电磁场对屏蔽电缆耦合的研究现状及发展趋势

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[24 ] , 少部分采用了时域多分辨分析方法 , 也 [25 ] 有一些混合算法获得了应用 。 随着计算机技术
各场分量进行严格求解, 理论上较为严格。 随着计 算电磁学的不断发展, 对电磁场问题作时域全波分 析成为可能, 逐渐发展了一些新的时域全波分析算 法。其中比较典型的计算方法有: ( 1 ) 时域有限差分法。FDTD 法在分析线缆耦 合方面已有较长应用历史, 它可以采用全波分析法, 将电缆耦合问题作为电磁散射问题来分析。 FDTD 法是分析电线电缆耦合电磁场问题的有力手段 , 然 而, 在实际应用时它仅适用于相互平行的导体结构 , 对于垂直导线结构以及其他复杂导体则不能处理 。 该算法还存在对计算机内存要求较高和计算时间较 长的问题。目前的主要发展方向是提高计算精度, 增加模拟复杂媒质和结构的能力 ( 特别是对不同媒 质分界面处的模拟 ) , 减少对计算机存储空间等硬 件水平的需求等。 近年来, 有多种 FDTD 法的变形 35] 出现, 文献[ 举出了较具特色的几种。 ( 2 ) 传输线矩阵方法。传输线矩阵法建立在传 输线理论上, 也被用来分析传输线上任一点的电压 与电流的分布情况。传输线矩阵法 TLM 是和 FDTD 法几乎同时发展起来的时域方法, 但其应用不如后 者广泛, 原因在于与 FDTD 法相比, 这种方法的运用 较为复杂, 需要进行电路参数和场量之间的转换 , 而 且占用计算机内存较大, 计算效率相对较低。此外, 该方法对非均匀网格的处理能力和吸收边界的作用 TLM 方法也 效果尚待提高。随着研究人员的努力,
2011 年第 3 期 No. 3 2011
电线电缆 Electric Wire & Cable
2011 年 6 月 Jun. , 2011
电磁场对屏蔽电缆耦合的研究现状及发展趋势
王川川, 朱长青
( 军械工程学院电气工程系, 河北 石家庄 050003 ) 摘要:为了提高军用移动电站的电磁防护能力 , 需要研究电磁场对屏蔽电缆的影响 , 从而提高屏蔽电缆的电磁 防护能力。总结了国内外在屏蔽电缆耦合电磁场问题方面的研究情况 ;介绍了常用的研究方法以及某些方法 的最新发展;指出了电磁场对屏蔽电缆耦合问题的研究发展方向 。 关键词:屏蔽电缆;电磁场;耦合;电磁防护 中图分类号:TM246 文献标识码:A 6901 ( 2011 ) 03000105 文章编号:1672-
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静电电磁脉冲
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图1
电磁干扰源构成
1129 收稿日期:2010作者简介:王川川( 1985 - ) , 男, 博士研究生. 050003] . 作者地址:河北石家庄市和平西路 97 号[
电磁干扰源产生的电磁干扰依据一定的耦合途 径到达敏感设备, 从而对敏感设备的工作产生影响 。 研究表明, 电磁干扰作用于敏感设备必须具备三个 条件:干扰源、 能量传输途径和敏感设备。图 2 为电
归纳了常用的研究方法以及常用防护措施 , 介 总结, 绍了电线电缆电磁防护问题的研究发展趋势 。
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电线电缆在电磁防护方面的研究内容
( 1 ) 电磁干扰源及干扰途径[1]。电磁干扰源既
有自然干扰源, 又有人为干扰源。 具体到战场环境 中, 起主要作用的是各种人为的电磁干扰源。 现代 战场的电磁干扰源构成如图 1 所示。
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场线耦合问题国内外研究概况
国外研究概况 国外早在 20 世纪 60 年代就开始了线缆耦合电 磁场的研究, 下面对其研究中所采用的理论和取得
