線纜線束電磁兼容特性仿真分析

薛松，張鈺，劉恩博

（1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇南京，210000；2. 廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司電磁兼容研究所，廣東廣州，510656）

1 引言

1.1 研究背景

電子設(shè)備EMC三要素包括干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備[1]。線纜線束作為電子設(shè)備的重要組成部分，不論是在輻射發(fā)射測(cè)試（CE、RE等）還是抗擾度測(cè)試（CS、RS等）中都是重要的耦合路徑之一[2]。

隨著近年來通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，信號(hào)頻率不斷提升，線纜線束對(duì)電子設(shè)備EMC性能的影響更加突出，單純靠經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足高速電子設(shè)備的要求，通過仿真和測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)線纜進(jìn)行選型和整改是目前業(yè)界主流的解決方案。其中線纜線束的EMC特性仿真一直是一個(gè)難點(diǎn)，主要是線纜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和應(yīng)用環(huán)境的多樣性導(dǎo)致線纜仿真不能在實(shí)際測(cè)試中產(chǎn)生預(yù)期的指導(dǎo)作用。

隨著EMC仿真的快速發(fā)展，線纜電磁兼容特性的仿真也逐漸被重視起來[3]。通過仿真可以指導(dǎo)線纜線束的設(shè)計(jì)以及快速定位產(chǎn)品測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)及測(cè)試效率，降低時(shí)間及物料成本，是線纜線束EMC性能研究的大趨勢(shì)。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)線纜線束仿真技術(shù)的研究非常火熱，主要集中在飛機(jī)、汽車、軌道交通等復(fù)雜系統(tǒng)中。吉林大學(xué)霍亞飛對(duì)強(qiáng)電磁脈沖下的車輛線束建模進(jìn)行了研究，分析了HEMP作用下屏蔽線纜接地位置對(duì)芯線耦合干擾電流的影響。西安電子科技大學(xué)的杜曉昌則對(duì)飛行器上機(jī)載設(shè)備線纜線束的傳導(dǎo)、輻射發(fā)射進(jìn)行了研究，對(duì)6種常見線纜線束的串?dāng)_和電磁敏感度進(jìn)行了仿真計(jì)算。除此之外，還有南京郵電大學(xué)、吉林大學(xué)等多所高校對(duì)車輛、飛機(jī)內(nèi)線纜的電磁兼容性進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者專門對(duì)線纜仿真技術(shù)有較深入的研究，但是對(duì)于不同類型線纜EMC特性仿真的對(duì)比研究較少。

1.3 研究?jī)?nèi)容

本文旨在研究半電波空間中單線、同軸線、雙絞線和屏蔽雙絞線等幾種典型線纜的輻射及抗擾度仿真。通過CST這款業(yè)界成熟的電磁仿真軟件，建立幾種線纜模型，并通過時(shí)域和頻域分別進(jìn)行仿真計(jì)算，探索線纜線束的EMC特性仿真方法。本文研究成果也可適用于其他復(fù)雜載體中線纜線束的電磁兼容特性仿真分析。

2 仿真機(jī)理

線纜線束的EMC仿真包括線纜本身結(jié)構(gòu)的建模，線纜端口激勵(lì)源和負(fù)載建模、線纜傳輸信號(hào)建模及線纜載體建模這幾部分。

線纜線束的仿真分析需要涉及3D電磁場(chǎng)全波仿真及2D電路仿真。其中，3D電磁場(chǎng)全波仿真采取的全波數(shù)值方法，如FITD時(shí)域積分方法或MoM矩量法；2D電路仿真采取的是傳輸線法（TL）。

傳輸線矩陣法是Hugens光傳播模型與等效傳輸線理論相結(jié)合產(chǎn)生的。使用傳輸線矩陣網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流脈沖傳播規(guī)律來模擬電磁場(chǎng)傳播，利用基于矩陣的Maxwell方程和傳輸線方程類比，通過在散射矩陣中計(jì)算并聯(lián)結(jié)點(diǎn)電壓和串連結(jié)點(diǎn)電流得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)大小。

