屏蔽線纜的接地仿真研究

朱婷婷,王英浩,莊 偉

(1.南京師范大學計算機與電子信息學院,江蘇 南京 210023) (2.南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇 南京 210023)

大多數軍用車和民用車上的線纜是連接不同設備與系統的重要工具,其功能是傳輸信息和能量. 在外界電磁波干擾下,車輛內部的線纜是引入電磁干擾的一個重要途徑. 線纜通過耦合外界電磁波而產生很大的電流和電壓,并傳輸到車輛內部的電子設備中,嚴重干擾車輛的正常工作. 因此,需要對這種干擾進行抑制,抑制電磁干擾的方法主要有屏蔽、接地和濾波等. 本文主要采用屏蔽線接地的方式進行抑制.

采用屏蔽線纜可以有效地抑制空間電磁場對傳輸線的影響,避免出現通信失效、信號誤差等現象. 也可以降低不同線纜間的輻射和串擾帶來的影響[1]. 影響屏蔽線纜屏蔽效能的關鍵點在于線纜的接地,如果接地不正確非但不會起到屏蔽外界干擾的作用,可能會引入更大的干擾. 電磁干擾隨著線纜進入電子設備內部,嚴重影響車輛的正常性能. 屏蔽層接地后,使得干擾電流經屏蔽層短路入地,從而對線纜傳輸信號起到屏蔽作用[2-6]. 本文主要探討高空核電磁脈沖干擾下,車內屏蔽線纜的最佳接地方式.

1 線纜的接地方式

常用的線纜接地方式一般有單點接地、兩點接地和多點接地. 單點接地常采用端點接地,常用的兩點接地方式指的是接地位置在線纜兩個端點處. 由于波長較長低頻電磁問題常用單點接地,單點接地一般要求地線長度不超過信號波長的二十分之一[7],高頻電場問題由于波長短,單點接地不再適用,于是采用兩點接地. 在更高頻還有多點接地模式,如果設備較為復雜,還可以采用混合接地的方式解決問題[8].

根據法拉第電磁感應定律[9]可知

(1)

圖1 閉環回路面積示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed loop circuit area

式中,ε表示感應電動勢,Φ表示磁通量,B為磁感應強度,t和S分別表示時間和閉環回路面積. 圖1為閉環回路面積示意圖. 當接地位置位于線纜端點時,閉環回路面積最大,穿過閉合電路的磁通量最多,相應的感應電動勢最大. 當線纜的接地位置不在端點處時,相比現有兩端點接地方法,非端點的接地回路面積減小了,穿過閉合電路的磁通量發生變化,在這種情況下的感應電動勢和線纜屏蔽層電流也相應地發生變化,即芯線電流與線纜耦合的電磁能量減小,線纜的屏蔽效能增大[10-11]. 因此,本文主要的研究內容是在線纜上尋找出合適的接地方式以及最佳接地位置,以降低線纜上的感應電流,讓屏蔽線纜的防護效果達到最佳.

2 算例分析

首先通過一個仿真算例[12]來驗證本文方法的準確性. 仿真模型如圖2所示.

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 試驗結果與仿真結果對比圖Fig.3 Comparison of test results and simulation results

圖4 屏蔽線纜示意圖Fig.4 Schematic diagram of shielded cable

在CST軟件中設置核電磁脈沖進行側面照射,入射方向為-Z方向. 仿真結構尺寸為40 cm×40 cm×40 cm 金屬屏蔽腔體,并開有8 cm×8 cm的方形孔縫. 另外,在腔體上方開孔,半徑為1 cm,并放置10 cm的線纜,5 cm在腔體外側,5 cm在腔體內側. 計算兩種不同耦合通道的比較系數[12]. 將其與參考文獻[12]中的實測結果進行對比. 如圖3所示.

從圖3中可以看出,文獻[12]的實測結果和仿真結果基本吻合. 驗證了本文方法的準確性.

3 屏蔽線纜接地仿真研究

本文采用CST仿真軟件對線纜模型進行驗證仿真,分析不同接地位置和數目對線纜的抗干擾性能的影響. 圖4為屏蔽線纜示意圖,主要研究線纜距地高度和長度變化對電流的影響. 對比感應電流在不同接地位置的大小,找出最佳接地位置[13],進而得到最佳接地方式.

仿真一根線纜放置在7 m×2 m的地平面上,線纜長度為L,線纜距離地面為h,線纜型號為同軸線RG58(導體為直徑9.4×10-4m的鍍錫銅、絕緣體為直徑2.95×10-3m的聚乙烯、屏蔽層為直徑3.6×10-3m的鍍錫銅、護套為直徑4.95×10-3m的聚氯乙烯). 激勵源使用核電磁脈沖平面波照射,側面入射,入射方向為-Z方向,極化方向平行于線纜,為+X方向. 在線纜兩端分別接50 Ω的電阻并接地.

