基于CST的接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽效果影響仿真分析

周 暢，殷 虎，楊華榮，劉 剛，許榮彧，瞿 丹，樊友文

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

0 引 言

隨著我國艦船電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和密集度的不斷發(fā)展和提高，艦船電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電磁兼容問題越來越嚴(yán)重，尤其是艦船上系統(tǒng)和設(shè)備之間的各型電纜，由于距離較近，彼此之間的信號容易發(fā)生串?dāng)_，極易造成電磁干擾，干擾信號通過電纜進(jìn)入系統(tǒng)或設(shè)備以后，又會(huì)干擾系統(tǒng)和設(shè)備的工作，因此電纜的電磁兼容問題是艦船電子系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，越來越受到人們的重視[1-3]。

為了抑制電纜彼此之間的電磁干擾，最常采用的措施是為電纜加裝屏蔽層，并使之接地，接地電阻的大小對于電纜屏蔽層的屏蔽效果具有重要的意義，傳統(tǒng)的研究也對此進(jìn)行了大量的分析，如李明、馮桂山、白同云等研究了接地電阻對于屏蔽層屏蔽效果的作用[4-5]，樊友文、閻毓杰等研究了屏蔽層及屏蔽層電阻對于電纜屏蔽效果的數(shù)值計(jì)算公式，然而，這些研究或者只是定性的分析，或者是將屏蔽層假設(shè)為“理想”金屬管形態(tài)進(jìn)行近似計(jì)算，而實(shí)際工程當(dāng)中，大部分的艦船電纜屏蔽層都是金屬編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)，金屬編織網(wǎng)是大量細(xì)金屬絲成束以后，按照一定的方向排布編織而成，載線與載線之間存在著一定的間隙，這種結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比理想金屬管形態(tài)復(fù)雜，并且這些空隙在微波段與波長相比并非完全可以忽略，因此傳統(tǒng)的電纜屏蔽層模型顯然不能滿足屏蔽層和接地對于現(xiàn)代艦船電纜電磁耦合效應(yīng)影響的精確研究。

本文針對艦船工程中接地電阻對于屏蔽層的屏蔽效果影響的問題，重點(diǎn)討論了接地電阻對于金屬編織網(wǎng)屏蔽層屏蔽效果的影響。基于CST電磁場仿真設(shè)計(jì)平臺，結(jié)合工程實(shí)際，建立發(fā)射及接收電纜三維仿真模型，對不同接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽層屏蔽效果的影響進(jìn)行仿真和分析，研究結(jié)果表明，對于一定長度的電纜，當(dāng)接地電阻低于 150×10-3Ω時(shí)，隨著接地電阻的增加，感應(yīng)電壓最高值對應(yīng)的頻點(diǎn)處金屬編織網(wǎng)屏蔽能力變化不大，其余頻點(diǎn)金屬編織網(wǎng)屏蔽能力略微下降，當(dāng)接地電阻高于150×10-3Ω時(shí)，隨著接地電阻的增加，整個(gè)頻段的感應(yīng)電壓幅值迅速增大，金屬編織網(wǎng)屏蔽效果迅速降低。

1 仿真模型設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，為了精確仿真接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽層的屏蔽效果，本文共選取2種電纜進(jìn)行建模，其中發(fā)射電纜代號為LIFY，接收電纜代號為，R-RG58-CESHI1。

圖1 發(fā)射及接收電纜模型

圖1中，發(fā)射電纜為非屏蔽電纜，接收電纜R-RG58-CESHI1為4層結(jié)構(gòu)，屏蔽層為金屬編織網(wǎng)，其中金屬編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，首先若干金屬細(xì)線并排組成載線，載線按照一定的角度彼此交疊編織形成編織網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)表面不平滑，金屬細(xì)線與細(xì)線之間，載線與載線之間都存在一定的空隙，因此金屬編織網(wǎng)的傳輸阻抗較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的電磁計(jì)算方法難以對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確仿真。

圖2 金屬編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

CST電纜工作室是一款分析電纜、電纜束的電磁仿真軟件，可以定義復(fù)雜電纜及電纜束模型，利用傳輸線理論、電路仿真與 3D全波電磁場仿真的方法得到精確和快速的電磁兼容結(jié)果。

為了研究接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽效果的影響，本文建立仿真模型設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 仿真模型設(shè)計(jì)思路

2 發(fā)射接收電纜模型仿真及分析

按照1章中的步驟設(shè)計(jì)包含金屬編織網(wǎng)屏蔽及接地電阻的電纜綜合模型，利用CST電纜工作室進(jìn)行仿真和計(jì)算。發(fā)射電纜和接收電纜的橫截面結(jié)構(gòu)圖見圖1所示，接收電纜的金屬編織網(wǎng)屏蔽層展開結(jié)構(gòu)圖見圖2所示，載線數(shù)量=16，每條載線的編織線數(shù)量=7，編織線直徑=0.122 mm，載線角度=26°。圖4為發(fā)射電纜和接收電纜仿真模型，此處H=5 cm，L=5 cm，所有電纜長度固定為1 m，其導(dǎo)出的SPICE模型如圖5所示，其中金屬編織網(wǎng)屏蔽層screen為兩端接地，接地電阻均設(shè)為R，R值變化范圍為 10×10-3～5000×10-3Ω，發(fā)射電纜傳輸信號幅度為 1 V，頻率為 0～250×106Hz。