傳輸線法對(duì)線纜進(jìn)行電磁仿真計(jì)算，時(shí)域與頻域仿真均將趨膚效應(yīng)及介質(zhì)損耗考慮在內(nèi)。線纜2D電路仿真仿真包括以下步驟： （1）網(wǎng)格劃分。仿真軟件會(huì)自動(dòng)檢查線纜線束周圍的金屬結(jié)構(gòu)，并對(duì)線纜中每一個(gè)小段的橫截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。（2）模型抽取。提取劃分后的每一個(gè)線纜小段中的傳輸線參量（R、L、C），每一個(gè)小段都會(huì)轉(zhuǎn)化成一個(gè)傳輸線等效電路，最后所有小段的等效電路將連成一個(gè)完整的電路模型，以此代替整個(gè)線纜線束，如圖1所示。（3）計(jì)算求解。對(duì)線纜終端添加適當(dāng)負(fù)載和激勵(lì)，以模擬線纜實(shí)際連接環(huán)境，從而最終求解得出線纜線束上電磁能量時(shí)域與頻域的傳輸特性。

圖1 線纜等效電路示意圖

3 仿真模型

3.1 線纜結(jié)構(gòu)建模

目前常用線纜線束根據(jù)用途一般可分類為功率線纜和信號(hào)線纜兩種，功率電纜用來給設(shè)備供電，信號(hào)線纜顧名思義用來傳輸信號(hào)。

功率線纜常用多股銅芯線纜，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜但是精細(xì)建模很難實(shí)現(xiàn)，需要借助仿真軟件的線纜建模模塊來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)線纜類型較多，常見的有同軸線、非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線等，不同線纜結(jié)構(gòu)差異較大，因此需要單獨(dú)建模分析。對(duì)于同軸線及屏蔽雙絞線，還需要考慮屏蔽層。屏蔽層的屏效直接影響線纜的輻射及抗擾性能。通信線纜類型較多，常見的有同軸線、非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線等。在單一電子設(shè)備上這些線纜一般獨(dú)立連接，但是在車載等復(fù)雜系統(tǒng)中，為了節(jié)省空間，多種線纜一般會(huì)捆扎敷設(shè)，此時(shí)不同線纜線束間距較小，相互耦合的影響不可忽視。

3.2 線纜端接負(fù)載建模

線纜本身建模完成后，需要在線纜兩端添加相應(yīng)器件。對(duì)于線纜對(duì)外輻射研究，在線纜一端添加激勵(lì)源（電壓源或電流源等）另一端添加匹配負(fù)載；對(duì)于線纜抗擾度研究，則在線纜兩端添加匹配負(fù)載。

通過設(shè)置不同的激勵(lì)源可以模擬真實(shí)情況下不同信號(hào)或不同工作模式下線纜的串?dāng)_情況，設(shè)置不同的求解監(jiān)視器從而獲得線纜上的耦合電流或耦合功率，以及線纜對(duì)空間的輻射場(chǎng)強(qiáng)。

3.3 線纜載體建模

本文中將線纜建立在金屬平面上來模擬半電波環(huán)境下的線纜EMC特性。在地面上方添加平面波作為干擾源，波形采用強(qiáng)電磁脈沖波形，上升沿2.5ns，下降沿55ns，峰值場(chǎng)強(qiáng)50kV，如圖2所示。建立金屬平面上方10mm處線纜模型，線纜長(zhǎng)1m，對(duì)比不同類型線纜的抗擾特性仿真計(jì)算結(jié)果。由于屏蔽結(jié)構(gòu)是影響線纜EMC特性的重要因素，因此最后給出了一組不同屏蔽結(jié)構(gòu)下同軸線纜的抗擾特性對(duì)比。

圖2 激勵(lì)源平面波示意圖

在其他案例中可根據(jù)實(shí)際環(huán)境要求可以將線纜導(dǎo)入不同載體模型中，例如車輛、飛機(jī)、機(jī)柜等，盡量還原實(shí)際情況來敷設(shè)線纜從而使得仿真結(jié)果更逼近真實(shí)情況。

