王川川，朱長青

(軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊050003)

軍用移動電站給軍用裝備供電的長電纜極易耦合電磁信號，成為空間電磁信號的接收天線，給用電裝備和發(fā)電系統(tǒng)造成干擾甚至破壞。對屏蔽不夠好的電站和武器裝備來說，長電纜通常會成為引進(jìn)干擾的主要途徑。

為了提高電站的電磁防護(hù)能力，首先就要研究電線電纜的電磁防護(hù)，使得電線電纜上產(chǎn)生的電磁干擾信號降至最低限度。本文對國內(nèi)外在電線電纜對空間電磁場的耦合及防護(hù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了

圖1電磁干擾源構(gòu)成

電磁干擾源產(chǎn)生的電磁干擾依據(jù)一定的耦合途徑到達(dá)敏感設(shè)備，從而對敏感設(shè)備的工作產(chǎn)生影響。研究表明，電磁干擾作用于敏感設(shè)備必須具備三個(gè)條件:干擾源、能量傳輸途徑和敏感設(shè)備。圖2為電總結(jié)，歸納了常用的研究方法以及常用防護(hù)措施，介紹了電線電纜電磁防護(hù)問題的研究發(fā)展趨勢。

1 電線電纜在電磁防護(hù)方面的研究內(nèi)容

(1)電磁干擾源及干擾途徑［1］。電磁干擾源既有自然干擾源，又有人為干擾源。具體到戰(zhàn)場環(huán)境中，起主要作用的是各種人為的電磁干擾源?，F(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁干擾源構(gòu)成如圖1所示。線電纜遭受電磁干擾的示意圖。

圖2 電線電纜遭受電磁干擾示意圖

(2)線纜屏蔽結(jié)構(gòu)的研究，包括各類屏蔽材料、形式或組合結(jié)構(gòu)，大致包括:①金屬管狀結(jié)構(gòu);②金屬絲編織(不同編織密度)結(jié)構(gòu);③金屬絲纏繞(不同密度)結(jié)構(gòu);④金屬薄膜重疊繞包(或縱包)結(jié)構(gòu);⑤鋼帶鎧裝結(jié)構(gòu);⑥金屬鍍層(包括物理或化學(xué)鍍層)結(jié)構(gòu);⑦半導(dǎo)電屏蔽材料的屏蔽作用;⑧導(dǎo)電漆膜結(jié)構(gòu);⑨以上組合結(jié)構(gòu)。

(3)線纜不同傳輸形式的研究，包括:①對絞;②對絞屏蔽;③星絞;④星絞屏蔽;⑤同軸結(jié)構(gòu);⑥雙同軸對稱射頻結(jié)構(gòu)(分屏蔽后加總屏蔽);⑦三同軸結(jié)構(gòu);⑧漏泄電纜的耦合(利用電磁耦合)。

(4)不同屏蔽結(jié)構(gòu)、不同傳輸形式的線纜在不同頻段或不同場源情況下耦合干擾信號機(jī)理及防護(hù)措施的研究。

(5)不同屏蔽結(jié)構(gòu)、不同傳輸形式的線纜的轉(zhuǎn)移阻抗與轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算、測量方法研究。

