基于CST軟件仿真的線束隔離研究

劉巖東　劉　洋 /

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110000)

0　引言

因電氣線路故障導致了一些嚴重的飛行事故的發生，FAA(Federal Aviation Administration)于2007年年底通過了25-123號修正案做出的更改，在FAR-25中增加H分部。EWIS 是“電氣線路互聯系統”的簡稱[1]，以此為所有新機型的EWIS適航審定提出了明確的要求[2]，其中通過隔離等方式防止電弧和電磁干擾是重要的適航審定內容[3]。

在飛機設計前期確定線束隔離代碼及隔離規范是EWIS設計的基礎，即按照導線所承載的電流強度和信號敏感強度將其分為不同種類，按照一定的規則進行成束綜合設計，相同信號類型的導線可以綁扎為一束，而不同類別的導線必須按照一定的距離敷設。同時，根據機上不同的使用環境，使用同軸電纜、屏蔽電纜或扭絞電纜來減少電磁干擾。由于線束與線束、線束與機體結構之間有了足夠的物理隔離，也在一定程度上防止了電弧發生。因此，建立合理的線束敷設的隔離規范，不但可以減小電磁干擾，也是預防電弧的一項重要方式。

在國內民用飛機EWIS設計和適航取證過程中，線束隔離距離缺少足夠的實際運營數據，因此有必要通過理論分析和仿真模擬，建立EWIS線纜間電磁干擾的量化模型，計算不同條件下線纜間的電磁干擾強度，從而達到設置合理隔離距離及通過增加適當屏蔽防護解決問題的目的。

1　隔離距離仿真

1.1 CST軟件

CST軟件是以MWS-Microwave Studio為核心，在Mafia軟件基礎上推出的三維高頻電磁場仿真軟件。其電磁仿真平臺不但能夠對孤立器件進行優化，還能夠在全局層面上對整個系統的各個部件進行協同優化設計，形成全新的系統組合仿真技術，它將復雜的電磁系統分解為簡單系統，并采用最優的電磁或電路算法進行快速精確地仿真，從而對整個系統進行高效的優化設計。

本研究采用多導體傳輸線法進行仿真分析，在傳輸線上只傳輸橫電磁波為假設條件，應用多導體傳輸線方程，模擬傳輸線的分布參數對導線上傳輸的信號的影響，從而計算出串擾的結果。該分析模型求解步驟相對簡單，易于計算機實現，得到的結果也較為精確。

1.2 構建模型

共地平行線纜如圖1所示，有干擾源的稱為發射線纜，受影響的稱為接收線纜。線纜長度為l，線纜間距為d，線纜距地板高度為h。發射線纜一端接激勵源ES,另一端接負載ZL；接收線纜兩端都接負載ZL。

圖1　平行共地線纜示意圖

依據實際工程中大量使用的MIL-W-22759導線規范，在軟件數據庫中生成仿真所需的AWG8以及AWG24線規的導線，滿足NEMA WC27500規范的24線規單芯屏蔽電纜、雙扭絞電纜以及屏蔽雙扭絞電纜等。

取線纜下模擬地的鋁板長2 m、寬0.4 m、厚度5 mm，發射線纜為AWG8的單芯非屏蔽導線, 接收線纜為AWG24的單芯非屏蔽導線、雙芯扭絞及單芯屏蔽導線，導線長度l均為1 m，距地板高度h為10 mm，負載特性阻抗ZL為10 Ω。圖2所示正弦交流電激勵信號，頻率為400 Hz，電壓幅度為115 V。

圖2　正弦交流電激勵信號

1.3 三種構型的仿真

以AWG8的單芯非屏蔽導線為發射線纜，分別以AWG24單線芯非屏蔽線纜、AWG24雙扭絞非屏蔽線纜和AWG24單芯屏蔽線纜為接受端，取間距d分別為2 in(1 in=2.54 cm)和4in時,接收線纜上串擾電壓值隨線纜間距變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3　線纜間距2 in時接收線纜串擾信號

