仿真結果中得出，在相同的發(fā)射與接收條件下，接受線纜類型分別選擇單芯非屏蔽導線、雙絞線、同軸線和屏蔽雙絞線時，串擾耦合電壓峰值分別為0.380 7、1.584 9、0.001 5、0.003 4 V。根據結果可以看出雙絞線受到的串擾明顯高于其他類型線纜，這是由于雙絞線內部有兩根導線互相纏繞，其內部可以直接構成回路，在仿真模型中并沒有接地，所以串擾電壓較大。而同軸線和屏蔽雙絞線內部有屏蔽層，屏蔽層可以很好地將電磁波進行反射或吸收，這樣不僅可以防止外來電磁干擾，還可以阻止自身的內部信號向外輻射干擾。相對于單芯非屏蔽導線和雙絞線，屏蔽線的串擾幾乎可以忽略。所以在同等條件下，具有屏蔽措施對抑制線間串擾有明顯的效果。

3? 不同頻率混合信號對串擾的影響

由于機載平臺實際所承載的線纜數量龐大，種類繁多，通常情況下需要捆扎成束，在同一線束中，傳輸不同信號的線纜密集排布，導致線纜之間極易互相影響信號的正常收發(fā)。接受線纜上的串擾耦合量是由每根發(fā)射線纜對被擾線共同作用的結果，即多對一耦合[12]，所以為了研究同一線束中混合信號對于串擾耦合的影響，基于文中第二節(jié)的仿真模型，增加了一條發(fā)射線纜，線束截面位置模型圖如圖7所示。

圖7中，設線束內部由10根導線所構成，并進行編號。取線4為接收線纜，線9與線10為輸入不同頻率信號的發(fā)射線纜，線型均為22AWG單芯非屏蔽導線。線9輸入頻率為0.01 MHz的三角波信號，Ttotal為100 μs，Trise為30 μs，Tfall為30 μs，Tdelay為20 μs。線10分別輸入不同頻率的正弦波信號。信號幅值均為20 V，線9和線10中心連接線的中點與線4中心的距離D為5 mm。接收線纜上的近端串擾耦合電壓值隨不同頻率混合信號的變化曲線如圖8所示。

從圖8的仿真結果中可以得出，線9輸入的三角波信號與線10分別輸入0.01、0.1、1 MHz的正弦波信號混合時，串擾電壓最大幅值分別為0.012 4、0.085 4、0.775 9 V。隨著輸入的正弦波頻率的增大，串擾電壓波形逐漸開始保持正弦波的形態(tài)平穩(wěn)振蕩。

根據上述結果，0.01 MHz的三角波信號與1 MHz的正弦波信號混合輸入會相對產生較大的干擾。為了進一步分析屏蔽措施對于串擾的影響，將線10的單芯線外加入一層編織型防波套，繼續(xù)輸入1 MHz的正弦波信號進行仿真，與單芯非屏蔽導線的串擾耦合對比如圖9所示。從圖中可以明顯看出，對發(fā)射線纜線10加入了防波套之后，串擾耦合可以降低兩個數量級，對接收線纜的干擾有大幅度地降低。所以為了在同一線束中保證各信號可以正常收發(fā)，要對較高頻率的信號增加屏蔽措施或使用屏蔽線進行信號的傳輸。

4? 結? 論

本文基于CST電纜工作室構建平行線纜的仿真模型，分別仿真分析了輸入單源信號干擾時，線纜隔離間距、線纜離地高度、線纜類型對串擾的影響，和同一線束中輸入不同頻率的混合信號對串擾的影響，通過仿真數據的分析可對實際工程中飛機的EWIS設計提供一些相應的參考：

1）布局設計。在布局上可以通過增大線纜隔離間距和減小線纜的離地高度來降低線間串擾程度。由于機載空間狹窄，線纜應分類型敷設，采用最小的間距將各類線纜分開，屏蔽線可適當減小線纜間距。

2）屏蔽措施。在同一線束中傳輸不同頻率的混合信號時，對較高頻率信號的傳輸線外部可增加防波套等金屬套管，或改用屏蔽線進行傳輸。在某些復雜的傳輸系統(tǒng)中也可以采取雙層屏蔽的措施來避免干擾。

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作者簡介：李玉峰（1969—），男，漢族，遼寧沈陽人，教授，博士，研究方向：圖像處理與傳輸技術；林鵬（1996—），男，滿族，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向：信息獲取與處理技術；孫文秀（1992—），女，漢族，遼寧丹東人，講師，博士，研究方向：電磁無損檢測；劉裕（1998—），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向：信息獲取與處理技術。