(6)線與線之間的串?dāng)_與互耦。

2 場線耦合問題國內(nèi)外研究概況

2.1 國外研究概況

國外早在20世紀(jì)60年代就開始了線纜耦合電磁場的研究，下面對其研究中所采用的理論和取得的主要成果進(jìn)行介紹。

Vance.E.F［2］運(yùn)用傳輸線模型來研究空間電磁場與架空輸電線路、空間電磁場與地下屏蔽電纜的耦合，給出了管狀屏蔽和編織型屏蔽兩種同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算及測量方法，沒有研究多導(dǎo)體、多層屏蔽的電纜對空間電磁場的耦合，也沒有解決這種電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算及測量方法。Michel Aguet、Mircea Ianovici和 Lin Chung-chi［3］將空間電磁場與屏蔽電纜之間的復(fù)雜耦合問題分解為兩個(gè)相對簡單的關(guān)聯(lián)的內(nèi)、外傳輸線系統(tǒng)，外傳輸線系統(tǒng)由屏蔽電纜的屏蔽層和大地構(gòu)成，由此系統(tǒng)計(jì)算得到在空間電磁場激勵(lì)下的屏蔽層電壓和電流響應(yīng)，內(nèi)傳輸線系統(tǒng)由屏蔽電纜的屏蔽層和芯線構(gòu)成，由此系統(tǒng)計(jì)算得到芯線上的響應(yīng)，兩個(gè)傳輸線系統(tǒng)由轉(zhuǎn)移阻抗及轉(zhuǎn)移導(dǎo)納聯(lián)系在一起。D’Amore.M，F(xiàn)eliziani.M 和 Celozzi.S［4-6］根據(jù)場線耦合的內(nèi)外傳輸線模型，研究了空間電磁場與同軸屏蔽電纜、空間電磁場與屏蔽多導(dǎo)體平行芯線電纜及螺旋狀芯線電纜的耦合和空間電磁場與無屏蔽多導(dǎo)體平行芯線電纜及螺旋狀芯線電纜的耦合等，通過運(yùn)用電路模型理論最后推導(dǎo)出空間電磁場與屏蔽電纜響應(yīng)之間的集中參數(shù)矩陣方程關(guān)系。Arlon T.Adams、Jose Perini等［7］研究了超高頻及以上頻率電磁場對線纜的耦合，在這種情況下，電纜將變?yōu)殡姶蟪叽?，線上感應(yīng)電流的分布為駐波或行波模式，電流將出現(xiàn)反射。Tesche.P.M 等［8］研究了空間電磁場與架空輸電線路之間的耦合，給出了空間電磁場激勵(lì)下計(jì)算架空線響應(yīng)的格林函數(shù)，由此函數(shù)可以很方便地計(jì)算架空輸電線路上任意點(diǎn)處的響應(yīng)，沒有研究空間電磁場與屏蔽多導(dǎo)體電纜的耦合。另外，Belifuss.J［9］運(yùn)用模式傳播理論求解空間電磁場激勵(lì)下的多導(dǎo)體傳輸線響應(yīng)，建立了傳輸線響應(yīng)的最大值與傳播模式之間的關(guān)系，但是此種方法非常煩瑣。

對于屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗與轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算與測量，許多學(xué)者作出了不懈的努力，提出了一些模型與方法?；咀龇ㄊ窃陔娎|屏蔽層加上一個(gè)已知的電壓和電流信號，然后測量電纜芯線上感應(yīng)到的電壓和電流信號，最后根據(jù)一定的計(jì)算方法得到轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。這些方法能應(yīng)用于GHz以下環(huán)境，但存在適用的電纜種類有限，計(jì)算方法、測量裝置復(fù)雜、代價(jià)較高等問題。Kley.T［10］提出了一種測量方法，使屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的測量大大簡化，測量裝置簡單，花費(fèi)較少，但該方法應(yīng)用范圍有限，只適用于單芯屏蔽電纜。為了得到屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，Helmers.S和 Gonschorek.K.H［11］提出將矩量法(MOM)傳輸線理論(TLT)和實(shí)驗(yàn)測量法相結(jié)合，可得到一種快速、簡便的方法。他們還研究了在什么情況下轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納在場線耦合中各自起到主要作用。Orlandi.A［12］利用SPICE軟件，建立了屏蔽同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算模型，該模型應(yīng)用范圍比較有限。