圖4　線纜間距4 in時接收線纜串擾信號

保持發射端線纜設置不變，間距d取為4in，分別以AWG24雙芯扭絞和AWG24單芯屏蔽線纜為接收端，所得信號值及前述信號值見表1。

表1　三種構型仿真串擾結果

從以上結果能夠得出：

1)相同發射、接受條件下，距離能夠降低串擾影響，如表中的0.621 V降為0.211 V；

2)同距離條件下，雙芯扭絞形式導線可以大幅降低串擾影響，如0.211 V降為0.009 V；

3)同距離條件下，屏蔽形式導線可以幾何量級降低串擾影響，如0.211 V降為0.001 25 V，當系統對線纜的要求進一步提高，單芯導線和雙扭絞導線不能滿足所需指標時，可以選擇采用屏蔽導線。屏蔽導線是具有高效屏蔽效能的傳輸線，不僅能有效抑制對傳輸線路的串擾，也能夠降低線纜內部傳輸的信號對周圍的電磁干擾。

2　典型EWIS隔離規范定義

EWIS隔離規范通常指如何按一定的規則區分承載機上系統電源、信號的線路，定義線路隔離代碼，以此將這些線路設計成線束，同時各種線束之間必須保持一定的隔離距離進行敷設，以防止EMC干擾和電弧的產生。如HB6524-91規定將線路按照信號分為I～VI類線路[4]，但經過20多年的發展，此規定對于現代民用飛機的設計具有一定的局限性。本研究對某型飛機線路特性和功能進行具體分析，按照系統的功能、EMC特性和冗余特性提出了一種新型隔離規范，具體定義如下：

圖5　典型隔離規范定義

不同系統功能代碼、冗余的線束，按照其系統本身特點，具有專門的物理隔離要求，其要求與EMC代碼共同決定了線束的隔離，一般選擇數值要求大的為實際規定要求。本文不討論系統功能及余度代碼對隔離的影響。

表2　電磁兼容代碼定義

不同EMC代碼之間的隔離距離如表3所示。

表3　EMC代碼隔離距離(單位：in)

3　隔離距離規范的仿真驗證

每條接收線纜上的串擾值都是其他發射線纜共同作用的結果，即多對一耦合，因此需要對每條發射線纜在干擾線纜上產生的耦合電壓進行疊加。疊加是分析串擾的一個重要原則。假設當接收線纜上的電壓為0 V時，5 V的方波差分信號在接收線纜上產生的串擾噪聲電壓為300 mV。當接收線纜傳輸5 V的方波差分信號時，其上產生的串擾噪聲電壓仍為300 mV，此時接收線纜上的總電壓為原有的信號和串擾信號電壓之和。如果有多條發射線纜將噪聲耦合到同一條接收線纜上，則接收線纜上的總串擾電壓為所有串擾電壓之和。

依托所建立仿真分析方法，結合項目中EWIS布線設計在EMC方面分類，可針對每個EMC分類，各選用一種代表性信號，進行隔離距離驗證。根據對不同EMC信號的定義，選取適當的典型信號及線纜規格，如表4所示。

表4　信號及線規選取

依據表4中對信號屬性及表3中對EMC隔離的要求，每組仿真選用高發射功率和接受敏感的EMC代碼分別作為接收線纜和發射線纜，以6 in為距離進行仿真驗證，結果見表5。

表5　分組仿真結果

從仿真結果可以得出：

1)1類對3類線的串擾電壓最大幅值為0.011 V，表明該敏感線路系統允許的串擾值應大于0.011 V，否則應采用加大距離、使用屏蔽等防護措施；

2)2類對3類的串擾電壓最大幅值0.008 V，表明該敏感線路系統允許的串擾值應大于0.008 V，否則應采用加大距離、使用屏蔽等防護措施；

3)1類信號對4類線的串擾電壓最大壓幅值為0.004 8 V，表明該線路系統允許的串擾值應大于0.004 8 V，否則應采用加大距離、使用屏蔽等防護措施；

4)2類信號對4類線的串擾電壓最大幅值為0.002 4 V，表明該線路系統允許的串擾值應大于0.002 4 V，否則應采用加大距離、使用屏蔽等防護措施。

4　結論

經過非屏蔽導線平行線纜間、雙扭絞導線平行線纜和屏蔽導線串擾仿真，以及承載不同EMC信號線路隔離距離的驗證，可以得出以下結論：

1)距離對于平行線纜的串擾影響非常大，隨間距減小，干擾影響程度急劇上升；

2)使用扭絞和屏蔽保護材料是減少線纜串擾影響的有效措施；

3)不同EMC信號線路的隔離距離能夠在很大程度上影響系統的工作，如果系統本身允許的范圍小于干擾值，應采取增大隔離距離、使用屏蔽或扭絞等措施進行保護。

在實際設計中，可以采用此原則進行初步隔離設計，對民用飛機的EWIS設計具有一定的參考意義。