平行线缆的串扰耦合仿真研究

李玉峰　林鹏　孙文秀　刘裕

摘  要：在飞机电气线路互联系统（EWIS）设计中，量化各类信号电磁干扰程度是重要的研究内容。文章基于CST软件构建平行线缆系统仿真模型，研究了发射线缆注入单源干扰时，线缆隔离间距、线缆离地高度及线缆类型几种要素对接受线缆上串扰耦合的影响；并对同一线束中不同频率的双源混合信号传输体系进行了仿真对比研究，为混合信号在电子设备传输中的串扰分析提供了一定的研究基础。通过仿真结果表明，串扰耦合电压随着线缆隔离间距减小、线缆离地高度增加而增大；屏蔽线可以有效降低电磁干扰；在混合信号传输中高频信号对串扰波形及耦合量影响较为严重。

关键词：电气线路互联系统；串扰；平行线缆；耦合仿真

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）13-0063-05

Research on Crosstalk Coupling Simulation of Parallel Cables

LI Yufeng， LIN Peng， SUN Wenxiu， LIU Yu

（College of Electronic and Information Engineering， Shenyang Aerospace University， Shenyang  110136， China）

Abstract： In the design of aircraft Electrical Wiring Interconnection System （EWIS）， it is an important research content to quantify the degree of electromagnetic interference of various signals. This paper builds a parallel cable system simulation model based on CST software， and studies the influence of cable isolation distance， cable ground height and cable type on the crosstalk coupling on the receiving cable when single-source interference is injected into the transmitting cable. The simulation and comparison research of the dual-source mixed-signal transmission system with different frequencies in the same wiring harness is carried out， which provides a certain research basis for the crosstalk analysis of the mixed-signal in the transmission of electronic equipment. The simulation results show that the crosstalk coupling voltage increases with the decrease of the cable isolation distance and the increase of the height of the cable from the ground. The shielded wire can effectively reduce the electromagnetic interference. In the mixed signal transmission， the high frequency signal has a serious influence on the crosstalk waveform and coupling amount.

Keywords： electrical wiring interconnection system; crosstalk; parallel cable; coupling simulation

0  引  言

飛机机载电子系统多采用模块化设计，机载设备之间需要大量的电缆连接，进行信号或能量的传输，由于电气线路系统易发生故障，飞机不能保持平稳飞行和着陆，导致了一些严重飞行的事故的发生[1，2]，美国联邦航空局在2007年对FAR25部第123号修正案做出了相应修正，增加了电气线路互联系统部分，简称为EWIS[3]。该系统对飞机线束的布置设计提出了严格的适航要求，以解决电气线路互连系统的电磁兼容问题。

自然雷电、核爆或电磁武器袭击产生的电磁脉冲会通过空间耦合进入飞机内部电缆中，从而干扰机载设备的正常工作[4]。此外，电缆内由于电磁脉冲产生的强电流干扰还会向周围空间辐射，串扰附近的正常工作的电缆，干扰其他的机载设备[5-7]，这也是EWIS适航设计的重要内容。

在国内飞机的EWIS设计过程中，不同频率传输信号混合干扰的研究比较少，因此有必要通过理论分析来建立EWIS线缆串扰的仿真模型，从而计算出不同干扰条件下的线缆间电磁干扰强度。本文首先研究了线缆输入单源干扰时，在不同隔离间距、不同离地高度和不同线缆类型等要素下串扰的响应；进而在此基础之上分析了不同频率的双源信号混合干扰的串扰响应。

1  线缆仿真理论

CST是一款三维高频电磁场仿真软件，不仅可以对单个器件进行优化设计，还可以对整体系统进行协同仿真，其中包含8个工作室子软件。本文则是基于CST电缆工作室来搭建串扰的仿真模型，并进行建模仿真。CST电缆工作室中有如单线、双绞线、屏蔽线、同轴线、捆扎线等多种线型的电缆模型库和电路集总单元库。

研究线缆线束串扰的方法有多种，主要包括集总参数电路模型法、电磁场数值法和传输线法，传输线法求解步骤相对简单，计算机容易实现，且结果也相对准确[8]，所以本文根据传输线理论[9]，以共地平行线缆为研究对象，模拟线缆上的分布参数对传输信号的影响，进而得出线缆之间的串扰耦合结果。共地平行线缆示意图与其等效电路图分别如图1、图2所示。1号线缆需要注入干扰信号，称之为发射线缆，其中一端接有内阻抗为Z0的干扰源Es，另一端接负载电阻ZL；2号线缆的两端均接负载电阻ZL，接收来自發射线缆的辐射干扰，称之为接收线缆。NEXT表示近端串扰，FEXT表示远端串扰，两根线缆间距为d，距地面高度均为h，线缆长度均为L，通过公共的接地点形成闭环回路。每根线缆都有分布电阻、分布电感，两根线缆之间存在互电容、互电感，两根线缆与地面之间还存在分布电容。

