線纜線束電磁兼容特性仿真分析

薛松，張鈺，劉恩博

（1.南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇南京，210000；2. 廣州廣電計量檢測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

電子設備EMC三要素包括干擾源、耦合路徑和敏感設備[1]。線纜線束作為電子設備的重要組成部分，不論是在輻射發射測試（CE、RE等）還是抗擾度測試（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的高速發展，信號頻率不斷提升，線纜線束對電子設備EMC性能的影響更加突出，單純靠經驗已經不能滿足高速電子設備的要求，通過仿真和測試相結合的方法對線纜進行選型和整改是目前業界主流的解決方案。其中線纜線束的EMC特性仿真一直是一個難點，主要是線纜結構的復雜性和應用環境的多樣性導致線纜仿真不能在實際測試中產生預期的指導作用。

隨著EMC仿真的快速發展，線纜電磁兼容特性的仿真也逐漸被重視起來[3]。通過仿真可以指導線纜線束的設計以及快速定位產品測試風險點，大大提高產品設計及測試效率，降低時間及物料成本，是線纜線束EMC性能研究的大趨勢。

1.2 研究現狀

目前國內外對線纜線束仿真技術的研究非常火熱，主要集中在飛機、汽車、軌道交通等復雜系統中。吉林大學霍亞飛對強電磁脈沖下的車輛線束建模進行了研究，分析了HEMP作用下屏蔽線纜接地位置對芯線耦合干擾電流的影響。西安電子科技大學的杜曉昌則對飛行器上機載設備線纜線束的傳導、輻射發射進行了研究，對6種常見線纜線束的串擾和電磁敏感度進行了仿真計算。除此之外，還有南京郵電大學、吉林大學等多所高校對車輛、飛機內線纜的電磁兼容性進行研究。國內也有學者專門對線纜仿真技術有較深入的研究，但是對于不同類型線纜EMC特性仿真的對比研究較少。

1.3 研究內容

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這款業界成熟的電磁仿真軟件，建立幾種線纜模型，并通過時域和頻域分別進行仿真計算，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雜載體中線纜線束的電磁兼容特性仿真分析。

2 仿真機理

線纜線束的EMC仿真包括線纜本身結構的建模，線纜端口激勵源和負載建模、線纜傳輸信號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電磁場全波仿真及2D電路仿真。其中，3D電磁場全波仿真采取的全波數值方法，如FITD時域積分方法或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合產生的。使用傳輸線矩陣網絡中電壓和電流脈沖傳播規律來模擬電磁場傳播，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算并聯結點電壓和串連結點電流得到電場和磁場大小。

傳輸線法對線纜進行電磁仿真計算，時域與頻域仿真均將趨膚效應及介質損耗考慮在內。線纜2D電路仿真仿真包括以下步驟： （1）網格劃分。仿真軟件會自動檢查線纜線束周圍的金屬結構，并對線纜中每一個小段的橫截面進行網格劃分。（2）模型抽取。提取劃分后的每一個線纜小段中的傳輸線參量（R、L、C），每一個小段都會轉化成一個傳輸線等效電路，最后所有小段的等效電路將連成一個完整的電路模型，以此代替整個線纜線束，如圖1所示。（3）計算求解。對線纜終端添加適當負載和激勵，以模擬線纜實際連接環境，從而最終求解得出線纜線束上電磁能量時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 線纜結構建模

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

功率線纜常用多股銅芯線纜，結構不復雜但是精細建模很難實現，需要借助仿真軟件的線纜建模模塊來實現。信號線纜類型較多，常見的有同軸線、非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線等，不同線纜結構差異較大，因此需要單獨建模分析。對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。在單一電子設備上這些線纜一般獨立連接，但是在車載等復雜系統中，為了節省空間，多種線纜一般會捆扎敷設，此時不同線纜線束間距較小，相互耦合的影響不可忽視。

3.2 線纜端接負載建模

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

通過設置不同的激勵源可以模擬真實情況下不同信號或不同工作模式下線纜的串擾情況，設置不同的求解監視器從而獲得線纜上的耦合電流或耦合功率，以及線纜對空間的輻射場強。

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，波形采用強電磁脈沖波形，上升沿2.5ns，下降沿55ns，峰值場強50kV，如圖2所示。建立金屬平面上方10mm處線纜模型，線纜長1m，對比不同類型線纜的抗擾特性仿真計算結果。由于屏蔽結構是影響線纜EMC特性的重要因素，因此最后給出了一組不同屏蔽結構下同軸線纜的抗擾特性對比。

圖2 激勵源平面波示意圖

在其他案例中可根據實際環境要求可以將線纜導入不同載體模型中，例如車輛、飛機、機柜等，盡量還原實際情況來敷設線纜從而使得仿真結果更逼近真實情況。

4 仿真結果

4.1 不同類型線纜仿真結果對比

四種線纜芯線上的電流時域特性如圖3所示。由圖3可知，線纜上的電流在干擾場強達到后9.8ns附近即可達到峰值；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數量級）。

圖3 芯線感應電流的時域特性

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（下降一個數量級）。

圖4 芯線感應電流的頻域特性

4.2 不同屏蔽結構仿真結果對比

線纜屏蔽結構對其輻射抗擾度影響較大，常見的屏蔽結構包括銅管屏蔽層、鋁箔屏蔽層、銅絲編織層以及這些屏蔽結構組合使用的多層屏蔽結構等，屏蔽層的選取既要考慮線纜的屏蔽效能，也要考慮其對應的成本代價。

我們選擇RG58同軸線，研究不同屏蔽結構對仿真結果的影響。將其屏蔽層分別設置為固體屏蔽層、金屬箔屏蔽層以及編織屏蔽層三種結構。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%。

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

5 總結

本文通過對4類典型線纜的建模仿真，對線纜在外部場強照射下的抗擾性能進行了分析，說明不同線纜抗擾性能不同，屏蔽層對線纜的抗擾性能有明顯提升，且不同結構屏蔽層屏效相差也很明顯，說明線纜的EMC設計研究對其通過EMC測試十分必要。

隨著電子技術快速發展，電磁兼容問題日益突出，成為電子設計行業熱點。在EMC測試中線纜是設備對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設計及性能評估，是線纜電磁兼容性能提高的重要途徑。本文3D電磁場仿真及2D電路仿真相結合，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、電壓的時域、頻域特性，以及不同類型、不同結構線纜的屏效差異。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級載體如車載、機載設備的仿真分析。

參考文獻

[1]徐超.汽車電子的電磁兼容性研究[D].上海交通大學,2012.

[2]方衛中.綜合平臺電子系統布線設計與EMC仿真[C].中國電子學會電子機械工程分會2007年機械電子學學術會議論文集.

[3]蔡勇,王興光,郝建生,等.強電磁脈沖對軍交運輸指揮自動化系統的威脅及對策[C].電磁環境效應與防護技術學術研討會,北戴河,2011: 71–75.