的主要成果进行介绍。 Vance. E. F[2] 运用传输线模型来研究空间电 磁场与架空输电线路、 空间电磁场与地下屏蔽电缆 的耦合, 给出了管状屏蔽和编织型屏蔽两种同轴电 缆的转移阻抗和转移导纳的计算及测量方法 , 没有 多层屏蔽的电缆对空间电磁场的耦合 , 研究多导体、 也没有解决这种电缆的转移阻抗和转移导纳的计算 Mircea Ianovici 和 Lin 及测 量 方 法。 Michel Aguet、 Chungchi[3]将空间电磁场与屏蔽电缆之间的复杂 外传输 耦合问题分解为两个相对简单的关联的内 、 , 线系统 外传输线系统由屏蔽电缆的屏蔽层和大地 构成, 由此系统计算得到在空间电磁场激励下的屏 蔽层电压和电流响应, 内传输线系统由屏蔽电缆的 屏蔽层和芯线构成, 由此系统计算得到芯线上的响 应, 两个传输线系统由转移阻抗及转移导纳联系在 Amore. M, Feliziani. M 和 Celozzi. S 一起。 D ’
自然干扰 雷电电磁脉冲 系统内部干扰 无意干扰 系统外部干扰 NEMP( 核电磁脉冲) 干扰源 EMP 弹( 电磁脉冲弹) 人为干扰 HPM( 高能微波) 有意干扰 NEMP MPM( 微波功率模块) 非 DEW( 定向能武器) UWB( 超宽带) 电磁导弹
The Present Research and Development Trend of Electromagnetic Fields Coupling to Shielding Cables WANG Chuanchuan,et al
( Department of Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003 ,China) Abstract : In order to enhance the electromagneticShield ability of military movable power station,the affect of electromagnetic fields to shielding cables needs be researched,so the shielding cables’electromagneticshield ability can the research situations of electromagnetic fields coupling to shielding cables were summabe enhanced. In this paper, rized,the research methods that were commonly used and the developments of some was presented. The direction of the research on the problem electromagnetic fields coupling to shielding cables were pointed out. Key words: shielding cables; electromagnetic fields; coupling; electromagneticshield
军用移动电站给军用装备供电的长电缆极易耦 合电磁信号, 成为空间电磁信号的接收天线, 给用电 装备和发电系统造成干扰甚至破坏 。对屏蔽不够好 的电站和武器装备来说, 长电缆通常会成为引进干 扰的主要途径。 为了提高电站的电磁防护能力, 首先就要研究 电线电缆的电磁防护, 使得电线电缆上产生的电磁 干扰信号降至最低限度。本文对国内外在电线电缆 对空间电磁场的耦合及防护方面的研究进展进行了
[9 ] [8 ]
( 2 ) 线缆屏蔽结构的研究, 包括各类屏蔽材料、 形式或组合结构, 大致包括: ① 金属管状结构; ② 金 属丝编织( 不同编织密度 ) 结构; ③ 金属丝缠绕 ( 不 同密度) 结构;④金属薄膜重叠绕包 ( 或纵包 ) 结构; ⑤钢带铠装结构; ⑥ 金属镀层 ( 包括物理或化学镀 层) 结构;⑦半导电屏蔽材料的屏蔽作用; ⑧ 导电漆 膜结构;⑨以上组合结构。 ( 3 ) 线缆不同传输形式的研究, 包括: ① 对绞; ②对绞屏蔽;③星绞;④星绞屏蔽;⑤同轴结构;⑥双 同轴对称射频结构( 分屏蔽后加总屏蔽 ) ; ⑦ 三同轴 结构;⑧漏泄电缆的耦合( 利用电磁耦合) 。 ( 4 ) 不同屏蔽结构、 不同传输形式的线缆在不 同频段或不同场源情况下耦合干扰信号机理及防护 措施的研究。 ( 5 ) 不同屏蔽结构、 不同传输形式的线缆的转 移阻抗与转移导纳的计算、 测量方法研究。 ( 6 ) 线与线之间的串扰与互耦。
· 2·
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合是通信电缆电磁干扰的重要来源, 这说明线缆之 间的互耦有时能产生很大的影响, 是不可忽视的干 扰源。 综合国外研究文献来看, 国外对场线耦合问题

