基于CST的接地电阻对金属编织网屏蔽效果影响仿真分析

周 畅，殷 虎，杨华荣，刘 刚，许荣彧，瞿 丹，樊友文

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引 言

随着我国舰船电子系统的复杂性和密集度的不断发展和提高，舰船电子系统设计的电磁兼容问题越来越严重，尤其是舰船上系统和设备之间的各型电缆，由于距离较近，彼此之间的信号容易发生串扰，极易造成电磁干扰，干扰信号通过电缆进入系统或设备以后，又会干扰系统和设备的工作，因此电缆的电磁兼容问题是舰船电子系统正常运行的关键，越来越受到人们的重视[1-3]。

为了抑制电缆彼此之间的电磁干扰，最常采用的措施是为电缆加装屏蔽层，并使之接地，接地电阻的大小对于电缆屏蔽层的屏蔽效果具有重要的意义，传统的研究也对此进行了大量的分析，如李明、冯桂山、白同云等研究了接地电阻对于屏蔽层屏蔽效果的作用[4-5]，樊友文、阎毓杰等研究了屏蔽层及屏蔽层电阻对于电缆屏蔽效果的数值计算公式，然而，这些研究或者只是定性的分析，或者是将屏蔽层假设为“理想”金属管形态进行近似计算，而实际工程当中，大部分的舰船电缆屏蔽层都是金属编织网结构，金属编织网是大量细金属丝成束以后，按照一定的方向排布编织而成，载线与载线之间存在着一定的间隙，这种结构远比理想金属管形态复杂，并且这些空隙在微波段与波长相比并非完全可以忽略，因此传统的电缆屏蔽层模型显然不能满足屏蔽层和接地对于现代舰船电缆电磁耦合效应影响的精确研究。

本文针对舰船工程中接地电阻对于屏蔽层的屏蔽效果影响的问题，重点讨论了接地电阻对于金属编织网屏蔽层屏蔽效果的影响。基于CST电磁场仿真设计平台，结合工程实际，建立发射及接收电缆三维仿真模型，对不同接地电阻对金属编织网屏蔽层屏蔽效果的影响进行仿真和分析，研究结果表明，对于一定长度的电缆，当接地电阻低于 150×10-3Ω时，随着接地电阻的增加，感应电压最高值对应的频点处金属编织网屏蔽能力变化不大，其余频点金属编织网屏蔽能力略微下降，当接地电阻高于150×10-3Ω时，随着接地电阻的增加，整个频段的感应电压幅值迅速增大，金属编织网屏蔽效果迅速降低。

1 仿真模型设计思路

如图1所示，为了精确仿真接地电阻对金属编织网屏蔽层的屏蔽效果，本文共选取2种电缆进行建模，其中发射电缆代号为LIFY，接收电缆代号为，R-RG58-CESHI1。

图1 发射及接收电缆模型

图1中，发射电缆为非屏蔽电缆，接收电缆R-RG58-CESHI1为4层结构，屏蔽层为金属编织网，其中金属编织网结构如图2所示，首先若干金属细线并排组成载线，载线按照一定的角度彼此交叠编织形成编织网，这种结构表面不平滑，金属细线与细线之间，载线与载线之间都存在一定的空隙，因此金属编织网的传输阻抗较为复杂，传统的电磁计算方法难以对这种结构进行精确仿真。

图2 金属编织网结构图

CST电缆工作室是一款分析电缆、电缆束的电磁仿真软件，可以定义复杂电缆及电缆束模型，利用传输线理论、电路仿真与 3D全波电磁场仿真的方法得到精确和快速的电磁兼容结果。

