第２３卷第３期 ２０１１年６月 军械工程学院学报 Ｖ０１．２３ Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｊｕｎ．２ｏ１１ 文章编号：１００８～２９５６（２０１１）０３—００２４—０３ 电缆负载射频电磁辐射响应规律研究 李新峰，魏光辉，潘晓东，张龙 （军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄０５０００３） 摘要：采用基于有限积分法的电磁仿真软件ＣＳＴ建立等幅正弦波辐照条件下同轴电缆电磁耦合响应模型，研究 终端负载电阻及电缆长度对终端响应电压的影响规律。结果表明，随着终端负载电阻的增大，响应电压逐渐增大， 而后趋于稳定；不同频率条件下，电缆长度在一个波长范围内，电缆负载响应电压幅值先是随着电缆长度的增加而 变大；达到最大值后，随着长度的增加，响应幅值反而减小。 关键词：有限积分法；电缆；正弦波；负载响应；仿真 中图分类号：Ｏ４４１ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｃａｂｌｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ ＬＩ Ｘｉｎ—ｆｅｎｇ，ＷＥＩ Ｇｕａｎｇ—ｈｕｉ，ＰＡＮ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｏｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＳＴ，ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏａｘｉａｌ—ｃａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏ— ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｅｘｃｉｔｅｄ ｂｙ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｒ— ｍｉｎａｌ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｌｏａｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ，ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ｓｔｅａｄｙ；ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ ｌｅｎｇｔｈｓ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏａｘｉａｌ—ｃａｂｌｅ ｌｅｎｇｔｈ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｐｏｉｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｒｏｐｓ ｏｆｆ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＩＴ；ｃａｂｌｅ；ｓｉｎｅ ｗａｖｅ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ；ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ 电缆广泛分布于各种武器装备电子系统之中， 流的影响进行了数值计算 ］。 是影响设备正常工作的主要电磁干扰途径。高功率 电磁辐射能量通过各种电缆进入到电子设备和系统 中，数ｋＶ的脉冲电压和上ｋＡ的脉冲电流将使这 些敏感电子设备和系统瞬间瘫痪或损毁口］，研究线 缆的电磁辐射响应特性不仅对提高武器装备电子系 统抗干扰有着至关重要的作用，同时也为系统级电 笔者基于有限积分法的仿真软件ＣＳＴ建立了 辐射场源为等幅正弦波的同轴电缆仿真模型，并通 过改变影响电缆终端响应的因素，得到了电缆的电 磁辐射响应模型。 １仿真方法简介 有限积分技术（ＦＩＴ）是由Ｔ．Ｗｅｉｌａｎｄ教授于 １９７６年首先提出的。该方法采用了一种通用的空 间离散化方案，即变步长矩形结合三角亚元技术，能 够获得更高的计算准确度。