线缆线束电磁兼容特性仿真分析

薛松，张钰，刘恩博

（1.南京熊猫汉达科技有限公司，江苏南京，210000；2. 广州广电计量检测股份有限公司电磁兼容研究所，广东广州，510656）

1 引言

1.1 研究背景

电子设备EMC三要素包括干扰源、耦合路径和敏感设备[1]。线缆线束作为电子设备的重要组成部分，不论是在辐射发射测试（CE、RE等）还是抗扰度测试（CS、RS等）中都是重要的耦合路径之一[2]。

随着近年来通信系统的高速发展，信号频率不断提升，线缆线束对电子设备EMC性能的影响更加突出，单纯靠经验已经不能满足高速电子设备的要求，通过仿真和测试相结合的方法对线缆进行选型和整改是目前业界主流的解决方案。其中线缆线束的EMC特性仿真一直是一个难点，主要是线缆结构的复杂性和应用环境的多样性导致线缆仿真不能在实际测试中产生预期的指导作用。

随着EMC仿真的快速发展，线缆电磁兼容特性的仿真也逐渐被重视起来[3]。通过仿真可以指导线缆线束的设计以及快速定位产品测试风险点，大大提高产品设计及测试效率，降低时间及物料成本，是线缆线束EMC性能研究的大趋势。

1.2 研究现状

目前国内外对线缆线束仿真技术的研究非常火热，主要集中在飞机、汽车、轨道交通等复杂系统中。吉林大学霍亚飞对强电磁脉冲下的车辆线束建模进行了研究，分析了HEMP作用下屏蔽线缆接地位置对芯线耦合干扰电流的影响。西安电子科技大学的杜晓昌则对飞行器上机载设备线缆线束的传导、辐射发射进行了研究，对6种常见线缆线束的串扰和电磁敏感度进行了仿真计算。除此之外，还有南京邮电大学、吉林大学等多所高校对车辆、飞机内线缆的电磁兼容性进行研究。国内也有学者专门对线缆仿真技术有较深入的研究，但是对于不同类型线缆EMC特性仿真的对比研究较少。

1.3 研究内容

本文旨在研究半电波空间中单线、同轴线、双绞线和屏蔽双绞线等几种典型线缆的辐射及抗扰度仿真。通过CST这款业界成熟的电磁仿真软件，建立几种线缆模型，并通过时域和频域分别进行仿真计算，探索线缆线束的EMC特性仿真方法。本文研究成果也可适用于其他复杂载体中线缆线束的电磁兼容特性仿真分析。

2 仿真机理

线缆线束的EMC仿真包括线缆本身结构的建模，线缆端口激励源和负载建模、线缆传输信号建模及线缆载体建模这几部分。

线缆线束的仿真分析需要涉及3D电磁场全波仿真及2D电路仿真。其中，3D电磁场全波仿真采取的全波数值方法，如FITD时域积分方法或MoM矩量法；2D电路仿真采取的是传输线法（TL）。

传输线矩阵法是Hugens光传播模型与等效传输线理论相结合产生的。使用传输线矩阵网络中电压和电流脉冲传播规律来模拟电磁场传播，利用基于矩阵的Maxwell方程和传输线方程类比，通过在散射矩阵中计算并联结点电压和串连结点电流得到电场和磁场大小。

传输线法对线缆进行电磁仿真计算，时域与频域仿真均将趋肤效应及介质损耗考虑在内。线缆2D电路仿真仿真包括以下步骤： （1）网格划分。仿真软件会自动检查线缆线束周围的金属结构，并对线缆中每一个小段的横截面进行网格划分。（2）模型抽取。提取划分后的每一个线缆小段中的传输线参量（R、L、C），每一个小段都会转化成一个传输线等效电路，最后所有小段的等效电路将连成一个完整的电路模型，以此代替整个线缆线束，如图1所示。（3）计算求解。对线缆终端添加适当负载和激励，以模拟线缆实际连接环境，从而最终求解得出线缆线束上电磁能量时域与频域的传输特性。

图1 线缆等效电路示意图

3 仿真模型

3.1 线缆结构建模

目前常用线缆线束根据用途一般可分类为功率线缆和信号线缆两种，功率电缆用来给设备供电，信号线缆顾名思义用来传输信号。

功率线缆常用多股铜芯线缆，结构不复杂但是精细建模很难实现，需要借助仿真软件的线缆建模模块来实现。信号线缆类型较多，常见的有同轴线、非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线等，不同线缆结构差异较大，因此需要单独建模分析。对于同轴线及屏蔽双绞线，还需要考虑屏蔽层。屏蔽层的屏效直接影响线缆的辐射及抗扰性能。通信线缆类型较多，常见的有同轴线、非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线等。在单一电子设备上这些线缆一般独立连接，但是在车载等复杂系统中，为了节省空间，多种线缆一般会捆扎敷设，此时不同线缆线束间距较小，相互耦合的影响不可忽视。