有文獻(xiàn)指出，對于線纜之間的互耦，受擾線上感應(yīng)電壓比干擾線上電壓低很多，但卻處于同一數(shù)量級。Levin.B.M［13］研究了兩芯通信電纜轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算方法，在研究中發(fā)現(xiàn)芯線之間的耦合是通信電纜電磁干擾的重要來源，這說明線纜之間的互耦有時(shí)能產(chǎn)生很大的影響，是不可忽視的干擾源。

綜合國外研究文獻(xiàn)來看，國外對場線耦合問題的研究基本理論都來自E.F.Vance的研究成果。隨著其他技術(shù)的發(fā)展及其在場線耦合分析中的應(yīng)用，又出現(xiàn)了一些新的計(jì)算模型，如文獻(xiàn)［14］等。對于復(fù)雜環(huán)境中的屏蔽電纜，在計(jì)算電纜屏蔽層上的感應(yīng)信號時(shí)，也可以采用一些現(xiàn)有的軟件計(jì)算電纜屏蔽層上的響應(yīng)，如FEDELITY軟件、FEKO軟件等。在計(jì)算電纜芯線響應(yīng)時(shí)，一般仍采用傳輸線模型進(jìn)行求解。

在場線耦合問題的研究中，國外學(xué)者做了很多實(shí)際的、有開創(chuàng)性的工作，提出了一些經(jīng)典、常用不衰的計(jì)算模型和方法，發(fā)展了一些實(shí)用的算法。由于該問題的復(fù)雜性，并且很多方面仍是未知領(lǐng)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結(jié)構(gòu)、傳輸形式的線纜耦合電磁場的機(jī)理沒有涉及到;

(2)前人的研究中，很多研究方法是經(jīng)過將研究對象簡化的結(jié)果，與實(shí)際情況偏差較大;

(3)現(xiàn)有的屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗、轉(zhuǎn)移導(dǎo)納計(jì)算和測量方法存在適用范圍有限、技術(shù)復(fù)雜、代價(jià)高昂等問題;

(4)在研究一些新的電磁干擾源對線纜的耦合時(shí)，采用經(jīng)典的模型和方法已不能得到十分滿意的結(jié)果。

2.2 國內(nèi)研究概況

國內(nèi)對于屏蔽電纜耦合電磁場問題的研究高潮起于20世紀(jì)90年代末。大多數(shù)研究基于傳輸線理論［15-23］，少部分采用了時(shí)域多分辨分析方法［24］，也有一些混合算法獲得了應(yīng)用［25］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，采用全波分析法，將電纜耦合問題作為電磁散射問題來分析已成為可能。目前國內(nèi)采用場的時(shí)域有限差分法(FDTD)仿真計(jì)算了空間電磁脈沖對電纜屏蔽層的感應(yīng)電流［26-31］，較少進(jìn)行電纜芯線電流的計(jì)算。屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納仍是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在多導(dǎo)體屏蔽電纜對電磁脈沖耦合的研究中，主要集中在多導(dǎo)體電纜參數(shù)的提取上［32，33］，對于多導(dǎo)體之間串?dāng)_的研究較少。在實(shí)驗(yàn)測量方面，測量的重心多在研究電纜屏蔽層的電流，及分析影響電纜屏蔽層電流的相關(guān)參數(shù)［34］，對電纜芯線感應(yīng)信號的測量非常少。

3 常用的研究方法

研究電磁場對傳輸線的耦合問題的分析方法大體來說可以分為兩類，即場的方法和等效路的方法。

3.1 場的方法

這種分析方法直接從Maxwell方程組出發(fā)，對各場分量進(jìn)行嚴(yán)格求解，理論上較為嚴(yán)格。隨著計(jì)算電磁學(xué)的不斷發(fā)展，對電磁場問題作時(shí)域全波分析成為可能，逐漸發(fā)展了一些新的時(shí)域全波分析算法。其中比較典型的計(jì)算方法有:

(1)時(shí)域有限差分法。FDTD法在分析線纜耦合方面已有較長應(yīng)用歷史，它可以采用全波分析法，將電纜耦合問題作為電磁散射問題來分析。FDTD法是分析電線電纜耦合電磁場問題的有力手段，然而，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)它僅適用于相互平行的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，對于垂直導(dǎo)線結(jié)構(gòu)以及其他復(fù)雜導(dǎo)體則不能處理。該算法還存在對計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求較高和計(jì)算時(shí)間較長的問題。目前的主要發(fā)展方向是提高計(jì)算精度，增加模擬復(fù)雜媒質(zhì)和結(jié)構(gòu)的能力(特別是對不同媒質(zhì)分界面處的模擬)，減少對計(jì)算機(jī)存儲空間等硬件水平的需求等。近年來，有多種FDTD法的變形出現(xiàn)，文獻(xiàn)［35］舉出了較具特色的幾種。

(2)傳輸線矩陣方法。傳輸線矩陣法建立在傳輸線理論上，也被用來分析傳輸線上任一點(diǎn)的電壓與電流的分布情況。傳輸線矩陣法TLM是和FDTD法幾乎同時(shí)發(fā)展起來的時(shí)域方法，但其應(yīng)用不如后者廣泛，原因在于與FDTD法相比，這種方法的運(yùn)用較為復(fù)雜，需要進(jìn)行電路參數(shù)和場量之間的轉(zhuǎn)換，而且占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存較大，計(jì)算效率相對較低。此外，該方法對非均勻網(wǎng)格的處理能力和吸收邊界的作用效果尚待提高。隨著研究人員的努力，TLM方法也在不斷發(fā)展［36-38］。

(3)時(shí)域積分方程法(TDIE)。該法近年來發(fā)展迅速，但是因一些因素的制約而限制了它的實(shí)際應(yīng)用，例如存在后期不穩(wěn)定的問題。目前改善TDIE后期不穩(wěn)定性的方法有:平均法、時(shí)域混合場積分法、隱式法、濾波器法、新型的時(shí)間基函數(shù)法、精確計(jì)算時(shí)域積分方程的阻抗矩陣元素等。

此外還有許多其他的算法，如時(shí)域有限元法(FETD)、多分辨率時(shí)域技術(shù)(MRTD)、時(shí)域偽譜算法(PSTD)等。文獻(xiàn)還提到出現(xiàn)了不同算法的結(jié)合，以及信號處理技術(shù)與算法的結(jié)合。

3.2 路的方法

這種方法通過所分析的電纜系統(tǒng)建立起一組等效的傳輸線方程，在一定的近似條件下，將電纜內(nèi)外電場和磁場的耦合簡化成電纜內(nèi)外電流、電壓通過屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的耦合關(guān)系，從而求解電纜外部空間電磁場激勵(lì)時(shí)引起的內(nèi)部響應(yīng)，這類方法比較簡單實(shí)用。

Helmers.S.和 Gonschorek.K.H 研究發(fā)現(xiàn)，傳輸線模型有一些局限性［39］，針對這些問題，F(xiàn).M.Te-sche等指出如果電纜和大地組成系統(tǒng)滿足兩個(gè)條件:一是大地為完純導(dǎo)體，電纜和它在大地中的鏡象導(dǎo)體成完全對稱狀態(tài)，此時(shí)共模電流非常小，只需考慮差模電流;二是在感興趣的頻率范圍內(nèi)，傳輸線的橫向尺寸為電小尺寸，即與波長相比很小，即可運(yùn)用傳輸線理論進(jìn)行分析［40］。