3.1 距地高度和線纜長度對電流的影響

基于圖2的線纜模型,通過控制變量法改變線纜距地高度和長度,仿真線纜單點接地時線纜上的感應電流. 接地點在端點A,當線纜長度為5 m時,改變線纜距地高度h(取0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m);當線纜距地高度為0.3 m時,改變線纜長度L(取 2 m、5 m、8 m、10 m),得到的端點A感應電流仿真結果如圖5、圖6所示.

由圖5、圖6可以看出,線纜距離地面越高,電流越大;線纜長度越長,電流越大.

圖5 不同距地高度的端點A感應電流波形對比Fig.5 Comparison of terminal A induced current waveformsat different heights from the ground

圖6 不同線纜長度的端點A感應電流波形對比Fig.6 Comparison of terminal A induced current waveformswith different cable lengths

3.2 接地點位置變化對電流的影響

為了研究不同接地點位置對屏蔽線纜感應電流的影響,本文使用線纜單點接地,改變線纜模型中的接地點位置進行仿真分析. 如圖7所示,線纜長度為5 m,距地高度為0.3 m. 接地點與A點之間的距離為d,每次變化步長為0.2 m,逐漸增加到4.8 m. 在端點及接地點兩側放置探針,P1和P4是線纜兩端的探針,P2、P3是接地點兩側的探針. 當接地點與A點之間的距離d從0.2 m增加到4.8 m時,依次對比線纜兩端和接地點兩側4個探針相應的感應電流峰值的變化. 仿真結果如圖8所示.

圖7 單點接地示意圖Fig.7 Schematic diagram of single point grounding

圖8 4個探針的感應電流峰值變化曲線Fig.8 The peak change curve of induced current of 4 probes

結果表明,P1和P2的感應電流峰值隨著d的增大而增大,P3和P4的感應電流峰值隨著d的增大而減小. 接地點位置在2.5 m左右,也就是接地點處于線段中點時,4個探針的感應電流峰值均小于0.2 A,即為最佳接地位置.

以上仿真結果符合法拉第電磁感應定律,即線纜距地高度變高或長度變長,則閉合回路面積會相應變大,穿過閉合回路的磁通量也隨之變多,感應電流變大. 接地位置位于線纜端點時,接地回路面積最大,電場積分路徑最長,產生的感應電動勢最大,相應的感應電流最大[11]. 所以,在線纜防護中,鋪設線纜要盡量減小距地高度;并且連續線纜長度不宜過長,以減小線纜上的感應電流,進而降低電磁脈沖對線纜的損害[11];需使用單點接地方式時,要避免端點接地,取中點接地方式最佳.

4 多點接地方式對電流的影響

為了研究屏蔽線纜單點接地、兩點接地、多點接地對線纜感應電流的影響,采用核電磁脈沖側面照射線纜的方式來進行仿真分析. 不同接地方式的接地位置示意圖如圖9所示,取線纜長度為5 m、距地高度為 0.3 m. 線纜單點接地為端點A接地,中點接地為中點C接地,兩端接地為端點A和端點B接地,3點接地為端點A、端點B和中點C接地. 4種不同接地方式均探測端點A處的感應電流進行分析. 仿真結果如圖10和表1所示.

圖9 仿真線纜接地位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the simulation cablegrounding position

圖10 4種不同接地方式的感應電流波形對比Fig.10 Comparison of induced current waveforms of4 different grounding methods

表1 不同接地方式的感應電流峰值Table 1 Peak induced currents of different grounding methods

從圖10和表1可以看出,使用三點接地方式時,電流峰值最小為0.087 8 A;其次是兩點接地方式,電流峰值為0.103 8 A;單點接地方式感應電流峰值最大,其中端點接地電流峰值為0.293 1 A,中點接地電流峰值為0.199 4 A. 因此,在幾種接地方式中,多點接地時,線纜的抗干擾能力最好,其次是兩端接地,單點接地方式效果最差. 而在單點接地方式中,中點接地比端點接地的感應電流要小,抗干擾能力好. 在實際應用中,線纜要使用多點接地方式,而必須使用單點接地方式時,要避免端點接地,取中點接地方式最佳.

5 結論

屏蔽線纜是連接各個電子設備的關鍵紐帶,也是電磁能量進入電子電控系統的重要耦合通道,研究線纜在不同接地方式下的抗干擾能力尤其重要. 本文在理想地平面上使用屏蔽線纜對不同接地方式、不同接地位置進行仿真分析. 結果表明,在幾種接地方式中,多點接地線纜的抗干擾能力最好,單點接地方式抗干擾能力最差. 其次,在單點接地方式的不同接地位置中,中點接地比端點接地的抗干擾能力強. 因此,在車輛內各類電子設備應用中,線纜要使用多點接地方式,而必須使用單點接地方式時,要避免端點接地,取中點接地方式最佳. 與此同時,也要綜合考慮車輛系統中的其他電磁干擾的要求,從而保證整個系統安全穩定的運行.