3.2 线缆端接负载建模

线缆本身建模完成后，需要在线缆两端添加相应器件。对于线缆对外辐射研究，在线缆一端添加激励源（电压源或电流源等）另一端添加匹配负载；对于线缆抗扰度研究，则在线缆两端添加匹配负载。

通过设置不同的激励源可以模拟真实情况下不同信号或不同工作模式下线缆的串扰情况，设置不同的求解监视器从而获得线缆上的耦合电流或耦合功率，以及线缆对空间的辐射场强。

3.3 线缆载体建模

本文中将线缆建立在金属平面上来模拟半电波环境下的线缆EMC特性。在地面上方添加平面波作为干扰源，波形采用强电磁脉冲波形，上升沿2.5ns，下降沿55ns，峰值场强50kV，如图2所示。建立金属平面上方10mm处线缆模型，线缆长1m，对比不同类型线缆的抗扰特性仿真计算结果。由于屏蔽结构是影响线缆EMC特性的重要因素，因此最后给出了一组不同屏蔽结构下同轴线缆的抗扰特性对比。

图2 激励源平面波示意图

在其他案例中可根据实际环境要求可以将线缆导入不同载体模型中，例如车辆、飞机、机柜等，尽量还原实际情况来敷设线缆从而使得仿真结果更逼近真实情况。

4 仿真结果

4.1 不同类型线缆仿真结果对比

四种线缆芯线上的电流时域特性如图3所示。由图3可知，线缆上的电流在干扰场强达到后9.8ns附近即可达到峰值；同轴线的屏蔽层及屏蔽双绞线的屏蔽层均可极大程度地降低线缆上耦合的电流（下降102数量级）。

图3 芯线感应电流的时域特性

单芯线、双绞线、同轴线的线芯、屏蔽双绞线上的电流频域特性如图4所示。由图4同样可以看出，同轴线的屏蔽层及屏蔽双绞线的屏蔽层均可极大程度地降低线缆上耦合的电流（下降一个数量级）。

图4 芯线感应电流的频域特性

4.2 不同屏蔽结构仿真结果对比

线缆屏蔽结构对其辐射抗扰度影响较大，常见的屏蔽结构包括铜管屏蔽层、铝箔屏蔽层、铜丝编织层以及这些屏蔽结构组合使用的多层屏蔽结构等，屏蔽层的选取既要考虑线缆的屏蔽效能，也要考虑其对应的成本代价。

我们选择RG58同轴线，研究不同屏蔽结构对仿真结果的影响。将其屏蔽层分别设置为固体屏蔽层、金属箔屏蔽层以及编织屏蔽层三种结构。固体屏蔽层采用扎纹铜管，铜管厚度0.244mm；金属箔采用纵包铝箔，覆盖宽度为0mm，PE层厚度0.051mm，铝基层厚度0.03mm；编织屏蔽层采用铜丝编织，铜丝直径0.122mm，一共16股，每一股7根，覆盖率93.4125%。

通过仿真计算可以得出，采用固体铜管屏蔽层的线缆芯线上感应电流明显比其他两种小，而采用编织层的最差，高了104数量级，这是因为编织层没有完全屏蔽，外部干扰源通过铜丝的缝隙耦合至芯线导致；铝箔纵包则没有缝隙问题，因此芯线感应电流相比编织层也少很多，但是由于铝箔厚度及介电常数不及固体铜管，因此芯线感应电流相比铜管屏蔽方案差一个数量级。

5 总结

本文通过对4类典型线缆的建模仿真，对线缆在外部场强照射下的抗扰性能进行了分析，说明不同线缆抗扰性能不同，屏蔽层对线缆的抗扰性能有明显提升，且不同结构屏蔽层屏效相差也很明显，说明线缆的EMC设计研究对其通过EMC测试十分必要。

随着电子技术快速发展，电磁兼容问题日益突出，成为电子设计行业热点。在EMC测试中线缆是设备对外辐射及受到外部干扰的主要耦合途径。利用仿真方法介入到线缆的EMC设计及性能评估，是线缆电磁兼容性能提高的重要途径。本文3D电磁场仿真及2D电路仿真相结合，研究得出线缆辐射抗扰能力仿真方法。基于本文提出的仿真方法，可获取空间及线缆上耦合电流、电压的时域、频域特性，以及不同类型、不同结构线缆的屏效差异。本文提出的仿真方法是一种通用方法，同样可适用于其他系统级载体如车载、机载设备的仿真分析。

参考文献

[1]徐超.汽车电子的电磁兼容性研究[D].上海交通大学,2012.

[2]方卫中.综合平台电子系统布线设计与EMC仿真[C].中国电子学会电子机械工程分会2007年机械电子学学术会议论文集.

[3]蔡勇,王兴光,郝建生,等.强电磁脉冲对军交运输指挥自动化系统的威胁及对策[C].电磁环境效应与防护技术学术研讨会,北戴河,2011: 71–75.