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，測試系統(tǒng)中用于傳輸微弱信號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)測試的精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。目前許多電子測量設(shè)備及控制設(shè)備大都采用同軸電纜進行連接，在考慮電磁脈沖對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾問題時，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)境場中，由于外皮上產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過皮芯之間的轉(zhuǎn)移阻抗，在芯線上必然產(chǎn)生電流，電壓干擾信號，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)和空間電磁場入射方位如下，長度為l的屏蔽電纜距離地面高度h平行放置，εr為相對介電常數(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。

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

二．屏蔽響應(yīng)層的計算

外系統(tǒng)可以利用細線算法進行分析，可以將細導(dǎo)線上的感應(yīng)電流作為電流源帶入Maxwell方程。

進行迭代運算，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，可實現(xiàn)對有耗介質(zhì)中電磁波的無反射吸收。

三．芯線相應(yīng)的計算分析

外系統(tǒng)的得到的屏蔽電流層分布電流可以通過轉(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，進而利用傳輸線理論計算芯線的響應(yīng)。一般，轉(zhuǎn)移阻抗越大，電纜屏蔽性能越差。對于管狀屏蔽電纜，可以忽略小孔電感和編制電感的影響，且因為其具有良好的完整性，轉(zhuǎn)移導(dǎo)納亦可忽略不計。

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

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

對上式進行時間離散可得

四．?dāng)?shù)值模擬

利用時域有限差分法模擬地面鋪設(shè)100m長的SYV50-5同軸電纜的蒙皮電流分布。激勵電磁波脈沖波形4如下。計算中大地電導(dǎo)率，大地相對介電常數(shù)取，相對磁導(dǎo)率取。計算空間采用均勻網(wǎng)格剖分，，時間步長和空間步長的關(guān)系滿足自由空間中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，利用輻射波電磁脈中模擬器對電磁脈沖對屏蔽電纜的耦合問題進行研究，用它作為理論模擬的源場。

輻射場波形

地面場波形

電纜中心感應(yīng)皮電流測量波形

計算波形

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)境場中，中心點的感應(yīng)電流最大。向兩端電流幅值逐漸減??；在輻射波模擬器中，由于大地對電磁波的吸收與反射，地面電場的強度衰減很快，所以地面電場強度較空中電場強度小，對電纜的耦合效應(yīng)同樣減落弱。另外，同樣長度的電纜架高后產(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。