基于CST的平行线缆串扰仿真分析

乔新　杨晨　董秋杰

摘 要：导弹数据链、雷达以及通讯设备等在传输信号时，容易干扰到弹上其他设备，严重时将会影响到导弹的作战性能，其中许多干扰都是线缆电场耦合与磁场耦合产生的串扰。本文针对导弹不同电缆的电磁耦合问题，利用CST电缆工作室，建立平行线缆耦合参数化仿真三维模型，对不同接收线缆及信号共存体系进行仿真对比，研究了平行线缆间距、线缆离地高度、信号上升沿时间、线缆类型以及屏蔽层接地方式几种不同因素对接收线缆串扰电压的影响。仿真结果表明，增加线缆间距和尽量贴地铺设线缆都能减小干扰，接收线缆采用屏蔽双绞线并且屏蔽层两端接地才能起到更好的磁场屏蔽作用。

关键词：导弹;EMC;屏蔽线缆;串扰;CST

中图分类号：TJ760;V443文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2020）03-0098-05

0 引言

导弹电气系统为导弹各部分提供能源，弹上电缆网把各分立系统连接起来成为一个整体，为导弹正常工作提供基本保障。由于导弹内部空间有限，电气、电子设备种类繁多，一般都将处于同一方向铺设的线缆捆扎在一起，固定在弹体上，就造成了弹上线缆密集度很高。弹上电缆网是弹上所有信息的传输通路，也是电磁干扰的主要耦合通道，弹上诸多干扰都是在传输过程中通过线缆间串扰耦合产生的[1-2]，尤其是高频电路电缆网，线缆之间的干扰更加严重。因此，导弹电缆网电磁兼容性设计是非常重要的。

国内外许多学者对线间串扰进行了研究。研究线缆线束间串扰的方法主要有： 集总参数电路模型法、传输线法、电磁场数值方法。其中传输线法求解步骤相对简单，易于计算机实现，得到的结果也比较精确，成为目前求解线缆线束串擾的常用方法[3]。线缆的分布参数求解方法有解析近似法、数值法、仿真法。研究线缆间串扰的数值法主要有时域有限差分法（FDTD）、时域有限积分法、矩量法（MoM）、有限元法（FEM）等[4-6]。文献[7]将集总参数模型与分布参数模型进行对比，从时域和频域两个方面对多导体传输线间的串扰进行理论计算，分析了受扰电缆分别为屏蔽线缆和双绞线时的串扰系数。文献[8]指出，信号频率、线缆间距、线缆距地高度及接地方式等因素都能影响到接收线缆上的串扰情况。除了这些因素外，还可采用屏蔽线缆减小线缆间的耦合。张文娟、杨君等指出屏蔽线缆的屏蔽效能是由屏蔽层接地产生的，屏蔽效能除了与屏蔽层本身的质量、结构有关，还受到屏蔽层阻抗及屏蔽层接地方式的影响[9-10]。

本文针对传输高频信号的线缆，对影响线缆间串扰的不同因素进行仿真分析，总结出电磁兼容设计的要点，用于指导弹上电缆网的设计。

1 平行线缆仿真模型

1.1 CST电缆工作室简介

CST （Computer Simulation Technology）工作室

套装是面向3D电磁、电路温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包，包括电缆工作室、微波工作室、设计工作室、PCB工作室、电磁工作室等。本文是在电缆工作室中进行仿真的。CST电缆工作室是德国公司专门针对不同形式的电缆网络设计开发的一套软件，包含有同轴电缆、双绞线电缆等多种电缆模型库和电路集总单元库。软件利用传输线理论、电路仿真与3D全波电磁场仿真，可以分析线缆线束间的辐射耦合、复杂电缆网络的信号完整性、电缆的阻抗等问题，从而预估线缆线束中各类信号完整性及系统级电磁兼容性问题[11]。

1.2 传输线耦合模型

两根传输线平行放在一起，如图1所示。线缆1～2的一端有干扰源ES，ES的内阻抗为ZS，线缆另一端有负载阻抗ZL，通过接地点构成闭环回路。传输线3～4两端都有阻抗ZL，通过接地点形成回路。两个回路有公共的接地点。图中有干扰源的线缆称为发射线，被干扰的线缆称为接收线。每条传输线都有分布电阻和分布电感，传输线之间有互电感和互电容，传输线和地面之间有分布电容。

图1中： 发射线的单位长度电阻、电感、电容分别为RTΔz， LT， CT;接收线的单位长度电阻、电感、电容分别为RR，LR，CR;传输线间的单位长度互电感、互电容分别为LM，CM。平行传输线模型的等效电路图如图2所示。

当Δz→0时，应用基尔霍夫定律可以得出

dU（x）dz=-（R+jωL）I（z）（1）

dI（x）dz=-jωCU（z）（2）

式中： U（x），I（x）分别为相电压和相电流向量;R，L，C分别为单位长度电阻、电感、电容矩阵。

通过数值法提取出线缆的分布参数，代入式（1）～（2）就可以求得接收线上的串扰电压值和电流值。在CST电缆工作室仿真时，是基于传输线理论，采用集总法和模式法两种方法提取线缆线束电参数，生成等效电路模型，从而求解出串扰电压的。

