屏蔽電纜的電磁騷擾耦合分析

隨著空間電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，測(cè)試系統(tǒng)中用于傳輸微弱信號(hào)的屏蔽電纜很容易受到外部電磁騷擾的影響，成為電磁能量的吸收器，從而影響數(shù)據(jù)測(cè)試的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。目前許多電子測(cè)量設(shè)備及控制設(shè)備大都采用同軸電纜進(jìn)行連接，在考慮電磁脈沖對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾問(wèn)題時(shí)，首先需要考慮的因素之一就是電纜上引入的干擾。當(dāng)電纜處于電磁脈沖環(huán)境場(chǎng)中，由于外皮上產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)皮芯之間的轉(zhuǎn)移阻抗，在芯線(xiàn)上必然產(chǎn)生電流，電壓干擾信號(hào)，這樣必然影響電纜所連接的儀器設(shè)備的正常工作。

一．?dāng)?shù)學(xué)模型

電纜結(jié)構(gòu)和空間電磁場(chǎng)入射方位如下，長(zhǎng)度為l的屏蔽電纜距離地面高度h平行放置，εr為相對(duì)介電常數(shù)。屏蔽層兩端接地電阻分別為Z1，Z2。k為平面電磁干擾入射方向，φ為入射方位角。θ 為入射仰角。

這個(gè)模型分為內(nèi)外倆部分，電纜屏蔽層，外部電磁場(chǎng)以及大地都成外系統(tǒng)，屏蔽層與芯線(xiàn)構(gòu)成內(nèi)系統(tǒng)。具體見(jiàn)下面的框圖。

二．屏蔽響應(yīng)層的計(jì)算

外系統(tǒng)可以利用細(xì)線(xiàn)算法進(jìn)行分析，可以將細(xì)導(dǎo)線(xiàn)上的感應(yīng)電流作為電流源帶入Maxwell方程。

進(jìn)行迭代運(yùn)算，直接得到電纜屏蔽層電流分布。吸收邊界采用有耗介質(zhì)的各向異性介質(zhì)完全匹配層，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有耗介質(zhì)中電磁波的無(wú)反射吸收。

三．芯線(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算分析

外系統(tǒng)的得到的屏蔽電流層分布電流可以通過(guò)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和阻抗等效為內(nèi)系統(tǒng)的分布電流源和分布電壓源，進(jìn)而利用傳輸線(xiàn)理論計(jì)算芯線(xiàn)的響應(yīng)。一般，轉(zhuǎn)移阻抗越大，電纜屏蔽性能越差。對(duì)于管狀屏蔽電纜，可以忽略小孔電感和編制電感的影響，且因?yàn)槠渚哂辛己玫耐暾?，轉(zhuǎn)移導(dǎo)納亦可忽略不計(jì)。

將內(nèi)系統(tǒng)等效為如下圖所示的傳輸線(xiàn)模型，可用下面?zhèn)鬏斁€(xiàn)方程描述

內(nèi)系統(tǒng)采用FDTD方法分析。對(duì)上面式子，分別以中心差商代替

對(duì)上式進(jìn)行時(shí)間離散可得

四．?dāng)?shù)值模擬

利用時(shí)域有限差分法模擬地面鋪設(shè)100m長(zhǎng)的SYV50-5同軸電纜的蒙皮電流分布。激勵(lì)電磁波脈沖波形4如下。計(jì)算中大地電導(dǎo)率，大地相對(duì)介電常數(shù)取，相對(duì)磁導(dǎo)率取。計(jì)算空間采用均勻網(wǎng)格剖分，，時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的關(guān)系滿(mǎn)足自由空間中FDTD算法的穩(wěn)定性和收斂條件。吸收邊界條件取，，P=1，2，3，4，5，6，7，8。同時(shí)，利用輻射波電磁脈中模擬器對(duì)電磁脈沖對(duì)屏蔽電纜的耦合問(wèn)題進(jìn)行研究，用它作為理論模擬的源場(chǎng)。

輻射場(chǎng)波形

地面場(chǎng)波形

電纜中心感應(yīng)皮電流測(cè)量波形

計(jì)算波形

五．小結(jié)

從上述模擬結(jié)果可以看出，電纜處于電磁脈沖環(huán)境場(chǎng)中，中心點(diǎn)的感應(yīng)電流最大。向兩端電流幅值逐漸減小；在輻射波模擬器中，由于大地對(duì)電磁波的吸收與反射，地面電場(chǎng)的強(qiáng)度衰減很快，所以地面電場(chǎng)強(qiáng)度較空中電場(chǎng)強(qiáng)度小，對(duì)電纜的耦合效應(yīng)同樣減落弱。另外，同樣長(zhǎng)度的電纜架高后產(chǎn)生的感應(yīng)電流幅度大于平鋪于地面產(chǎn)生的感應(yīng)電流的幅度。