圖4 發(fā)射與接收電纜仿真模型

圖5 電纜 SPICE仿真模型

R值從 10×10-3～5000×10-3Ω，共取 8個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著接地電阻R從10×10-3Ω增加到5000×10-3Ω，接收電纜中的感應(yīng)電壓的最高值的頻率基本保持在145-147×106Hz之間，而其余頻點(diǎn)的幅值則越來越高，并形成幾個(gè)新的峰值，可以判斷，這些感應(yīng)電壓峰值是由于接地電阻變大，導(dǎo)致接收電纜金屬編織網(wǎng)屏蔽層屏蔽能力降低造成的。其中當(dāng)接地電阻R從 10×10-3Ω增加到150×10-3Ω時(shí)，接收電纜中的感應(yīng)電壓最高值的頻率固定在147×106Hz，幅值由0.0178 V變?yōu)?.0118 V，變化較小。

圖6 發(fā)射與接收電纜仿真結(jié)果

而其余頻點(diǎn)對應(yīng)的感應(yīng)電壓幅值略微上升，這是因?yàn)楫?dāng)接地電阻R阻值小于150×10-3Ω時(shí)，接地電阻的阻值整體很小，對金屬編織網(wǎng)屏蔽層的屏蔽效果影響不大，當(dāng)接地電阻R從150×10-3Ω增加到5000×10-3Ω時(shí)，接收電纜中的感應(yīng)電壓最高值的頻率從147×106Hz降低至145×106Hz，幅值由0.0118 V增加至0.0217 V，其余頻點(diǎn)的感應(yīng)電壓幅值也有明顯的上升，其中在3.8×106Hz處，出現(xiàn)第二高峰，峰值為0.0147 V，這是因?yàn)楫?dāng)接地電阻的阻值超過一定的限度時(shí)，其對于金屬編織網(wǎng)屏蔽層的屏蔽效果影響極為明顯，接地電阻的大小成為決定屏蔽層屏蔽效果的主要因素。

綜上所述，對于一定長度的電纜，接地電阻對于金屬編織網(wǎng)屏蔽效果的影響在不同的阻值范圍內(nèi)，表現(xiàn)出不同的規(guī)律，當(dāng)接地電阻阻值較低時(shí)，隨著接地電阻的增加，接收電纜感應(yīng)電壓的峰值變化不大，而其余頻點(diǎn)的感應(yīng)電壓略微上升，當(dāng)接地電阻阻值較高時(shí)，隨著接地電阻的增加，整個(gè)頻段內(nèi)的感應(yīng)電壓都隨之明顯增大，金屬編織網(wǎng)的屏蔽效果急劇的降低。

3 結(jié)論

本文基于CST電磁場仿真設(shè)計(jì)平臺，建立發(fā)射、接收電纜三維仿真模型，對不同接地電阻對金屬編織網(wǎng)屏蔽層屏蔽效果的影響進(jìn)行仿真和分析，研究結(jié)果表明，對于一定長度的電纜，當(dāng)接地電阻低于150×10-3Ω時(shí)，隨著接地電阻的增加，感應(yīng)電壓最高值對應(yīng)的頻點(diǎn)處金屬編織網(wǎng)屏蔽效果變化不大，其余頻點(diǎn)金屬編織網(wǎng)屏蔽效果略微降低，當(dāng)接地電阻高于150×10-3Ω時(shí)，隨著接地電阻的增加，整個(gè)頻段的感應(yīng)電壓幅值迅速增大，金屬編織網(wǎng)屏蔽效果急劇降低。利用這種基于CST電磁場仿真設(shè)計(jì)平臺發(fā)射、接收電纜三維仿真模型，可以精確模擬實(shí)艇復(fù)雜電纜耦合問題，對于定量預(yù)估和解決艦船電磁兼容問題，具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]陳窮.電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊[M]． 北京: 國防工業(yè)出版社，1993.

[2]BELLAND,PIGNARI S A.Estimation of crosstalk in nonuniform cable bundles[C].In Proc.2005 IEEE Int.Symp.on Electromagn.Compat,Chicago,IL,USA,2005,(8): 336-341.

[3]閻毓杰，等.艦艇雙絞線電纜耦合影響預(yù)測與仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012,9(34): 103-106.

[4]李明.電子通訊設(shè)備中接地問題的研究與分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011,6:81-82.

[5]馮桂山，等.屏蔽室接地線對屏蔽效能和信號泄露的影響[J].安全與電磁兼容,2005,3: 85-87.