麦克斯韦方程组有微分 和积分两种形式，ＦＩＴ是对积分形式的麦克斯韦方 磁辐射效应研究及模型的建立奠定了基础。对此， 理工大学研究人员运用时域有限差分法 （ＦＤＴＤ）计算了ＵＷＢ、ＨＰＭ和ＨＥＭＰ作用下有限 长电缆上的感应电流＿２ ］，西北核技术研究所人员采 用ＦＤＴＤ方法对不同条件下电缆电磁脉冲感应电 收稿日期：２０１１－０１—０４；修回日期：２０ｌ１一Ｏ２—２８ 项目来源：国防９７３项目（６１３１３８０３０１） ．程进行离散化，在计算区域内生成一套网格，把响应 的计算区域分割为许多小的网格单元。 从时间和内存耗费上看，频域算法有限元法 作者简介：李新峰（１９８７一），男，硕士研究生 第３期 李新峰等：电缆负载射频电磁辐射响应规律研究 （ＦＥＭ）和矩量法（ＭＯＭ）需要的ＣＰＵ时间和内存 耗费分别与网格数的平方和二次方成正比；而时域 算法，因为是时间迭代过程，不需要进行矩阵求逆， 所以仿真需要的ＣＰＵ时间和内存耗费几乎与网格 数成正比关系。从计算结果的给出形式来看，频域 得Ｚ。一５０ Ｑ。在同轴电缆的内外圆柱末端放置两 薄膜导电体，厚度ａ为０．０１ ｃｍ，在薄膜导电体两端 放置电压探测器。为了使薄膜电阻和同轴电缆特性 阻抗匹配，就要使式（２）成立Ｌ６］。其数学表达式为 ｚ。一 ｌｎ（ ）， （２） 算法每次只给出一个频点的计算结果，要获得结构 的宽带特性，需要进行多次反复计算；时域算法经过 一式中：ａ为薄片导体厚度；ｓ为薄膜电阻电导率。 次仿真就可以获得整个频带内的所有电磁特性， 根据式（２）可求得Ｓ一２６５ Ｓ／ｍ。在同轴电缆两 而且能够直观给出时域波形，对于单频点更加直观。 因此，选定基于时域ＦＩＴ算法的电磁场仿真软件进 行仿真分析。 ２仿真建模 同轴电缆由同轴的屏蔽体和芯线构成，屏蔽体 和芯线间填充介质。模型由辐射源、同轴电缆和终 端负载电阻组成，两端分别连接负载电阻，电阻由芯 线连接到屏蔽层上。 采用ＣＳＴ建立的同轴电缆仿真模型（如图１所 示），辐射场源用等幅正弦波进行设置，电场强度为 ２００ Ｖ／ｍ，电场方向可以根据不同情况设置。此处 图１ ＣＳＴ建立的同轴电缆仿真模型 将电场设置为与电缆轴线平行，磁场方向与电场方 向和传播方向垂直。通过薄膜电阻代表终端负载电 阻。同轴电缆外圆柱导体代表电缆屏蔽层，材料采 用电导率为１０ Ｓ／ｍ的绝缘体，外径为０．７０ ｃｍ， 内径为０．６９ ｃｍ。内圆柱导体代表芯线，材料设为 铜，半径为０．３ ｃｍ。内圆柱体与外圆柱体之间的介 质设为真空。介质也可以设为其他类型的材料。同 轴电缆特性阻抗的数学表达式为 １ ｒ一 ． Ｚ０一 厶７（Ｖ Ｅ ／卫ｌｎ（ ），，ｌ （１） 式中： 为磁导率；ｅ为介电常数；ｒｎ为外圆柱导体的 内径ＩｒＩ为内圆柱半径。 当ｒＯ为０．６９ ｃｍ，ｒ 为Ｏ．３ ｃｍ，根据式（１）可求 端用完全电导体材料的屏蔽盒进行屏蔽，防止辐射 源对终端电阻直接进行辐射，但却对通过同轴电缆 进入的感应电压产生了叠加效应，从而影响了仿真 结果。两屏蔽盒大小均为１０ ｃｍ×１０ ｃｍ×１０ ｃｍ， 屏蔽盒材料厚度为１ ｃｍ，电缆距地８ ｃｍ，大地电导 率设为１ Ｓ／ｍ。 ３仿真结果与分析 ３．１终端负载电阻对负载响应电压的影响 仿真参数：同轴电缆长度Ｌ选取０．３ １ＴＩ，终端负 载电阻分别选取５０ Ｑ、１００ ｎ、２００ Ｑ、４００ Ｑ、８００ Ｑ、 ｌ ６００ Ｑ、３ ２００ ｎ、６ ４００ Ｑ、１２ ８００ Ｑ和２５ ６００ Ｑ。 频率分别为１００ ＭＨｚ、２００ ＭＨｚ、３００ ＭＨｚ、４００ ＭＨｚ和５００ ＭＨｚ，其他设置和上面建模数据设置 不变。 图２是频率为２００ ＭＨｚ时终端负载电阻为 ２５．６ ｋｆＺ的响应电压时域波形。其为正弦波形，有 时延，其电压峰值为３２．９８ Ｖ。 之 时间／ｎｓ 图２ 终端负载电阻为２５．６ ｋｆｌ时负载响应电压时域波形 表１为不同频率条件下终端负载响应电压随终 端变化数值表。 、 由图３可以看到，无论频率为何值时，终端负载 电阻阻值在＜３．２ ｋｆｌ情况下，响应电压随着电阻的 变大呈正比关系，但随着电阻值变大，响应电压峰峰 值增大幅度变小。这是因为随着电阻值的增大，消 耗在电阻上面的能量逐渐减小，能量以较小的衰减 军械工程学院学报 表１终端响应电压幅值 Ｖ 量传播下去。在相同的负载条件下，响应电压随着 频率的增大先是增大，而后减小，因此存在一个频率 使其响应电压最大，此时对装备影响也最大。 之 善 Ｕ．Ｕ ５．Ｕ ｌＵ．Ｕ ｌ５．Ｕ ２Ｕ．Ｕ ２５．Ｕ ３Ｕ．Ｕ 电阻，ｋｎ 图３ 响应电压幅值与电阻关系曲线 ３．