为了研究接地电阻对金属编织网屏蔽效果的影响，本文建立仿真模型设计流程如图3所示。

图3 仿真模型设计思路

2 发射接收电缆模型仿真及分析

按照1章中的步骤设计包含金属编织网屏蔽及接地电阻的电缆综合模型，利用CST电缆工作室进行仿真和计算。发射电缆和接收电缆的横截面结构图见图1所示，接收电缆的金属编织网屏蔽层展开结构图见图2所示，载线数量=16，每条载线的编织线数量=7，编织线直径=0.122 mm，载线角度=26°。图4为发射电缆和接收电缆仿真模型，此处H=5 cm，L=5 cm，所有电缆长度固定为1 m，其导出的SPICE模型如图5所示，其中金属编织网屏蔽层screen为两端接地，接地电阻均设为R，R值变化范围为 10×10-3～5000×10-3Ω，发射电缆传输信号幅度为 1 V，频率为 0～250×106Hz。

图4 发射与接收电缆仿真模型

图5 电缆 SPICE仿真模型

R值从 10×10-3～5000×10-3Ω，共取 8个点并进行仿真计算，仿真结果如图6所示。

由图可以发现，随着接地电阻R从10×10-3Ω增加到5000×10-3Ω，接收电缆中的感应电压的最高值的频率基本保持在145-147×106Hz之间，而其余频点的幅值则越来越高，并形成几个新的峰值，可以判断，这些感应电压峰值是由于接地电阻变大，导致接收电缆金属编织网屏蔽层屏蔽能力降低造成的。其中当接地电阻R从 10×10-3Ω增加到150×10-3Ω时，接收电缆中的感应电压最高值的频率固定在147×106Hz，幅值由0.0178 V变为0.0118 V，变化较小。

图6 发射与接收电缆仿真结果

而其余频点对应的感应电压幅值略微上升，这是因为当接地电阻R阻值小于150×10-3Ω时，接地电阻的阻值整体很小，对金属编织网屏蔽层的屏蔽效果影响不大，当接地电阻R从150×10-3Ω增加到5000×10-3Ω时，接收电缆中的感应电压最高值的频率从147×106Hz降低至145×106Hz，幅值由0.0118 V增加至0.0217 V，其余频点的感应电压幅值也有明显的上升，其中在3.8×106Hz处，出现第二高峰，峰值为0.0147 V，这是因为当接地电阻的阻值超过一定的限度时，其对于金属编织网屏蔽层的屏蔽效果影响极为明显，接地电阻的大小成为决定屏蔽层屏蔽效果的主要因素。

综上所述，对于一定长度的电缆，接地电阻对于金属编织网屏蔽效果的影响在不同的阻值范围内，表现出不同的规律，当接地电阻阻值较低时，随着接地电阻的增加，接收电缆感应电压的峰值变化不大，而其余频点的感应电压略微上升，当接地电阻阻值较高时，随着接地电阻的增加，整个频段内的感应电压都随之明显增大，金属编织网的屏蔽效果急剧的降低。

3 结论

本文基于CST电磁场仿真设计平台，建立发射、接收电缆三维仿真模型，对不同接地电阻对金属编织网屏蔽层屏蔽效果的影响进行仿真和分析，研究结果表明，对于一定长度的电缆，当接地电阻低于150×10-3Ω时，随着接地电阻的增加，感应电压最高值对应的频点处金属编织网屏蔽效果变化不大，其余频点金属编织网屏蔽效果略微降低，当接地电阻高于150×10-3Ω时，随着接地电阻的增加，整个频段的感应电压幅值迅速增大，金属编织网屏蔽效果急剧降低。利用这种基于CST电磁场仿真设计平台发射、接收电缆三维仿真模型，可以精确模拟实艇复杂电缆耦合问题，对于定量预估和解决舰船电磁兼容问题，具有重要的指导意义。

[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]BELLAND,PIGNARI S A.Estimation of crosstalk in nonuniform cable bundles[C].In Proc.2005 IEEE Int.Symp.on Electromagn.Compat,Chicago,IL,USA,2005,(8): 336-341.

[3]阎毓杰，等.舰艇双绞线电缆耦合影响预测与仿真[J].舰船科学技术,2012,9(34): 103-106.

[4]李明.电子通讯设备中接地问题的研究与分析[J].产业与科技论坛，2011,6:81-82.

[5]冯桂山，等.屏蔽室接地线对屏蔽效能和信号泄露的影响[J].安全与电磁兼容,2005,3: 85-87.