艙室內線纜電磁輻射環境仿真與分析*

肖衛東

(海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海 200129)

艙室內線纜電磁輻射環境仿真與分析*

肖衛東

(海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海 200129)

艙室內大功率電纜的低頻電磁輻射已成為水下平臺敏感系統的主要干擾源之一。論文分析了線纜電磁輻射環境仿真的特點和難點,提出了基于傳輸線法(MTL)和矩量法(MoM)的艙室內線纜電磁輻射環境的仿真方法,并采用系統級電磁兼容仿真軟件EMC Studio構建了艙室和線纜的仿真模型,對比分析了艙壁對線纜輻射電磁環境分布的影響。

艙室; 線纜; 環境仿真; MoM; MTL

Class Number TM15

1 引言

當前,各種系統平臺,特別是水下平臺的艙室內布置了大量的電子機柜和線纜線束,為了使各電子設備均能兼容工作,必須保證各設備具有良好的電磁兼容性,并提供一個良好的電磁環境[1～5]。

長期的實踐證明,對水下平臺電磁兼容構成主要威脅的問題是低頻電磁干擾,特別是各種線纜線束的低頻電磁輻射,大功率的線纜會在艙室內產生低頻電磁場,頻率從幾十赫茲到幾十千赫茲,超過一定限值會影響艙內的敏感系統,如聲納。

為了準確預報大功率線纜在艙室內產生的電磁環境,本文開展了線纜建模方法和低頻輻射環境仿真方法的研究。

2 計算原理分析

水下平臺艙室內線纜是一種極精細的結構,如圖1所示,除了結構復雜的金屬結構外,線纜還含有不同種類的絕緣材料,如果采用MoM建模求解會剖分出大量的網格；若果在加上艙壁等金屬結構所產生的網格,求解未知量劇增。針對此難題,可采用傳輸線法(MTL)[6～8]來模擬各種電纜,通過電子電路法計算出線纜上的分布電流,然后通過MoM計算線纜所產生的輻射場。

基于MTL+MoM法的線纜電磁環境計算[9～11]步驟如下:

1) 計算線纜的等效LC矩陣；

2) 采用集總電路模型在Spice中建立線纜的MTL模型,包括電纜兩端的電路；

3) 采用Spice計算MTL模型,確定沿線纜電流分布；

4) 將MTL計算的傳輸線電流轉換成全波計算方法MoM所采用的外加電流源；

5) 采用MoM計算低頻線纜在艙室內的輻射電磁環境。

具體仿真計算時,采用EMC Studio軟件,專門用于分析設備級、系統級(如飛機、艦船、汽車等)的電磁兼容問題,在同一軟件平臺上,根據分析類型,自動組合矩量法(MoM)、物理光學法(PO)、傳輸線法(MTL)、等效源法(MAS)、電路分析(SPICE)、網絡分析等多種算法。

下面簡要介紹低頻MoM的計算原理。線纜電流分布計算出后,可采用理想導線的電場積分方程進行求解,如式(1)所示。

(1)

在選定基函數和權函數后,應用矩量法的基本原理,方程(1)可以轉化為矩陣方程

(2)

而對于艙壁,采用準靜態近似,認為艙壁為高導電率的薄金屬壁,滿足條件kδ?1,其中k為波數,δ為壁的趨膚深度。基于Maxwell方程,在自由空間場滿足以下關系式:

(3)

在艙壁內電磁場滿足以下關系式:

(4)

建立切向場邊界條件:

(5)

(6)

其中:

或法向場邊界條件:

(7)

(8)

其中:

kc2=iωμσ

然后,利用方程(3)～(6)和切向邊界條件(7)、(8)或者法向邊界條件(9)、(10)構建電場積分方程進行聯合求解。

3 仿真與分析

在EMC Studio軟件中,我們建立了艙室和線纜的仿真模型,如圖2所示,其中艙室尺寸為8m(L)×4m(W)×3m(H),線纜長度為7m,離艙室地面的高度為5cm。

圖2 艙室和線纜的仿真模型

線纜為編織電纜,其內導體直徑為2mm,材料為Copper；編織線外壁直徑為7.2mm,相對介電常數為2.3；編織線外壁厚度為0.36mm,編織線具體的屬性參數如圖3所示。

圖3 編織線具體參數

編織線纜采用電壓源激勵,幅度為1V,相位為0,頻率為10kHz,其激勵等效電路圖如圖4所示。

為對比分析艙壁對線纜輻射電磁環境的影響,求解了同樣位置處電磁場的分布情況,如圖2所示,兩條求解線互相垂直,沿x方向從0m～3m,沿著Z方從0m～3m。

圖4 線纜等效激勵圖

圖5和圖6是有無艙壁時電磁強強度的對比情況。

圖5 電場強度的對比

圖6 磁場強度的對比

從仿真結果分析可得,艙室內電纜電磁輻射的磁場強度比電場強度高約10dB,且編織電纜的低頻輻射以磁場為主,即對電場有較好的屏蔽作用。此外,分析表明艙壁的反射作用對艙室內的電磁環境會造成影響,其幅度需根據具體結構、電纜與艙壁距離、電纜敷設走向,使用本文的計算方法進行分析判斷。

4 結語

各種線纜線束的低頻電磁輻射是水下平臺電磁兼容的主要威脅,本文分析了線纜電磁輻射環境仿真的特點和難點,提出了基于提出了基于傳輸線法(MTL)和矩量法(MoM)的艙室內線纜電磁輻射環境的仿真方法,并采用系統級電磁兼容仿真軟件EMC Studio構建了艙室和線纜的仿真模型,分析表明艙室內電纜電磁輻射以磁場為主,電磁環境受結構布置等影響較大。

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Simulation and Analysis of Cable Electromagnetic Radiation Environment in Cabin

XIAO Weidong

(Naval Plant Representative Office in Hudong-zhonghua Shipbuilding(group) Co Ltd, Shanghai 200129)

The low-frequency electromagnetic radiation of high-power cable in cabin has become one of the main interference sources of underwater platform sensitive system. The characteristics and difficulties of cable electromagnetic radiation environment simulation have been analyzed and a simulation method of cable electromagnetic radiation environment in cabin has been proposed, based on transmission line(MTL) and moment method(MoM) in the paper. Also, the cabin and cable simulation model have been built, using system-level simulation software of EMC Studio. The effects of bulkhead, to the radiation electromagnetic environment distribution of cabin have been compared. The research methods and results of the paper can be used for cable interference analysis on sensitive system.

cabin, cable, environment simulation, MOM, MTL

2014年6月3日,

2014年7月27日

肖衛東,男,高級工程師,研究方向:雷達系統。

TM15

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.052