２不同频率下电缆终端响应电压随长度的变化 仿真设置：设置边界条件为Ｏｐｅｎ（ａｄｄ ｓｐａｃｅ）， 背景材料设置为Ｎｏｒｍａｌ，辐射源的频率分别选择 ３００ ＭＨｚ和６００ ＭＨｚ进行仿真研究，研究重点为 一个波长长度内的电缆耦合响应变化规律。 笔者只给出频率为３００ ＭＨｚ、Ｌ一０．１ ｍ时负 载响应波形（如图４所示）。之所以响应电压有振荡 是因为辐射场源有上升时间，这里只给出一个波形， 其他情况与此相同。 通过仿真可以得不同频率下的响应电压随电缆 长度Ｌ变化数值，见表２。 由表２可以得到如图５所示的关系图。由图５ 可知：不同频率条件下，在电缆的一个波长长度内， 终端响应电压幅值先是随着线缆长度的增加而变 之 出 口 时间／ｎｓ 图４ 电缆长度 为０．１ ｍ时负载响应电压时域波形 Ｌ／Ａ 图５ 不同频率下响应电压随电缆长度变化曲线图 表２不同频率下响应电压幅值 随长度变化数值表 Ｖ 大，达到最大值后，响应幅值反而减小，但达到一个 波长长度附近又开始变大。终端响应电压随着频率 的增大，最大响应幅值反而减小。 （下转第３Ｏ页） 军械工程学院学报 表１采用峰一峰值方法计算标准试件 宽为１００ ｍ的缺限宽度 匀速检测 １Ｏ１．２ １Ｏ１．３ ９８．９ 的准确性。笔者设计的匀速采样系统可以较好地控 ｆｍ 制扫描速度，相对于手动采样系统来说，较显著地提 高了检测精度。 参考文献： ［１］王永龙，杨卫，石云波，等．基于磁阻传感器的弱磁信号 手动检测 ９６．２ ９５．１ ８８．４ 匀速检测 １ＯＯ．８ ９９．８ ９９．２ 手动检测 １Ｏ８．２ １Ｏ３．７ ７２．４ 采集系统设计Ｉ－Ｊ］．传感器与微系统，２００８（１）：６９～７１． Ｅ２］任吉林，王进，范振中，等．一种磁记忆检测定量分析的 ９９．６ １ＯＯ．５ ８２．６ １１Ｏ．３ １ＯＯ．８ １ＯＯ．４ １１５．９ １Ｏ３．５ 新方法ＥＪ３．仪器仪表学报，２ＯｌＯ，３１（２）：４３１—４３６． Ｅ３］徐章遂，马爱文，马春庭．基于模糊模式识别的漏磁裂纹 ４结束语 在对铁磁性构件进行定量检测时，传感器的放 置方向、提离值以及扫描速度等外部条件都会对采 集的磁场数据有一定的影响。通过实验分析可以看 出，提离值的影响较小，扫描速度的影响较大。若能 有效控制扫描速度，可以较好地提高系统数据采集 （上接第２６页） 信号定量分析［Ｊ］．中国机械工程，ｔ９９８（６）：３５—３８． ［４］王长龙，陈鹏，刘美全，等．漏磁信号特征提取及检测研 究［Ｊ］．军械工程学院学报，２００４，１６（４）：１－４． ［５３刘美全，徐章遂．一种基于漏磁峰值相互作用的裂纹定 量检测计算方法ＥＪ］．测控技术，２００３，２２（１１）：２８—３０． （责任编辑：陈北宁） ４结束语 电缆广泛分布于各通信系统中，其耦合性能对 武器装备电子系统终端设备安全有重要影响。笔者 参考文献： ［１］刘尚合．电磁脉冲和电磁环境效应［Ｊ］．防雷，２００４，１７ （５）：９－１５． 基于电磁仿真软件ＣＳＴ建立仿真模型，分析了终端 负载电阻阻值及电缆长度对终端负载电阻响应电压 的影响。结果表明：随着终端负载电阻的增大，响应 电压逐渐增大，而后趋于稳定；在相同的终端负载电 ［２］陈海林，陈彬．不同电磁脉冲作用下地面有限长电缆外 导体感应电流的数值计算［Ｊ］．强激光与粒子束，２００４， １６（１０）：１２８６－１２９０． ［３］周颖慧，石立华，高成．一种基于传输线方程的埋地电缆 电磁脉冲耦合时域分析方法［Ｊ］．强激光与粒子束， ２００６，１８（７）：１１６３—１１６６． 阻条件下，响应电压随着频率的增大先是增大，而后 随着频率的增大而减小，这说明对一段电缆来说，存 ［４］程引会，周辉，李宝忠，等．带负载导线的电磁脉冲响应 数值方法研究［Ｊ］．电波科学学报，２００５，２０（４）：５１３—５１６． ［５］马良，吴伟，周辉，等．电磁脉冲对细线耦合的时域多分 在一个谐振频率使其响应电压最大。电缆长度在一 个波长长度内，终端响应电压幅值先是随着电缆长 度的增加而变大，达到最大值后，又随着长度的增 加，终端响应幅值反而减小，到一个波长附近反而又 辨分析［Ｊ］．强激光与粒子束，２００６，１８（８）：１３８７—１３９０． ［－６－］丁昱．核电磁脉冲线缆耦合效应研究ＥＤ］．北京：北京交 通大学，２００９． 变大；随着频率的增大，最大响应幅值反而减小。仿 真分析结果为实际系统中由于电缆耦合产生的干扰 分析提供了依据，并具有一定的参考价值。 （责任编辑：陈北宁）
