舱室内线缆电磁辐射环境仿真与分析*

肖卫东

(海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海 200129)

舱室内线缆电磁辐射环境仿真与分析*

肖卫东

(海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海 200129)

舱室内大功率电缆的低频电磁辐射已成为水下平台敏感系统的主要干扰源之一。论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,对比分析了舱壁对线缆辐射电磁环境分布的影响。

舱室; 线缆; 环境仿真; MoM; MTL

Class Number TM15

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。

(1)

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

(2)

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:

(3)

在舱壁内电磁场满足以下关系式:

(4)

建立切向场边界条件:

(5)

(6)

其中:

或法向场边界条件:

(7)

(8)

其中:

kc2=iωμσ

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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Simulation and Analysis of Cable Electromagnetic Radiation Environment in Cabin

XIAO Weidong

(Naval Plant Representative Office in Hudong-zhonghua Shipbuilding(group) Co Ltd, Shanghai 200129)

The low-frequency electromagnetic radiation of high-power cable in cabin has become one of the main interference sources of underwater platform sensitive system. The characteristics and difficulties of cable electromagnetic radiation environment simulation have been analyzed and a simulation method of cable electromagnetic radiation environment in cabin has been proposed, based on transmission line(MTL) and moment method(MoM) in the paper. Also, the cabin and cable simulation model have been built, using system-level simulation software of EMC Studio. The effects of bulkhead, to the radiation electromagnetic environment distribution of cabin have been compared. The research methods and results of the paper can be used for cable interference analysis on sensitive system.

cabin, cable, environment simulation, MOM, MTL

2014年6月3日,

2014年7月27日

肖卫东,男,高级工程师,研究方向:雷达系统。

TM15

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.052