基于CST的多電纜耦合影響仿真分析

周 暢，楊華榮，許榮彧，劉 剛，瞿 單，樊友文

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430205)

0 引言

隨著我國艦船技術的發展，大量新型的電子電氣設備被廣泛裝備艦船上。艦船設備的集成度、綜合度越來越高，同時也帶來了嚴重的電磁兼容問題。艦船上各個系統與設備之間依靠各種類型的電纜互相連接，有限的敷設空間往往使得這些電纜上的信號彼此耦合，從而發生電磁干擾。尤其是強電類電纜常常對其附近弱電類電纜產生較強的耦合作用，妨礙電纜的正常工作，影響信號的傳輸質量，導致艦船平臺難以正常的運行［1－2］。

在工程電磁兼容中，為了保護重要敏感電纜不受干擾，往往采取屏蔽、接地、雙絞線等方法，對重點敏感電纜進行保護。如何降低電纜因周圍電纜耦合帶來的影響，其前提是建立電纜的電磁耦合仿真模型，通過仿真計算來預估目標電纜所受到的耦合影響。然而，由于計算過程十分復雜，傳統的研究模型接收電纜種類相對單一，如C.R.Paul等［3］研究的非屏蔽傳輸線電纜串擾的頻域響應，Bellan等［4］分析計算的非均勻電纜束的耦合影響，國內樊友文、閻毓杰等［5－6］研究了屏蔽電纜、雙絞線電纜的電磁干擾。對于多種受干擾電纜同時存在時，目標敏感接收電纜所受到電磁耦合影響的參數化建模以及對比研究涉及甚少，而實際工程當中，大量不同種類的電纜往往密集敷設，敏感接收電纜的周邊，很可能同時存在其它不同種類的被干擾電纜，這些電纜雖然自身直接產生的信號很弱，基本可以忽略不計，但是它們的存在會直接影響發射電纜的電磁場，另一方面，受到發射電纜電磁場的影響，這些電纜會向外輻射電磁波，形成二次發射干擾源，因此傳統單一種類接收電纜模型顯然不能滿足對現代艦船復雜電纜耦合研究的需要。

本文針對艦船工程中多種電纜復雜電磁耦合的問題，重點討論了同軸電纜和屏蔽電纜作為接收電纜同時存在的情況下，接收電纜彼此相對位置對目標接收電纜電磁耦合的影響。運用CST電纜工作室平臺，結合工程實際，建立多電纜耦合參數化仿真三維模型，對不同電纜相對位置進行綜合仿真和分析，研究結果表明，屏蔽電纜和同軸電纜作為接收電纜同時存在的情況下，屏蔽電纜中會出現新的電磁耦合，耦合電壓的大小和頻率與同軸電纜的相對位置有關;屏蔽電纜中舊有的耦合電壓大小和頻率受同軸電纜影響相對較小。

1 仿真模型設計思路

如圖1所示，為了準確模擬實際艦船電纜工作狀況，本文共選取3種電纜，其中發射電纜型號為LIFY，接收同軸電纜型號為R－RG58－1，接收屏蔽電纜為我國船用電纜某試驗試用型號。

圖1 多電纜綜合模型Fig.1 Synthesis model of multi-cables

圖1中，接收同軸電纜和接收屏蔽電纜均為4層結構，如果發射、接收電纜與地相對位置較近，寬頻域內幾根電纜彼此的耦合受寄生效應、趨膚效應和介質損耗等因素的影響，將會十分復雜，傳統的經典電磁分析方法明顯不適用于這種復雜模型的快速、準確分析。

CST電纜工作室具有較好的線纜建模和仿真能力，其具體工作流程為:通過良好的人際互動界面建立參數化仿真模型，自動劃分復雜模型網格并提取2D傳輸線參數，分析寄生效應、趨膚效應和介質損耗并導出等效SPICE電路模型，利用3D全波仿真配合電路仿真的方法，快速、準確分析多電纜復雜電磁耦合問題并導出結果。

為了進一步分析和研究同軸電纜的加入對于敏感屏蔽電纜的影響，建立仿真模型設計流程如圖2所示。

圖2 仿真模型設計思路Fig.2 The design method of the simulation models

2 多電纜綜合模型仿真及分析

按照第1節中的步驟設計多電纜綜合仿真模型，使用數值分析軟件CST電纜仿真實驗室平臺進行分析和計算。發射電纜、接收同軸電纜和接收屏蔽電纜的橫截面結構圖見圖1所示。圖3(a)為單接收屏蔽電纜模型;圖3(b)為雙接收電纜仿真模型，為了進行對比分析，保持發射電纜、接收屏蔽電纜與圖3(a)中一致，同軸電纜按照A、B、C、D、E、F標志所在位置，取6個不同的位置分別進行仿真計算。此處h1=5 cm，h2=5 cm，L0=5 cm，L1=1 cm，L2=1 cm，L3=0.5 cm，所有電纜長度固定為1 m，發射電纜傳輸信號幅度為100 V，頻率為0～250×106Hz。