发射线缆与接收线缆的单位长度电阻分别为RT、RR，单位长度电感分别为LT、LR，单位长度电容分别为CT、CR，两根传输线缆之间的单位长度互电感、互电容分别为LM、CM。

应用基尔霍夫定律，令?z→0时，有：

所以当得到了线缆线束的分布参数后，代入式（1）中即可得出接收线缆上的串扰电压和串扰电流。

2  单源信号对串扰的影响

串扰耦合的大小作为系统电磁兼容性指标可以衡量线缆之间互相干扰的程度[10，11]。若两根线缆上的信号相互影响，严重时会影响到电气线路系统的正常工作，危及飞机飞行安全。线缆隔离间距、线缆离地高度等因素都可以影响线缆串扰耦合，本节针对上述因素在单个干扰源的情况下进行了线缆的串扰分析，并对比研究了有无屏蔽措施的线缆及扭绞线的抗干扰能力。

依据实际工程中使用的导线规范，在CST电缆工作室的数据库中生成串扰仿真所需要的单线、双绞线、同轴线和屏蔽双绞线，并构建图1所示的仿真模型。在模型中取参考地的尺寸为长2 m，宽1 m，无厚度，材质为PEC（Perfect Electric Conductor）。发射线缆与接收线缆的负载阻抗均为50 Ω。

本节使用的干扰源选用方波信号，具体参数为：Vpulse为20 V，Ttotal为1 μs，Tdelay为0.05 μs，Trise为

0.05 μs，Thold为0.7 μs，Tfall为0.05 μs。干扰信号波形图如图3所示。

2.1  线缆隔离间距对串扰耦合的影响

发射线缆与接收线缆均采用软件数据库中型号为22AWG的单芯非屏蔽导线，两根线缆离地高度h均为5 cm，线长L均为1 m。线缆隔离间距d分别以5、10、15 cm进行仿真。接收线缆上近端串扰耦合电压值随线缆隔离间距的变化曲线如图4所示。

从图4的仿真结果中得出，在相同的发射与接收条件下，线缆隔离间距为5、10、15 cm时，接收线缆上的串扰耦合电压峰值分别为0.380 7、0.292 6、0.127 6 V。可以发现，随着线缆隔离间距不断地增大，线缆间的串扰耦合效应是有明显地减弱，这是因为当其他条件没有发生变化时，隔离间距增大，线缆间的互电感、互电容都会随之减小，从而降低了接受线缆上的串扰电压。因此在实际的工程中，可以考虑适当增加线缆的隔离间距。

2.2  线缆离地高度对串扰耦合的影响

发射线缆和接收线缆仍然使用单芯非屏蔽导线22AWG，两根线缆长度L均为1 m，线缆隔离间距d为5 cm。线缆离地高度h分别以5、10、15 cm进行仿真。接收线缆上近端串扰耦合电压值随线缆离地高度的变化曲线如图5所示。

从图5的仿真结果中得出，在相同的发射与接收条件下，线缆离地高度为1、5、10 cm时，接收线缆上的串扰耦合电压峰值分别为0.094 9、0.380 7、0.636 1 V。从结果中可以明显看出线缆越接近地面，接收线缆上的串扰电压值是越小的。这是因为当线缆离地高度降低，在其他条件不变的情况下，线缆与地面之间所构成的回路面积减小，这样就使得回路中的磁通量变小，进而减弱了耦合效应。所以在实际布线时，要充分考虑到让线缆线束更贴近地面或壳体表面。

2.3不同线缆类型对串扰耦合的影响

发射线缆采用单芯非屏蔽导线22AWG，两根线缆离地高度h均为5 cm，线缆长度L均为1 m，线缆隔离间距为5 cm。接收线缆分别以单芯非屏蔽导线22AWG、双绞线UTP_LIFY_1qmm、同轴线RG316和自定义的屏蔽双绞线进行仿真，其中同轴线和自定义屏蔽双绞线中的屏蔽层均使用铜编织网。接收线缆上的近端串扰耦合电压值随线缆类型的变化曲线如图6所示。

