屏蔽电缆的电磁骚扰耦合分析

　　随着空间电磁环境日趋复杂，测试系统中用于传输微弱信号的屏蔽电缆很容易受到外部电磁骚扰的影响，成为电磁能量的吸收器，从而影响数据测试的精度，严重时会导致系统不稳定。目前许多电子测量设备及控制设备大都采用同轴电缆进行连接，在考虑电磁脉冲对系统产生的干扰问题时，首先需要考虑的因素之一就是电缆上引入的干扰。当电缆处于电磁脉冲环境场中，由于外皮上产生感应电流，通过皮芯之间的转移阻抗，在芯线上必然产生电流，电压干扰信号，这样必然影响电缆所连接的仪器设备的正常工作。

　　一．数学模型

　　电缆结构和空间电磁场入射方位如下，长度为l的屏蔽电缆距离地面高度h平行放置，εr为相对介电常数。屏蔽层两端接地电阻分别为Z1，Z2。k为平面电磁干扰入射方向，φ为入射方位角。θ 为入射仰角。

　　这个模型分为内外俩部分，电缆屏蔽层，外部电磁场以及大地都成外系统，屏蔽层与芯线构成内系统。具体见下面的框图。

　　二．屏蔽响应层的计算

　　外系统可以利用细线算法进行分析，可以将细导线上的感应电流作为电流源带入Maxwell方程。

　　进行迭代运算，直接得到电缆屏蔽层电流分布。吸收边界采用有耗介质的各向异性介质完全匹配层，可实现对有耗介质中电磁波的无反射吸收。

　　三．芯线相应的计算分析

　　外系统的得到的屏蔽电流层分布电流可以通过转移导纳和阻抗等效为内系统的分布电流源和分布电压源，进而利用传输线理论计算芯线的响应。一般，转移阻抗越大，电缆屏蔽性能越差。对于管状屏蔽电缆，可以忽略小孔电感和编制电感的影响，且因为其具有良好的完整性，转移导纳亦可忽略不计。

　　将内系统等效为如下图所示的传输线模型，可用下面传输线方程描述

　　等效电路可用下面传输线方程描述

　　内系统采用FDTD方法分析。对上面式子，分别以中心差商代替，以前向差商代替
 

　　

        对式子进行空间和时间上的离散，离散后方程为

.

 

　　整理可得

　　对上式进行时间离散可得

　　以上就是计算芯线响应的迭代公式。可以看出，只要得到m点两侧m+1和m-1的分布电压和电流值以及屏蔽层的分布电流值，就可以得到m点当前的值。进行迭代时只要给出初始值和末端边界条件，就可以利用得到外部电磁场作用的芯线上的时域响应。

　　四．数值模拟

　　利用时域有限差分法模拟地面铺设100m长的SYV50-5同轴电缆的蒙皮电流分布。激励电磁波脉冲波形4如下。计算中大地电导率，大地相对介电常数取，相对磁导率取。计算空间采用均匀网格剖分，，时间步长和空间步长的关系满足自由空间中FDTD算法的稳定性和收敛条件。吸收边界条件取，，P=1，2，3，4，5，6，7，8。同时，利用辐射波电磁脉中模拟器对电磁脉冲对屏蔽电缆的耦合问题进行研究，用它作为理论模拟的源场。

辐射场波形


地面场波形


电缆中心感应皮电流测量波形


计算波形
 

五．小结

从上述模拟结果可以看出，电缆处于电磁脉冲环境场中，中心点的感应电流最大。向两端电流幅值逐渐减小；在辐射波模拟器中，由于大地对电磁波的吸收与反射，地面电场的强度衰减很快，所以地面电场强度较空中电场强度小，对电缆的耦合效应同样减落弱。另外，同样长度的电缆架高后产生的感应电流幅度大于平铺于地面产生的感应电流的幅度。