基于CST的多电缆耦合影响仿真分析

周 畅，杨华荣，许荣彧，刘 刚，瞿 单，樊友文

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430205)

0 引言

随着我国舰船技术的发展，大量新型的电子电气设备被广泛装备舰船上。舰船设备的集成度、综合度越来越高，同时也带来了严重的电磁兼容问题。舰船上各个系统与设备之间依靠各种类型的电缆互相连接，有限的敷设空间往往使得这些电缆上的信号彼此耦合，从而发生电磁干扰。尤其是强电类电缆常常对其附近弱电类电缆产生较强的耦合作用，妨碍电缆的正常工作，影响信号的传输质量，导致舰船平台难以正常的运行［1－2］。

在工程电磁兼容中，为了保护重要敏感电缆不受干扰，往往采取屏蔽、接地、双绞线等方法，对重点敏感电缆进行保护。如何降低电缆因周围电缆耦合带来的影响，其前提是建立电缆的电磁耦合仿真模型，通过仿真计算来预估目标电缆所受到的耦合影响。然而，由于计算过程十分复杂，传统的研究模型接收电缆种类相对单一，如C.R.Paul等［3］研究的非屏蔽传输线电缆串扰的频域响应，Bellan等［4］分析计算的非均匀电缆束的耦合影响，国内樊友文、阎毓杰等［5－6］研究了屏蔽电缆、双绞线电缆的电磁干扰。对于多种受干扰电缆同时存在时，目标敏感接收电缆所受到电磁耦合影响的参数化建模以及对比研究涉及甚少，而实际工程当中，大量不同种类的电缆往往密集敷设，敏感接收电缆的周边，很可能同时存在其它不同种类的被干扰电缆，这些电缆虽然自身直接产生的信号很弱，基本可以忽略不计，但是它们的存在会直接影响发射电缆的电磁场，另一方面，受到发射电缆电磁场的影响，这些电缆会向外辐射电磁波，形成二次发射干扰源，因此传统单一种类接收电缆模型显然不能满足对现代舰船复杂电缆耦合研究的需要。

本文针对舰船工程中多种电缆复杂电磁耦合的问题，重点讨论了同轴电缆和屏蔽电缆作为接收电缆同时存在的情况下，接收电缆彼此相对位置对目标接收电缆电磁耦合的影响。运用CST电缆工作室平台，结合工程实际，建立多电缆耦合参数化仿真三维模型，对不同电缆相对位置进行综合仿真和分析，研究结果表明，屏蔽电缆和同轴电缆作为接收电缆同时存在的情况下，屏蔽电缆中会出现新的电磁耦合，耦合电压的大小和频率与同轴电缆的相对位置有关;屏蔽电缆中旧有的耦合电压大小和频率受同轴电缆影响相对较小。

1 仿真模型设计思路

如图1所示，为了准确模拟实际舰船电缆工作状况，本文共选取3种电缆，其中发射电缆型号为LIFY，接收同轴电缆型号为R－RG58－1，接收屏蔽电缆为我国船用电缆某试验试用型号。

图1 多电缆综合模型Fig.1 Synthesis model of multi-cables

图1中，接收同轴电缆和接收屏蔽电缆均为4层结构，如果发射、接收电缆与地相对位置较近，宽频域内几根电缆彼此的耦合受寄生效应、趋肤效应和介质损耗等因素的影响，将会十分复杂，传统的经典电磁分析方法明显不适用于这种复杂模型的快速、准确分析。

CST电缆工作室具有较好的线缆建模和仿真能力，其具体工作流程为:通过良好的人际互动界面建立参数化仿真模型，自动划分复杂模型网格并提取2D传输线参数，分析寄生效应、趋肤效应和介质损耗并导出等效SPICE电路模型，利用3D全波仿真配合电路仿真的方法，快速、准确分析多电缆复杂电磁耦合问题并导出结果。

为了进一步分析和研究同轴电缆的加入对于敏感屏蔽电缆的影响，建立仿真模型设计流程如图2所示。

图2 仿真模型设计思路Fig.2 The design method of the simulation models

2 多电缆综合模型仿真及分析

按照第1节中的步骤设计多电缆综合仿真模型，使用数值分析软件CST电缆仿真实验室平台进行分析和计算。发射电缆、接收同轴电缆和接收屏蔽电缆的横截面结构图见图1所示。图3(a)为单接收屏蔽电缆模型;图3(b)为双接收电缆仿真模型，为了进行对比分析，保持发射电缆、接收屏蔽电缆与图3(a)中一致，同轴电缆按照A、B、C、D、E、F标志所在位置，取6个不同的位置分别进行仿真计算。此处h1=5 cm，h2=5 cm，L0=5 cm，L1=1 cm，L2=1 cm，L3=0.5 cm，所有电缆长度固定为1 m，发射电缆传输信号幅度为100 V，频率为0～250×106Hz。

