编织线结构参数对船用金属编织网屏蔽效果影响研究

周 畅，樊友文，杨华荣，刘 钢，许荣彧，瞿 丹，张建国

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

编织线结构参数对船用金属编织网屏蔽效果影响研究

周 畅，樊友文，杨华荣，刘 钢，许荣彧，瞿 丹，张建国

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

针对船用金属屏蔽丝网结构参数对其屏蔽性能的影响问题，重点讨论屏蔽丝网编织线直径和单位载线编织线数量对金属编织网覆盖率及屏蔽性能的影响。基于 CST Cable Studio 仿真平台，建立电缆收/发仿真模型，对不同线径、单位载线编织线数目下屏蔽丝网屏蔽效果进行定量预估和对比分析，研究结果表明，在载线数量和方向角一定的情况下，金属屏蔽丝网的覆盖率随着编织线直径和单位载线编织线数目的减少而减少，对于特定频率，当金属屏蔽丝网覆盖率高于 70% 时，覆盖率变化对于金属屏蔽丝网的屏蔽效果影响较小，当丝网线径和编织线数目进一步降低时，金属屏蔽丝网的屏蔽效果迅速降低；此外厚度对于金属屏蔽丝网屏蔽效果也有一定的影响。

电磁兼容；金属编织网；覆盖率；编织线

0 引 言

现代舰艇作为涉及大量高科技技术的综合平台，集成了越来越多的电子、电气设备，这些设备包含很多大功率设备，其向外发射、传导的各类信号会严重影响其他电子设备，尤其是弱电类设备的正常运行，因此必须采取相应的电磁屏蔽措施，保障整个舰艇系统的正常工作[1–2]。结合工程实际，按照电磁干扰三要素：干扰源、耦合路径和受干扰体分析，电缆是当前舰艇电磁干扰最主要的耦合路径，其对应的屏蔽措施也受到人们越来越多的关注[3–4]。

船用金属屏蔽丝网具有柔韧性好，易于安装，屏蔽效果较好等诸多优点，成为船上电缆最常采用的电磁屏蔽措施，金属屏蔽丝网本身质量的好坏，制备过程中各个参量的选择，直接关系到金属屏蔽丝网的成本、柔韧性和屏蔽效果，金属编织网越密集、覆盖率越高，其屏蔽效果越好，但是重量、成本会相对提高，同时其柔韧性大大降低，影响舰艇施工，因此对于金属屏蔽丝网各制备参数的合理选择极为重要，必须进行相应研究，一些文献对金属屏蔽丝网的屏蔽效果进行了一定的分析，如 FELIZIANIm[5]等研究了包裹屏蔽层电缆的全波分析，樊友文[6–8]等研究了屏蔽层对于电缆的耦合影响，然而，以往的研究侧重于理想模型的分析和计算，对于金属屏蔽丝网本身各指标参数对于其屏蔽效果的直接影响研究较少。

本文针对金属屏蔽丝网各指标参数对于其屏蔽效果的影响问题，重点讨论了金属屏蔽丝网线径、载线、方向角等参数对于屏蔽丝网屏蔽效果的影响。基于 CST 线缆工作室，结合工程实际，建立屏蔽电缆收/发三维模型，对不同线径、单位载线编织线数目下屏蔽丝网屏蔽效果进行定量预估和对比分析，研究结果表明，在载线数量和方向角一定的情况下，金属屏蔽丝网的覆盖率随着编织线直径和单位载线编织线数目的减少而减少，对于特定频率，当金属屏蔽丝网覆盖率高于 70% 时，覆盖率变化对于金属屏蔽丝网的屏蔽效果影响较小，当丝网线径和编织线数目进一步降低时，金属屏蔽丝网的屏蔽效果迅速降低；此外厚度对于金属屏蔽丝网屏蔽效果也有一定的影响。

1 仿真模型及初始理论分析

为了仿真计算金属屏蔽丝网的屏蔽效果，建立仿真模型如图1 所示，编织网屏蔽层结构如图2 所示。

设载线数目为m，每条载线上编织线数目为 n，编织线直径为 d，编织线绞入率为 G，单向覆盖系数为Kr，编织密度为 K，则单向覆盖系数满足：

图1 电缆收/发三维模型Fig. 1 3Dmodels of launching and receiving cables

图2 编织网屏蔽层结构图Fig. 2 The wovenmesh shied structure diagram

编织网覆盖率满足：

以上参数可以在 CST 中进行精确设置，通过修改金属编织网的设置，可以对金属编织网自身的各项参数进行修改，结合接收电缆感应电压计算结果，可以对金属编织网各项设计参数对其屏蔽性能的影响进行有效的对比和分析。