4 仿真結(jié)果

4.1 不同類型線纜仿真結(jié)果對(duì)比

四種線纜芯線上的電流時(shí)域特性如圖3所示。由圖3可知，線纜上的電流在干擾場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到后9.8ns附近即可達(dá)到峰值；同軸線的屏蔽層及屏蔽雙絞線的屏蔽層均可極大程度地降低線纜上耦合的電流（下降102數(shù)量級(jí)）。

圖3 芯線感應(yīng)電流的時(shí)域特性

單芯線、雙絞線、同軸線的線芯、屏蔽雙絞線上的電流頻域特性如圖4所示。由圖4同樣可以看出，同軸線的屏蔽層及屏蔽雙絞線的屏蔽層均可極大程度地降低線纜上耦合的電流（下降一個(gè)數(shù)量級(jí)）。

圖4 芯線感應(yīng)電流的頻域特性

4.2 不同屏蔽結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比

線纜屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)其輻射抗擾度影響較大，常見的屏蔽結(jié)構(gòu)包括銅管屏蔽層、鋁箔屏蔽層、銅絲編織層以及這些屏蔽結(jié)構(gòu)組合使用的多層屏蔽結(jié)構(gòu)等，屏蔽層的選取既要考慮線纜的屏蔽效能，也要考慮其對(duì)應(yīng)的成本代價(jià)。

我們選擇RG58同軸線，研究不同屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)仿真結(jié)果的影響。將其屏蔽層分別設(shè)置為固體屏蔽層、金屬箔屏蔽層以及編織屏蔽層三種結(jié)構(gòu)。固體屏蔽層采用扎紋銅管，銅管厚度0.244mm；金屬箔采用縱包鋁箔，覆蓋寬度為0mm，PE層厚度0.051mm，鋁基層厚度0.03mm；編織屏蔽層采用銅絲編織，銅絲直徑0.122mm，一共16股，每一股7根，覆蓋率93.4125%。

通過仿真計(jì)算可以得出，采用固體銅管屏蔽層的線纜芯線上感應(yīng)電流明顯比其他兩種小，而采用編織層的最差，高了104數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)榫幙棇記]有完全屏蔽，外部干擾源通過銅絲的縫隙耦合至芯線導(dǎo)致；鋁箔縱包則沒有縫隙問題，因此芯線感應(yīng)電流相比編織層也少很多，但是由于鋁箔厚度及介電常數(shù)不及固體銅管，因此芯線感應(yīng)電流相比銅管屏蔽方案差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)4類典型線纜的建模仿真，對(duì)線纜在外部場(chǎng)強(qiáng)照射下的抗擾性能進(jìn)行了分析，說明不同線纜抗擾性能不同，屏蔽層對(duì)線纜的抗擾性能有明顯提升，且不同結(jié)構(gòu)屏蔽層屏效相差也很明顯，說明線纜的EMC設(shè)計(jì)研究對(duì)其通過EMC測(cè)試十分必要。

隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，電磁兼容問題日益突出，成為電子設(shè)計(jì)行業(yè)熱點(diǎn)。在EMC測(cè)試中線纜是設(shè)備對(duì)外輻射及受到外部干擾的主要耦合途徑。利用仿真方法介入到線纜的EMC設(shè)計(jì)及性能評(píng)估，是線纜電磁兼容性能提高的重要途徑。本文3D電磁場(chǎng)仿真及2D電路仿真相結(jié)合，研究得出線纜輻射抗擾能力仿真方法。基于本文提出的仿真方法，可獲取空間及線纜上耦合電流、電壓的時(shí)域、頻域特性，以及不同類型、不同結(jié)構(gòu)線纜的屏效差異。本文提出的仿真方法是一種通用方法，同樣可適用于其他系統(tǒng)級(jí)載體如車載、機(jī)載設(shè)備的仿真分析。

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