舱室内线缆电磁辐射环境仿真与分析＊

（海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室 上海 200129）

1 引言

当前，各种系统平台，特别是水下平台的舱室内布置了大量的电子机柜和线缆线束，为了使各电子设备均能兼容工作，必须保证各设备具有良好的电磁兼容性，并提供一个良好的电磁环境［1～5］。

长期的实践证明，对水下平台电磁兼容构成主要威胁的问题是低频电磁干扰，特别是各种线缆线束的低频电磁辐射，大功率的线缆会在舱室内产生低频电磁场，频率从几十赫兹到几十千赫兹，超过一定限值会影响舱内的敏感系统，如声纳。

为了准确预报大功率线缆在舱室内产生的电磁环境，本文开展了线缆建模方法和低频辐射环境仿真方法的研究。

2 计算原理分析

水下平台舱室内线缆是一种极精细的结构，如图1所示，除了结构复杂的金属结构外，线缆还含有不同种类的绝缘材料，如果采用MoM 建模求解会剖分出大量的网格；若果在加上舱壁等金属结构所产生的网格，求解未知量剧增。针对此难题，可采用传输线法（MTL）［6～8］来模拟各种电缆，通过电子电路法计算出线缆上的分布电流，然后通过MoM 计算线缆所产生的辐射场。

基于MTL＋MoM 法的线缆电磁环境计算［9～11］步骤如下：

1）计算线缆的等效LC矩阵；

2）采用集总电路模型在Spice中建立线缆的MTL模型，包括电缆两端的电路；

3）采用Spice计算MTL 模型，确定沿线缆电流分布；

4）将MTL计算的传输线电流转换成全波计算方法MoM 所采用的外加电流源；

5）采用MoM 计算低频线缆在舱室内的辐射电磁环境。

具体仿真计算时，采用EMC Studio软件，专门用于分析设备级、系统级（如飞机、舰船、汽车等）的电磁兼容问题，在同一软件平台上，根据分析类型，自动组合矩量法（MoM）、物理光学法（PO）、传输线法（MTL）、等效源法（MAS）、电路分析（SPICE）、网络分析等多种算法。

下面简要介绍低频MoM 的计算原理。线缆电流分布计算出后，可采用理想导线的电场积分方程进行求解，如式（1）所示。

在选定基函数和权函数后，应用矩量法的基本原理，方程（1）可以转化为矩阵方程

而对于舱壁，采用准静态近似，认为舱壁为高导电率的薄金属壁，满足条件kδ≪1，其中k为波数，δ为壁的趋肤深度。基于Maxwell方程，在自由空间场满足以下关系式：

在舱壁内电磁场满足以下关系式：

建立切向场边界条件：

其中：

或法向场边界条件：

其中：

然后，利用方程（3）～（6）和切向边界条件（7）、（8）或者法向边界条件（9）、（10）构建电场积分方程进行联合求解。

3 仿真与分析

在EMC Studio软件中，我们建立了舱室和线缆的仿真模型，如图2所示，其中舱室尺寸为8m（L）×4m（W）×3m（H），线缆长度为7m，离舱室地面的高度为5cm。

图2 舱室和线缆的仿真模型

线缆为编织电缆，其内导体直径为2mm，材料为Copper；编织线外壁直径为7．2mm，相对介电常数为2．3；编织线外壁厚度为0．36mm，编织线具体的属性参数如图3所示。

图3 编织线具体参数

编织线缆采用电压源激励，幅度为1V，相位为0，频率为10kHz，其激励等效电路图如图4所示。

为对比分析舱壁对线缆辐射电磁环境的影响，求解了同样位置处电磁场的分布情况，如图2所示，两条求解线互相垂直，沿x方向从0m～3m，沿着Z方从0m～3m。

图4 线缆等效激励图

图5和图6是有无舱壁时电磁强强度的对比情况。

图5 电场强度的对比

图6 磁场强度的对比

从仿真结果分析可得，舱室内电缆电磁辐射的磁场强度比电场强度高约10dB，且编织电缆的低频辐射以磁场为主，即对电场有较好的屏蔽作用。此外，分析表明舱壁的反射作用对舱室内的电磁环境会造成影响，其幅度需根据具体结构、电缆与舱壁距离、电缆敷设走向，使用本文的计算方法进行分析判断。

4 结语

各种线缆线束的低频电磁辐射是水下平台电磁兼容的主要威胁，本文分析了线缆电磁辐射环境仿真的特点和难点，提出了基于提出了基于传输线法（MTL）和矩量法（MoM）的舱室内线缆电磁辐射环境的仿真方法，并采用系统级电磁兼容仿真软件EMC Studio构建了舱室和线缆的仿真模型，分析表明舱室内电缆电磁辐射以磁场为主，电磁环境受结构布置等影响较大。

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