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电线电缆 Electric Wire & Cable
2011 年 6 月 Jun. , 2011
图2
电线电缆遭来自百度文库电磁干扰示意图
与屏蔽电 缆 响 应 之 间 的 集 中 参 数 矩 阵 方 程 关 系。 Arlon T. Adams、 Jose Perini 等[7] 研究了超高频及以 上频率电磁场对线缆的耦合, 在这种情况下, 电缆将 变为电大尺寸, 线上感应电流的分布为驻波或行波 模式, 电流将出现反射。Tesche. P. M 等 研究了空 间电磁场与架空输电线路之间的耦合, 给出了空间 电磁场激励下计算架空线响应的格林函数 , 由此函 数可以很方便地计算架空输电线路上任意点处的响 应, 没有研究空间电磁场与屏蔽多导体电缆的耦合 。 Belifuss. J 另外, 运用模式传播理论求解空间电磁 场激励下的多导体传输线响应, 建立了传输线响应
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电线电缆 Electric Wire & Cable
2011 年 6 月 Jun. , 2011
线电缆遭受电磁干扰的示意图。
据场线耦合的内外传输线模型, 研究了空间电磁场 与同轴屏蔽电缆、 空间电磁场与屏蔽多导体平行芯 线电缆及螺旋状芯线电缆的耦合和空间电磁场与无 屏蔽多导体平行芯线电缆及螺旋状芯线电缆的耦合 等, 通过运用电路模型理论最后推导出空间电磁场
的最大值与传播模式之间的关系, 但是此种方法非 常烦琐。 对于屏蔽电缆的转移阻抗与转移导纳的计算与 测量, 许多学者作出了不懈的努力, 提出了一些模型 与方法。基本做法是在电缆屏蔽层加上一个已知的 电压和电流信号, 然后测量电缆芯线上感应到的电 压和电流信号, 最后根据一定的计算方法得到转移 阻抗和转移导纳。 这些方法能应用于 GHz 以下环 境, 但存在适用的电缆种类有限, 计算方法、 测量装 [10 ] 、 。 Kley. T 提出了一种测 置复杂 代价较高等问题 使屏蔽电缆转移阻抗和转移导纳的测量大 量方法, 大简化, 测量装置简单, 花费较少, 但该方法应用范 围有限, 只适用于单芯屏蔽电缆。 为了得到屏蔽电 Helmers. S 和 Gon缆 的 转 移 阻 抗 和 转 移 导 纳, schorek. K. H[11]提出将矩量法 ( MOM ) 传输线理论 ( TLT) 和实验测量法相结合, 可得到一种快速、 简便 的方法。他们还研究了在什么情况下转移阻抗和转 移导纳在场线耦合中各自起到主要作用。 Orlandi. A[12]利用 SPICE 软件, 建立了屏蔽同轴电缆转移阻 抗和转移 导 纳 的 计 算 模 型, 该模型应用范围比较 有限。 有文献指出, 对于线缆之间的互耦, 受扰线上感 但却处于同一数量 应电压比干扰线上电压低很多, 级。Levin. B. M 研究了两芯通信电缆转移阻抗和 转移导纳的计算方法, 在研究中发现芯线之间的耦
的研究基本理论都来自 E. F. Vance 的 研 究 成 果。 随着其他技术的发展及其在场线耦合分析中的应 14]等。 用, 又出现了一些新的 计 算 模 型, 如 文 献[ 对于复杂环境中的屏蔽电缆, 在计算电缆屏蔽层上 的感应信号时, 也可以采用一些现有的软件计算电 FEKO 软件 缆屏蔽层上的响应, 如 FEDELITY 软件、 等。在计算电缆芯线响应时, 一般仍采用传输线模 型进行求解。 在场线耦合问题的研究中, 国外学者做了很多 实际的、 有开创性的工作, 提出了一些经典、 常用不 衰的计算模型和方法, 发展了一些实用的算法。 由 , 于该问题的复杂性 并且很多方面仍是未知领域, 或 未完全搞清, 主要包括以下方面: ( 1 ) 前人的研究中有很多屏蔽结构、 传输形式 的线缆耦合电磁场的机理没有涉及到 ; ( 2 ) 前人的研究中, 很多研究方法是经过将研 究对象简化的结果, 与实际情况偏差较大; ( 3 ) 现有的屏蔽电缆的转移阻抗、 转移导纳计 算和测量方法存在适用范围有限 、 技术复杂、 代价高 昂等问题; ( 4 ) 在研究一些新的电磁干扰源对线缆的耦合 时, 采用经典的模型和方法已不能得到十分满意的 结果。 2. 2 国内研究概况 国内对于屏蔽电缆耦合电磁场问题的研究高潮 起于 20 世纪 90 年代末。大多数研究基于传输线理
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