1.3 仿真模型

在CST电缆工作室建立如图1所示的平行线缆模型。1～2为发射线缆，3～4为接收线缆，线缆长度l为1 m，两根线缆间距为d，线缆离地高度为h。发射线缆1端口接干扰源ES，ES的内阻为50 Ω，2端口接电阻ZL。接收线缆的两个端口直接接电阻ZL。接地长1.6 m、宽0.8 m。所用线型来自CST电缆工作室自带的线缆模型库，包含单线、同轴线、双绞线和使用CST电缆工作室定义的一种新的线型： 屏蔽双绞线。

发射线缆的线型为单线，干扰源采用方波信号，方波信号的示意图如图3所示。信号参数设置为： Vpulse为5 V，Tdelay为0.02 μs，Trise为0.02 μs，Thold为0.4 μs，Tfall为0.02 μs，Ttotal为0.5 μs。本文在没有声明改变方波信号参数时，均采用此方波信号。图4为仿真中的干扰源波形图。

2 不同因素对线缆串扰的影响

导弹中线缆通常捆扎在一起，使得线缆之间存在不同程度的耦合，即串扰。一个线缆上的信号对另外线缆上的信号产生影响，严重时会影响到电气设备的正常工作甚至影响到导弹的作战性能。线缆间距、线缆离地高度、干扰源信号的变化以及线缆的类型都会对串扰产生影响。不同因素对线缆串扰的影响，怎样才能使得线缆间串扰尽可能减小，是本文研究的主要内容。

2.1 平行线缆间距对串扰的影响

发射线缆和接收线缆使用单线LIFY_1qmm50，离地高度h为5 cm，线缆长度l为1 m，阻抗ZL为50 Ω， 两根线缆间距d分别为5 cm，8 cm，10 cm，对比3端口电压值的变化，如图5所示。

从图5中可以明显看出，随着线缆间距增加，接收线缆串扰电压明显减小。这是由于增加线缆间距可以减小线缆间的耦合电容，从而减小线缆间的串扰。所以在导弹内实际铺设线缆时，要尽可能增大线缆间距。

导弹内部线缆一般按照高低频、强电弱电等归类并分隔开来，再铺设到对应线缆槽里。为了使不同类别信号间距达到最大，一般将不同类别的信号分别铺设在弹径的两端，由于弹径不同，间距可达5～100 cm。所以设置两根线缆间距d为50 cm和80 cm，观察3端口电压值的变化，如图6所示。

从图6中

可以看出，当距离增加到50 cm，串扰电压值最大幅度不超过0.005 V;当距离增加到80 cm，串扰电压值最大幅度不超过0.002 V，干扰值非常小。所以采取将不同信号进行归类并分隔这种措施对于减小线缆间的干扰是非常有效的。

2.2 线缆离地高度对串扰的影响

发射线缆和接收线缆使用单线LIFY_1qmm50，线缆间距d为5 cm，线缆长度l为1 m，阻抗ZL为50 Ω， 线缆离地高度h分别为4 cm，8 cm，10 cm，对比3端口电压值的变化，如图7所示。

从图7中可以明显看出，线缆越贴近地面，串扰电压越小;随着线缆离地高度增加，线缆串扰电压值明显变大。这是由于随着线缆离地高度增加，闭合回路的面积也变大了，即产生的磁通变大，从而产生更大的感应电压。在导弹中，接地所指的是导弹的弹壳。导弹供电地、遥测供电地、部分弹上二次电源地共地，一般通过弹壳共地， 共地接地要保证单点接地。所以在实际铺设线缆时，要尽可能使线缆靠近弹壳。

2.3 信号上升沿时间对串扰的影响

发射线缆和接收线缆使用单线LIFY_1qmm50，线缆间距d为5 cm，线缆长度l为1 m，阻抗ZL为50 Ω，线缆离地高度h为5 cm， 方波信号上升沿时间（Trise）分别为0.02 μs，0.04 μs，0.06 μs，对比3端口电压值的变化，如图8所示。

从图8可以看出，信号上升沿时间越小，即信号变化越剧烈的时候，串扰电压值越大。所以为了减小串扰，应避免使信号变化过于剧烈。

2.4 线缆类型对串扰的影响

发射线缆使用单线LIFY_1qmm50，线缆间距d为5 cm，线缆长度l为1 m，阻抗ZL为50 Ω，线缆离地高度h为5 cm，接收线缆类型分别为单线LIFY_1qmm50、同轴线RG58和新定义的屏蔽双绞线，对比3端口电压值的变化，如图9所示。

从图9中可以看出，屏蔽双绞线和同轴线上的串扰电压值最小，基本为0。而单线上串扰电压值最大。屏蔽层是导线绝缘层和护套之间的金属织网，通过金属对电磁波的反射、吸收和趋肤效应原理，有效防止外部电磁干扰进入电缆，同时也阻止内部信号辐射出去，干扰其他设备的工作。所以，屏蔽层对平行线缆间的串扰有很好的抑制作用，对于重要的信号要根据情况选择屏蔽双绞线或同轴线。