从图6的仿真结果中得出，在相同的发射与接收条件下，接受线缆类型分别选择单芯非屏蔽导线、双绞线、同轴线和屏蔽双绞线时，串扰耦合电压峰值分别为0.380 7、1.584 9、0.001 5、0.003 4 V。根据结果可以看出双绞线受到的串扰明显高于其他类型线缆，这是由于双绞线内部有两根导线互相缠绕，其内部可以直接构成回路，在仿真模型中并没有接地，所以串扰电压较大。而同轴线和屏蔽双绞线内部有屏蔽层，屏蔽层可以很好地将电磁波进行反射或吸收，这样不仅可以防止外来电磁干扰，还可以阻止自身的内部信号向外辐射干扰。相对于单芯非屏蔽导线和双绞线，屏蔽线的串扰几乎可以忽略。所以在同等条件下，具有屏蔽措施对抑制线间串扰有明显的效果。

3  不同频率混合信号对串扰的影响

由于机载平台实际所承载的线缆数量庞大，种类繁多，通常情况下需要捆扎成束，在同一线束中，传输不同信号的线缆密集排布，导致线缆之间极易互相影响信号的正常收发。接受线缆上的串扰耦合量是由每根发射线缆对被扰线共同作用的结果，即多对一耦合[12]，所以为了研究同一线束中混合信号对于串扰耦合的影响，基于文中第二节的仿真模型，增加了一条发射线缆，线束截面位置模型图如图7所示。

图7中，设线束内部由10根导线所构成，并进行编号。取线4为接收线缆，线9与线10为输入不同频率信号的发射线缆，线型均为22AWG单芯非屏蔽导线。线9输入频率为0.01 MHz的三角波信号，Ttotal为100 μs，Trise为30 μs，Tfall为30 μs，Tdelay为20 μs。线10分别输入不同频率的正弦波信号。信号幅值均为20 V，线9和线10中心连接线的中点与线4中心的距离D为5 mm。接收线缆上的近端串扰耦合电压值随不同频率混合信号的变化曲線如图8所示。

从图8的仿真结果中可以得出，线9输入的三角波信号与线10分别输入0.01、0.1、1 MHz的正弦波信号混合时，串扰电压最大幅值分别为0.012 4、0.085 4、0.775 9 V。随着输入的正弦波频率的增大，串扰电压波形逐渐开始保持正弦波的形态平稳振荡。

根据上述结果，0.01 MHz的三角波信号与1 MHz的正弦波信号混合输入会相对产生较大的干扰。为了进一步分析屏蔽措施对于串扰的影响，将线10的单芯线外加入一层编织型防波套，继续输入1 MHz的正弦波信号进行仿真，与单芯非屏蔽导线的串扰耦合对比如图9所示。从图中可以明显看出，对发射线缆线10加入了防波套之后，串扰耦合可以降低两个数量级，对接收线缆的干扰有大幅度地降低。所以为了在同一线束中保证各信号可以正常收发，要对较高频率的信号增加屏蔽措施或使用屏蔽线进行信号的传输。

4  结  论

本文基于CST电缆工作室构建平行线缆的仿真模型，分别仿真分析了输入单源信号干扰时，线缆隔离间距、线缆离地高度、线缆类型对串扰的影响，和同一线束中输入不同频率的混合信号对串扰的影响，通过仿真数据的分析可对实际工程中飞机的EWIS设计提供一些相应的参考：

1）布局设计。在布局上可以通过增大线缆隔离间距和减小线缆的离地高度来降低线间串扰程度。由于机载空间狭窄，线缆应分类型敷设，采用最小的间距将各类线缆分开，屏蔽线可适当减小线缆间距。

2）屏蔽措施。在同一线束中传输不同频率的混合信号时，对较高频率信号的传输线外部可增加防波套等金属套管，或改用屏蔽线进行传输。在某些复杂的传输系统中也可以采取双层屏蔽的措施来避免干扰。

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作者简介：李玉峰（1969—），男，汉族，辽宁沈阳人，教授，博士，研究方向：图像处理与传输技术；林鹏（1996—），男，满族，辽宁丹东人，硕士研究生，研究方向：信息获取与处理技术；孙文秀（1992—），女，汉族，辽宁丹东人，讲师，博士，研究方向：电磁无损检测；刘裕（1998—），男，汉族，江苏南京人，硕士研究生，研究方向：信息获取与处理技术。