图3 多电缆仿真模型Fig.3 Simulation models of multi-cables

单接收屏蔽电缆模型仿真结果如图4所示。

图4 单接收屏蔽电缆模型仿真结果Fig.4 Simulation result of single receiving cable model

仿真结果表明，当接收屏蔽电缆只受到发射电缆作用时，其耦合电压峰值为0.55 V，频率为149 ×106Hz。

图3(b)中的模型共6个，仿真结果如图5所示。

可以发现，相比单一的发射电缆+接收电缆模型，同轴电缆加入后，接收屏蔽电缆中除了原有的位于149×106Hz处的耦合电压，在142－148×106Hz之间，出现了新的、较强的耦合电压，可以判断，这一耦合电压是由于同轴电缆在发射电缆电磁场的影响下形成二次辐射造成的。

图5 双接收电缆仿真结果Fig.5 Simulation results of dual receiving cables models

其中，当同轴电缆位于A，B，C三处，即:发射电缆和接收电缆同一平面时，电磁耦合的变化最为明显，其最大耦合电压都超过了1 V，大大超过了D，E，F处的0.87 V，0.47 V和0.48 V，此外，当同轴电缆位于相对发射电缆较近的A点时，接收电缆在149×106Hz处的电磁耦合电压值为0.57 V，在146×106Hz在处新出现的电磁耦合电压值为1 V，而当同轴电缆靠近接收电缆，移动到B点时，原来149×106Hz处的电磁耦合电压值为0.48 V，基本不变，新出现的电磁耦合电压峰值则提高到1.5 V，频率由146×106Hz降低到144.5×106Hz，这是因为同轴电缆靠近接收屏蔽电缆，对其影响加强，

因此耦合电压峰值上升。同轴电缆移动到C点，进一步靠近屏蔽电缆时，149×106Hz处的耦合电压峰值为0.54 V，新出现的耦合电压峰值则降为1.38 V，频率也下降到142.7×106Hz，耦合电压峰值之所以下降，是因为同轴电缆距离发射电缆过远，导致其二次辐射能力下降，同时，原来149×106Hz处的电磁耦合电压值为0.49 V，频率基本不变，幅值变化也较小。

综上所述，相比较单一的发射电缆+接收电缆模型，同轴电缆的加入会在接收屏蔽电缆中激起新的电磁耦合，当同轴电缆位于发射电缆和接收屏蔽电缆同一平面中间位置时，其激起的电磁耦合电压幅值最高，同时屏蔽电缆中原先已经存在的电磁耦合电压受同轴电缆的影响相对较弱，其频率基本不变，幅值变化也相对较小。

3 结语

本文基于CST电缆工作室平台，建立了多电缆耦合参数化仿真模型，分析了多种不同种类电缆共存时的电磁耦合影响。仿真结果表明，相比较单根接收屏蔽电缆体系，屏蔽电缆和同轴电缆作为接收电缆同时存在的情况下，接收屏蔽电缆中会产生新的、较强的电磁耦合，新电磁耦合的幅值和频率与同轴电缆的相对位置有关，当同轴电缆位于发射电缆和接收屏蔽电缆同一平面中间位置时，其激起的电磁耦合电压幅值最高，达到1.5 V，几乎是接收电缆原有电磁耦合电压峰值的3倍;同时屏蔽电缆中原有的电磁耦合受同轴电缆影响相对较小。利用这种多电缆耦合模型，可以快速分析多电缆复杂电磁耦合问题，对于现代舰船电缆电磁兼容预估和预防具有重要的指导意义。

［1］ 陈穷，等．电磁兼容性工程设计手册［M］．北京:国防工业出版社，1993．

［2］ 樊友文．舰艇内电缆耦合及分类敷设研究［J］．舰船电子工程，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，阎毓杰，许荣彧．屏蔽电缆的耦合影响分析［J］．舰船科学技术，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］ 阎毓杰，许荣彧，刘钢．舰艇双绞线电缆耦合影响预测与仿真［J］．舰船科学技术，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．