混响室条件下场对同轴线缆耦合规律的仿真研究

王树峤，刘 升，王庆国，贾 锐

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

目前复杂电磁环境与电子系统的相互作用是广泛存在的问题，这对敏感电磁系统和电磁设备影响巨大。而线缆广泛用于各种武器装备电子系统之中，是影响设备正常工作的主要电磁干扰途径。复杂电磁环境中的辐射能量通过各种线缆进入到电子设备和系统中，使敏感电子设备和系统瞬间瘫痪或损毁。因此，研究在复杂电磁环境中电磁场与线缆的耦合规律对于装备电子系统电磁干扰防护研究有着至关重要的作用［1］。

混响室测试方法是近年来兴起的一种新的电磁兼容测试技术，也是武器系统电磁环境生存与效应评估测试的有效手段，得到众多国际标准组织的重视。混响室内部可以产生各向同性、随机极化的统计均匀电磁场，能够比较好地模拟真实自然的电磁环境［1-3］。因此，可以用来研究通过线缆对电子装备电磁环境效应。本研究采用仿真软件建立FEKO小型混响室，在小型混响室中对场线耦合进行仿真，得到一定的耦合规律，同时对混响室条件下进行相应的实验测量提供了理论指导。

1 仿真建模

1.1 仿真软件介绍

FEKO是一款用于电磁场分析的仿真工具，其仿真从严格的电磁场积分方程出发，以经典的矩量法为基础，采用多层快速多级子算法。在保持精度的前提下大大提高了计算效率，并将矩量法与经典的高频分析方法（物理光学、一致性绕射理论）有效结合，适合于分析天线设计、开域辐射等电磁兼容中的各类电磁场分析问题。其处理问题的方法是：对于电小尺寸结构的天线等电磁场问题，采用完全的矩量法进行分析，保证了结果的高精度；对于电小与电大尺寸混合结构的电磁场问题，既可以采用高效的基于矩量法的多层快速多极子方法，又可选用合适的混合方法。

1.2 仿真模型

基于模型在FEKO软件中仿真所需时间较长，建立电尺寸较小的混响室模型进行场线耦合分析［4-5］。腔体的模型如图1所示。

图1 FEKO中建立的小混响室模型Fig.1 Chamber model constructed in FEKO

混响室尺寸为2.0m×2.3m×1.3m，以腔体的一个角为坐标原点建立直角坐标系，腔体的长边沿Y方向，为2.3m；宽边沿X方向，为2.0m；高沿Z方向，为1.3m。根据谐振腔理论，屏蔽腔体的谐振频率：

式中：c0为光速；m，n和p为非负整数，且最多有一个为0；L，W和H分别为屏蔽腔体的长、宽和高。当m=1，n=1，p=0时，得该屏蔽体的最低谐振频率为

根据混响室最低可用频率一般不低于最低谐振频率3倍的原则，该混响室模型的最低可用频率为298.16MHz，这里选取的最低可用频率为300MHz。

腔体内装有小型的搅拌器，搅拌器的尺寸长1.2m，回旋半径为0.4m，放置时转轴沿宽边方向，旋转区域离腔体墙壁的距离大于λ／4。用偶极子天线做辐射源。线缆选择FEKO自带模型RG58C／U；芯线：铜，半径为0.322mm；屏蔽层：铜，截面半径为1.975mm，厚度为0.12mm。

2 仿真结果与分析

2.1 传输线长度变化的影响

如图2和图3所示，通过仿真得到在相同频率下线缆长度改变时线缆终端测试端口的感应电流。设置辐射源频率为600MHz时，其对应波长λ为0.5m。图2中，线缆感应电流的大小随着线缆长度增加而增大，并在λ／2即0.25m时感应电流达到最大值。随着线缆长度的增加，感应电流逐渐减小，在（3／4）λ处达到最小值，之后随着长度的增加，感应电流的幅值在波长λ处再次达到最大值，可见，在混响室条件下，也存在一段关键线路的长度，使得感应电流达到最大值，并随着线缆长度的增加或者减小，感应电流不会再超过这第一个最大值［6-11］。当设置辐射源频率为1.0GHz时，如图3所示，线缆仍然在相对长度λ／2整数倍时有耦合响应，同时可以看到当频率增大时线缆终端的感应电流也随之增大。