2.5 屏蔽层接地方式對串扰的影响

发射线缆使用单线LIFY_1qmm50，接收线缆使用屏蔽双绞线。线缆间距d为5 cm，线缆长度l为1 m，阻抗ZL为50 Ω，线缆离地高度h为5 cm，屏蔽双绞线的屏蔽层分别为屏蔽层两端接地、屏蔽层两端不接地和屏蔽层一端接地，对比3端口电压值的变化，如图10所示。

从图10可以看出，屏蔽层两端接地时，接收线缆上的串扰值最小，基本为0。屏蔽层一端接地和两端都不接地时，串扰值都比较大，这说明屏蔽层一端接地和屏蔽层不接地都不能起到屏蔽的作用。这里需要注意的是，如果内部的电路只有一端接地，那么，屏蔽层也应该一端接地，如图11所示。此时，返回的电流只有一个回路，即全部流经屏蔽层。I1与IS大小相等、方向相反，其产生的磁场干扰相互抵消[12]。因此，在使用屏蔽双绞线时，对于屏蔽层接地方式要根据具体电路去选择，才能发挥屏蔽双绞线屏蔽的作用。

2.6 舵机对点火信号的干扰仿真

舵机自检时，由于舵机功率较大，会产生较强的干扰信号，有可能会干扰到点火信号。基于文中1.3节的仿真模型，设置1～2为舵机干扰信号（发射线缆），3～4为发动机点火信号（接收线缆），线缆长度l为1 m，两根线缆间距d为5 cm，线缆离地高度h为5 cm。发射线缆干扰信号的波形图如图12所示，接收线缆两端接27 V直流电源。

分别设置接收线缆的线型为单线、双绞线和屏蔽双绞线，观察3端口的电压，如图13所示。

若没有干扰，3端口的电压应为13.5 V，但是在接收线缆的线型为单线的情况下，3端口的电压在13.5 V上下浮动，即产生了较大干扰。

接收线缆为屏蔽双绞线和双绞线时的串扰如图14所示。从图中可以看出，使用双绞线可以适当减小干扰，而屏蔽双绞线的效果最好，使得干扰基本为0。所以，发动机点火信号要采用屏蔽双绞线，才能避免舵机信号对其产生干扰，从而保证发动机点火的可靠性。

3 结论

本文主要利用CST电缆工作室，研究了影响平行线缆串扰的因素，包括线缆间距、线缆离地高度、信号上升沿时间、线缆类型以及屏蔽层接地方式。主要结论有：

（1） 平行线缆串扰随线缆间距增大而减小，平行线缆串扰随线缆离地高度增大而增大;

（2） 干扰源信号会对线缆间串扰产生影响，信号上升时间越短，串扰电压值变化越陡峭，产生的干扰越大;

（3） 采用屏蔽双绞线和同轴线能使串扰电压明显减小，对于易受干扰或容易产生干扰的信号应根据需要采取这两种线型;

（4） 在使用屏蔽双绞线时，屏蔽层两端接地的屏蔽效果最好;

（5） 通过对点火信号的仿真，验证了采用双绞线或者屏蔽双绞线可以降低舵机对点火信号的干扰，且屏蔽双绞线的屏蔽效果最好，使干扰基本为0。

本文的研究结论对导弹线缆选型、铺设和接地有一定的参考价值;有助于减小线缆间串扰，优化导弹电磁兼容设计。

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Simulation and Analysis of Parallel Cables Crosstalk

Based on CST

Qiao Xin*，Yang Chen，Dong Qiujie

（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Abstract： When the data link， radar and communication equipment ofmissile are transmitting signals， other equipments are easily interfered， even the missiles combat performance would be affected. Many of these interferences are crosstalk generated by the coupling of electric field and magnetic field. In this paper， based on the electromagnetic coupling problem of different missile cables，the CST cable studio is used to establish a three-dimensional model of parallel cable coupling parametric simulation，and the simulation and comparison of different receiving cables and signal coexistence system are carried out. The effects on receiving cable crosstalk voltage of different factors such as the parallel cable distance， cable height， signal rising time， cable type and shielding layer grounding modes are researched. The simulation results show that the interference can be reduced by increasing the cable distance and laying cables as close to the ground as possible，and using shielded twisted pair for the receiving cables and laying shielding layer to ground at both ends will achieve good magnetic field shielding.

Key words： missile;EMC;shielded cable;crosstalk;CST

收稿日期：2018-10-25

作者简介： 乔新（1993-），女，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为电气系统设计和电磁兼容研究。

E-mail： 1219257668@qq.com

引用格式： 乔新，杨晨，董秋杰. 基于CST的平行线缆串扰仿真分析[ J].

航空兵器，2020， 27（ 3）： 98-102.

Qiao Xin，Yang Chen，Dong Qiujie.Simulation and Analysis of Parallel Cables Crosstalk Based on CST[ J]. Aero Weaponry，2020， 27（ 3）： 98-102.（ inChinese）