圖3 多電纜仿真模型Fig.3 Simulation models of multi-cables

單接收屏蔽電纜模型仿真結果如圖4所示。

圖4 單接收屏蔽電纜模型仿真結果Fig.4 Simulation result of single receiving cable model

仿真結果表明，當接收屏蔽電纜只受到發射電纜作用時，其耦合電壓峰值為0.55 V，頻率為149 ×106Hz。

圖3(b)中的模型共6個，仿真結果如圖5所示。

可以發現，相比單一的發射電纜+接收電纜模型，同軸電纜加入后，接收屏蔽電纜中除了原有的位于149×106Hz處的耦合電壓，在142－148×106Hz之間，出現了新的、較強的耦合電壓，可以判斷，這一耦合電壓是由于同軸電纜在發射電纜電磁場的影響下形成二次輻射造成的。

圖5 雙接收電纜仿真結果Fig.5 Simulation results of dual receiving cables models

其中，當同軸電纜位于A，B，C三處，即:發射電纜和接收電纜同一平面時，電磁耦合的變化最為明顯，其最大耦合電壓都超過了1 V，大大超過了D，E，F處的0.87 V，0.47 V和0.48 V，此外，當同軸電纜位于相對發射電纜較近的A點時，接收電纜在149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.57 V，在146×106Hz在處新出現的電磁耦合電壓值為1 V，而當同軸電纜靠近接收電纜，移動到B點時，原來149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.48 V，基本不變，新出現的電磁耦合電壓峰值則提高到1.5 V，頻率由146×106Hz降低到144.5×106Hz，這是因為同軸電纜靠近接收屏蔽電纜，對其影響加強，

因此耦合電壓峰值上升。同軸電纜移動到C點，進一步靠近屏蔽電纜時，149×106Hz處的耦合電壓峰值為0.54 V，新出現的耦合電壓峰值則降為1.38 V，頻率也下降到142.7×106Hz，耦合電壓峰值之所以下降，是因為同軸電纜距離發射電纜過遠，導致其二次輻射能力下降，同時，原來149×106Hz處的電磁耦合電壓值為0.49 V，頻率基本不變，幅值變化也較小。

綜上所述，相比較單一的發射電纜+接收電纜模型，同軸電纜的加入會在接收屏蔽電纜中激起新的電磁耦合，當同軸電纜位于發射電纜和接收屏蔽電纜同一平面中間位置時，其激起的電磁耦合電壓幅值最高，同時屏蔽電纜中原先已經存在的電磁耦合電壓受同軸電纜的影響相對較弱，其頻率基本不變，幅值變化也相對較小。

3 結語

本文基于CST電纜工作室平臺，建立了多電纜耦合參數化仿真模型，分析了多種不同種類電纜共存時的電磁耦合影響。仿真結果表明，相比較單根接收屏蔽電纜體系，屏蔽電纜和同軸電纜作為接收電纜同時存在的情況下，接收屏蔽電纜中會產生新的、較強的電磁耦合，新電磁耦合的幅值和頻率與同軸電纜的相對位置有關，當同軸電纜位于發射電纜和接收屏蔽電纜同一平面中間位置時，其激起的電磁耦合電壓幅值最高，達到1.5 V，幾乎是接收電纜原有電磁耦合電壓峰值的3倍;同時屏蔽電纜中原有的電磁耦合受同軸電纜影響相對較小。利用這種多電纜耦合模型，可以快速分析多電纜復雜電磁耦合問題，對于現代艦船電纜電磁兼容預估和預防具有重要的指導意義。

［1］ 陳窮，等．電磁兼容性工程設計手冊［M］．北京:國防工業出版社，1993．

［2］ 樊友文．艦艇內電纜耦合及分類敷設研究［J］．艦船電子工程，2003(4):79－81．

［3］ PAUL C R．Analysis of multiconductor transmission lines［M］．New York:John Wiley Interscience，1994．

［4］ BELLAND，PIGNARI S A．Estimation of crosstalk in nonuniform cable bundles［C］．In Proc．2005 IEEE Int．Symp．on Electromagn．Compat，Chicago，IL，USA，Aug，2005，8 －12:336 －341．

［5］ 樊友文，閻毓杰，許榮彧．屏蔽電纜的耦合影響分析［J］．艦船科學技術，2011，33(7):71 －74．FAN You-wen，YAN Yu-jie，XU Rong-yu．Analysis of the coupling effects on shielded cobles［J］．Ship Science and Technology，2011，33(7):71 －74．

［6］ 閻毓杰，許榮彧，劉鋼．艦艇雙絞線電纜耦合影響預測與仿真［J］．艦船科學技術，2012，34(9):103 －106．YAN Yu-jie，XU Rong-yu，LIU Gang．The prediction and simulation of the coupling offects on twisted-pair cobles of ship［J］．Ship Science and Technology，2012，34(9):103－106．