2 发射接收电缆模型仿真及分析

按图1 和图2 设置 CST 仿真模型，H=5 cm，L=5 cm，编织线角度设置为 26°，编织网载线数量m固定为 16，电缆直径固定为 0.36 cm，所有电缆长度固定为 1m，编织线角度设置为 26°，编织网载线数量固定为 16，发射电缆传输信号幅度为 1 V，频率为 125 ～ 155×106Hz，屏蔽层均两端接地，接地电阻均设为10mΩ。

设定编织线直径为 d（变化范围：0.004 88 ～0.012 2 cm），每条载线上编织线数目为 n（变化范围3～7），取 6 种金属编织网参数组合，加上未加装金属编织网的接收电缆模型共 7 个电缆发/收模型进行相应的仿真计算，仿真结果如图3 所示。

由图3 可发现，没有加装编织网的电缆，在发射电缆信号的耦合作用下，感应电压很高，且频段较宽，在 125～140mHz 均高于 0.07 V，其中最高值出现在 136.5mHz，感应电压幅值为 0.11 V，当接收电缆加装了金属屏蔽丝网之后，感应电压频段迅速变窄，幅值减小，这表明金属屏蔽丝网屏蔽效果较为明显，感应电压峰值向高频移动，这是因为金属屏蔽丝网加入后，改变了发射电缆与接收电缆之间的耦合阻抗。

由图3（b）～图3（e）可知，当金属屏蔽丝网载线直径从 0.012 2 cm变为 0.009 6 cm时，根据式（2）的计算，金属编织网覆盖率由 85% 降低为 75%，感应电压几乎没有变化，当金属屏蔽丝网编织线直径进一步降低到 0.007 3 cm和 0.004 9 cm以后，编织网覆盖率随之降低到 62.1% 和 45.3%，接收电缆感应电压明显增大。以上结果表明：对于特定频率和长度的电缆，金属屏蔽丝网的载线直径在一定范围内变化时，其对于感应电压的影响不大，其原因是由于金属屏蔽丝网的空隙及厚度对于其屏蔽效果影响极大，当载线直径高于一定值时，整个金属屏蔽丝网的覆盖率较高，具有一定的厚度，空隙相对很小，这时虽然载线直径有所减小，高频电磁波也很难透过金属屏蔽丝网的细孔耦合到接收电缆当中，当载线直径进一步降低，丝网厚度降低，空隙增大到一定程度以后，其对于高频电磁波的阻挡能力将迅速降低，导致感应电压迅速增大。

根据图3（f）和图3（g）可知，当编织线数量（单位载线）减少时，与编织线直径降低时的规律类似，当整个金属屏蔽丝网覆盖率高于 70% 时，随着编织线数量的减少，金属屏蔽丝网的屏蔽能力下降不多，当编织线进一步减少时，金属编织网的屏蔽能力迅速降低。

根据图3（e）和图3（g）可知，在金属编织网覆盖率基本相同的情况下，编织线较粗的金属编织网屏蔽效能要好于编织线较细的编织网，这是因为在覆盖率基本相同的情况下，编织网越厚，其屏蔽效能越好。

综上所述，对于特定频率，金属屏蔽丝网的覆盖率和空隙大小对于其屏蔽效果影响有一定的差异，当屏蔽丝网的覆盖率高于一定值时，因为空隙较小，金属屏蔽丝网覆盖率的变化对于其屏蔽效果影响不大，随着金属屏蔽覆盖率的进一步减小，空隙进一步增大，此时金属屏蔽丝网的屏蔽效果随着金属屏蔽丝网覆盖率的减小而迅速降低，此外在金属屏蔽丝网覆盖相同的情况下，较厚的屏蔽丝网屏蔽效果更好。