图2 频率为600MHz时感应电流随线缆长度的变化Fig.2 Change curve of the induced current with electric cable of different lengths at a frequency of 600MHz

图3 频率为1GHz时感应电流随线缆长度的变化Fig.3 Change curve of the induced current with electric cable of different lengths at a frequency of 1GHz

2.2 感应电流随频率的变化

如图4所示，线缆长度分别为0.4m与0.6m，频率设定范围为300MHz～1.0GHz。在连续扫频模式下，线缆终端测试端口感应电流的大小随频率变化而变化。对于不同线缆长度的耦合频率是不同的，但都基本符合在λ／2整数倍时线缆出现谐振现象。当线缆长度为0.4m时，其相对长度为λ／2时对应谐振频率为360MHz，在相对长度为λ时耦合响应频率为720MHz。如图4所示，仿真结果基本满足这一理论值。当线缆长度为0.6m时同样满足上述结论。说明在混响室同时也是其所代表散射场中，场对同轴线缆的耦合规律同单一平面波对线缆的辐照规律有较好的一致性。

图4 不同线缆长度时感应电流大小随频率的变化Fig.4 Change of the current with the frequency at different lengths of electric cable

2.3 线缆终端负载的影响

图5a）和图5b）分别为线缆长度为0.4m时测试端口终端短路和终端负载为200Ω时线缆的感应电流。与图4对比，发现终端负载的变化对于线缆的耦合频点没有影响。但是线缆上的感应电流会随着终端负载的变化而变化。在响应频点f=375MHz，线缆测试终端短路时感应电流为-38dB，而在终端带有负载为50Ω和200Ω时，感应电流大小分别为-43dB和-51dB。随着终端负载的增加，感应电流的大小会随之减小，但没有规律性变化［12-13］。

2.4 使用多列波叠加辐照的比较

从理论角度出发，用有限球对称分布平面波叠加的方法可以近似替代混响室中的复合场。在它的离散形式下，通过不同相位和不同入射角的随机平面波的叠加来表示。这就允许人们计算腔体中场和测试设备之间的耦合规律，因为这个问题可以简化为单一平面波对测试设备的耦合。叠加的影响效果可以认为是总场的影响［14-15］。

图5 线缆终端负载变化对感应电流的影响Fig.5 Influence of load variation of cable terminal on the induced current

为了综合考虑平面波入射方向与极化方向对同轴线缆耦合的影响，激励源选择72列平面波运用三维正交式线性叠加，用以模拟混响室条件下基于统计均匀的电磁环境水平。选同轴线缆长度为0.4m，扫频范围仍设置为0.3～1.0GHz，得到感应电流的变化如图6所示。通过与图4a）的响应规律比较，发现使用多列波辐照方法时在原有谐振频点750 MHz响应不明显。说明该方法仍然存在一些问题。因此对于这种方法在研究混响室场线耦合的问题中，其使用的准确性和广泛性还需要进一步探索。

图6 36列平面波叠加辐照0.4m线缆时响应电流Fig.6 Induced current of 0.4m-long cable irradiated by 36listed plane wave

3 结 语

通过仿真软件FEKO建立混响室模型，并分析在混响室条件下散射场对同轴线缆的耦合规律。仿真结果表明，混响室条件下同轴线缆感应的频点为激励源半波长的整数倍，等长度线缆的感应电流的大小会随着频率升高发生不规则的增大。说明在散射场情况下，线缆的耦合规律同其基本原理是较为相近的。同时随着线缆测试端口终端负载的变化，并不会影响线缆的耦合频点，但测试端口终端感应电流会随之发生改变。通过比较，发现虽然使用多列波叠加辐照的方法在某些情况下可近似替代混响室的仿真，但其在混响室中场线耦合规律的研究方法还需要进一步探索。

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