由于傳輸線模型簡單，易于考慮電纜參數(shù)的頻變特性，且能滿足工程實(shí)踐的需要，因此在場線耦合機(jī)理研究中得到了廣泛的應(yīng)用。學(xué)者們提出了場線耦合計(jì)算模型，主要有 Taylor模型、Agrawal模型、Racchidi模型等。至于 Vance.E.F的模型，基本與Agrawal模型相同，但有所簡化。由于Agrawal模型中只用到了沿線電場分量作為激勵(lì)，因此模型簡單，但在終端邊界條件處理方面比Taylor模型復(fù)雜。由于實(shí)際應(yīng)用中傳輸線多為耦合多導(dǎo)體傳輸線，因此實(shí)際應(yīng)用中的場線耦合問題可以歸結(jié)于耦合多導(dǎo)體傳輸線的場線耦合問題。以上述三種傳輸線模型為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者對耦合多導(dǎo)體傳輸線耦合響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，大多數(shù)研究均在準(zhǔn)TEM波近似下，用一組頻域常微分方程或時(shí)域偏微分方程來描述傳輸線的分布參數(shù)電路模型，進(jìn)而在給定的初始條件及邊界條件下求解這些方程。研究中所采用的方法可以分為兩類:

(1)頻域分析方法。該方法可以處理頻變參數(shù)。但由于在處理瞬態(tài)問題時(shí)，必須采用傅立葉變換，當(dāng)瞬態(tài)電磁過程上升時(shí)間很短時(shí)，計(jì)算工作量較大，有可能引起失真和混疊等問題。此外，頻域分析方法只能處理線性問題，不能處理非線性問題和非均勻傳輸線，也難于處理非零初始條件問題。目前，采用其他數(shù)值變換的方法逐漸應(yīng)用于該方法中。

(2)時(shí)域分析方法［41］。包括貝杰龍(Bergeron)法、等效集總參數(shù)電路模型法、特征法、網(wǎng)格法以及FDTD等方法，這些算法工作量較少，且結(jié)果直觀，可以處理非線性系統(tǒng)，但不易處理頻變參數(shù)問題。

對于瞬態(tài)電磁場的計(jì)算，首選的方法當(dāng)然應(yīng)該是時(shí)域分析方法。但是由于場的方法計(jì)算量太大，計(jì)算的時(shí)間也很長，且對于電磁脈沖對傳輸線的耦合問題，按傳輸線理論的方法作近似分析，計(jì)算出的結(jié)果在工程上精度是足夠的，因此采用等效路的方法中的時(shí)域算法是很好的選擇。這其中等效路的FDTD法秉承場的FDTD法的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以計(jì)算出傳輸線上任意點(diǎn)的電壓、電流波形，對于非均勻傳輸線的求解也比較方便，因此越來越受到關(guān)注。

4 結(jié)束語

屏蔽電纜是空間電磁能量的巨大收集器，對電纜耦合空間電磁場問題的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了很大進(jìn)展，提出了一些防護(hù)技術(shù)，產(chǎn)生了實(shí)際的價(jià)值。但總的說來，電纜對空間電磁場的耦合及其防護(hù)技術(shù)還研究得不夠，還不能完全做到對電纜的有效防護(hù)，一些關(guān)鍵技術(shù)還亟待解決。本文認(rèn)為在以下幾方面值得深入研究和探索:

(1)目前的研究主要集中在平行直導(dǎo)體傳輸線和電纜上，對任意彎曲傳輸線和電纜的研究較少，線纜彎曲對傳輸高頻信號的影響仍不甚清楚，要加強(qiáng)這方面的研究;

(2)努力尋找不同類型電纜的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的計(jì)算和測試方法;

(3)發(fā)展更加實(shí)用的算法，改進(jìn)現(xiàn)有算法，在算法的推廣應(yīng)用方面，為克服愈發(fā)復(fù)雜的算法理論給使用者帶來的困難，要努力發(fā)展相應(yīng)算法的仿真軟件;

(4)在解決復(fù)雜研究對象的建模問題方面，要繼續(xù)研究和發(fā)展自適應(yīng)、智能化的建模技術(shù);

(5)多導(dǎo)體屏蔽電纜耦合空間電磁場，以及不同導(dǎo)體之間的串?dāng)_的研究有待加強(qiáng)。

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