图3 电缆收/发模型仿真结果Fig. 3 Simulation results of launching and receiving cablesmodels

3 结 语

本文基于 CST 电缆仿真实验室，结合工程实际，建立电缆收/发三维仿真模型，对金属屏蔽丝网各指标参数对其屏蔽效果的影响进行仿真和分析，研究结果表明，在 125 ～ 155mHz 频段，当金属屏蔽丝网覆盖率高于 75% 时，金属屏蔽丝网的编织线直径的变化对其屏蔽效能影响较小，当金属屏蔽丝网覆盖率高于 70%时，随着单位载线编织线数量的减少，金属屏蔽丝网的屏蔽效能慢慢降低，当金属屏蔽丝网覆盖率低于70% 时，随着金属屏蔽丝网的编织线直径和编织线数量的减少，金属屏蔽丝网的屏蔽效果迅速降低。金属屏蔽丝网覆盖率越低，其屏蔽效能会有不同程度的降低，但是其重量和成本都会下降，柔韧性也会相应提高，因此，利用三维电磁场仿真不同线径、载线数目下屏蔽丝网屏蔽效果进行定量预估和对比分析，可以针对不同的情况，合理地选择和设计具有最高性价比的船用金属屏蔽丝网，对于有效保护舰船敏感电缆，节约设计时间和成本具有重要的指导意义。

参考文献：

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

[2]张志新. 水面舰艇编队电磁兼容顶层设计与规划探讨[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(S): 26–29. ZHANG Zhi-xin. Study of top design and programming in formation of ship EMC[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(S): 26–29.

[3]苍晓羽, 荆元祥, 刘琦. 舰船推力测量电路设计技术[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(9): 125–131. CANG Xiao-yu, JING Yuan-xiang, LIU Qi. Circuit design technology on warship thrustmeasurement[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(9): 125–131.

[4]张立伟, 李雪花. 电磁兼容中有关电磁屏蔽的设计及工程计算方法的研究[J]. 船电技术, 2010, 30(1): 35–40. ZHANG Li-wei, LI Xue-hua. Design and computationalmethod of engineering electromagnetic shielding in EMC[J].marine Electric & Electronic Technology, 2010, 30(1): 35–40.

[5]FELIZIANIm,mARADEI F. Full-wave analysis of shielded cable configurations by the FDTDmethod[J]. IEEE Transactions onmagnetics, 2002, 38(2): 761–764.

[6]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, 86. FAN You-wen, YAN Yu-jie, XU Rong-yu. Analysis of the coupling effects on shielded cables[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(7): 71–74, 86.

[7]阎毓杰, 许荣彧, 刘钢. 多层屏蔽电缆耦合影响的数值预测[J].水电能源科学, 2011, 29(6): 177–179, 174. YAN Yu-jie, XU Rong-yu, LIU Gang. Numerical prediction of coupling effects onmulti-layered shielding cables[J]. Water Resources and Power, 2011, 29(6): 177–179, 174.

[8]阎毓杰, 许荣彧, 刘钢. 舰船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 effects on twisted-pair cables of ship[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(9): 103–106.

Research on of influence structure parameter of plait string on the shielding effectiveness of the shipmetal shield silk screen

ZHOU Chang, FAN You-wen, YANG Hua-rong, LIU Gang, XU Rong-yu, QU Dan, ZHANG Jian-guo (Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

Aming at the problemof influence of the structure parameter on the shielding effectiveness of themetal shield silk screen, the influence of the diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string on the cover rate and shielding effectiveness of themetal shield silk screen is studied in this paper. Based on the application of CST cable studio, the 3D simulationmodels of launching and receiving cables are established and the systemwith different diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string are established and influence of the grounding resistance on the shielding effectiveness of themetal shield silk screen are analyzed, respectively. The results show that, when the number of year string and angle is constant, the cover rate of themetal shield silk screen becomes small with the decreasing of the diameter of the plait string and the number of the plait string. For some frequency, when the cover rate of themetal shield silk screen is bigger than 70%, the influence of the cover rate of themetal shield silk screen on the shielding effectiveness is relatively small and, when the diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string become smaller, the shielding effectiveness of themetal shield silk screen becomes worse quickly. On the other hand, the thickness would also affect the shielding effectiveness of themetal shield silk screen.

EMC；metal silk screen；cover rate；plait string

O441.4；O441.5

A

1672 – 7619(2016)10 – 0129 – 04

10.3404/j.is72-7619.2016.010.026

2016 – 03 – 02；

2016 – 05 – 06

国家自然科学基金资助项目(61201052)

周畅(1986 – )，男，工程师，主要从事舰船电磁场仿真、电磁兼容设计与研究。