摘要：电缆是空间电磁场与系统之间相互作用的重要因素之一，一般的场线耦合测量较难实现，在场线耦合问题中以分布参数理论分析为基础，借助CST MWS软件对半电波暗室中给定传输线的相对机理模型进行电磁辐射耦合仿真计算，有助于理解电磁耦合的实际存在及如何减小平行双线在电磁场中的耦合。结果表明，入射波垂直极化时线缆终端负载上的瞬态电流大于入射波水平极化时线缆终端负载上的瞬态响应电流，且谐振点数目与线缆长度之比相同；随着线缆距离桌面高度的增加，线缆上的感应电流也相应增加；不同半径的线缆在场线耦合下感应瞬态电流基本不受影响。
关键词：辐射抗扰度，场线耦合，CST MWS软件，传输线理论
1 引言
电子设备系统日趋复杂，对电磁干扰的敏感程度也日趋增加，即使现在的电子设备加装了封闭的金属外壳，在屏蔽静电等方面有较好的效果，可以抵御外界电磁场的干扰。但是一旦连接了电缆，壳外的强电磁场信号就可能通过电缆的耦合作用将能量传送到系统与电缆的接口电路[1]。目前空间电磁场与传输线的耦合作用有Taylor法、Agrawal法、Rashidi法三种理论模型，这三种方法只要运用的正确，由他们分析传输线耦合而求得的响应结果是相同的[2-4]。在GJB152A中明确规定了电磁抗扰度的标准测试方法，如图1所示。一般要求与测试设备相连的线缆应置于5cm高的绝缘支撑板上，绝缘支撑板置于EMC测试桌上，经过模型的初步建立，可以简化成图2所示的场线耦合机理模型。
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其中端接阻抗负载为简化的线性阻抗稳定网络（Lisn）和被测设备，代表电缆与大地的不同连接状态；h为传输线缆距离测试桌面的高度；L为两端接阻抗间线缆的长度；但是实际测量中很难借助工具直接测量出平行传输线在电磁场干扰下的耦合电流，基于分布参数理论模型的场线耦合模型分析，借助电磁场仿真软件CST的辅助，可计算仿真出辐射抗扰度试验中耦合到平行双线负载端的瞬态响应。
2 理论模型分析
电磁场对导线的激励主要由“传输线模型”和“天线模型”两部分构成，传输线模型只是其中部分解[5、6]，如果希望得到线缆上负载的瞬态响应，传输线模型的解能够提供精确的结果。下面通过麦克斯韦方程组推倒出电报第一第二方程，及其电报方程求解。其中入射波平面波对线缆的激励如图3所示。
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其中线缆两端负载的反射系数定义为：
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，，为传播常数。由电报方程解可知平面波照射下线缆终端负载瞬态响应与线缆长度，线缆两端负载反射系数，电磁波极化角、入射方向角等因素有关。
3 仿真模型创建
基于上述辐射抗扰度测试的机理模型，根据表1所示模型参数文件，在CST MICROWAVE STUDIO环境下，以某高校现有半电波暗室为原型创建图4所示模型，其中地面大小为7m×4m ，桌面大小为2.5m×0.9m的理想导体，并以表1所示的模型参数创建对应模型，定义边界条件、剖析网格大小。仿真选用不同长度，不同线间距，不同线半径的平行双线，两端均接50欧姆负载。入射波方向垂直于平行双线，电场方向分为垂直桌面与平行桌面两种情况，平行双线处入射波的场强设置为50V/m。
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4 仿真分析与讨论
4.1 垂直极化下不同线缆长度的影响
以单芯线缆为仿真对象，使用线缆长度分别为1 m、1.5 m、2 m，芯线两端均接50欧姆匹配负载，电磁波沿xoy方向垂直照射线缆，电场方向与线缆垂直。观察负载Lumped element 1上电流瞬态响应。
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图5 平面波垂直极化照射下线缆负载终端电流瞬态响应
由图5垂直极化可以看出,线缆长度为1 m、1.5 m、2 m时负载上感应电流频域波形的谐振点数目之比与线缆长度之比相同，为2:3:4，80 MHz之前，负载终端感应电流大小变化趋势相同，80 MHz后三种长度下线缆终端负载的瞬态响应电流变化较大。
4.2 水平极化下不同线缆长度的影响
在3.1的前提下将电场方向改为与水平线缆平行。观察负载Lumped element 1上电流瞬态响应。
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图6 平面波水平极化照射下线缆负载终端电流瞬态响应
由图6知，线缆长度为1 m、1.5 m、 2 m时，负载上感应电流频域波形的谐振点数目之比依然大致与长度之比相同，为2:3:4。在600MHz左右三种长度的线缆有相同的谐振点，且感应电流与线缆长度成正比。
后面的讨论情况均建立在平面波垂直于xoy面入射、电场极化方向平行于线缆长度的条件基础上。
4.3 线缆离桌面不同高度的影响
电磁波同样以垂直xoy方向入射平行线缆，电场方向平行于线缆，线缆距离测试桌面高度分别设置为5 cm、10 cm、15 cm，线缆平行于桌面放置。
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图7 线缆距桌面不同高度时的负载端响应
由图7可看出线缆距离桌面不同高度并不改变谐振频点，400 MHz之前，负载终端电流瞬态响应随线缆距桌面距离的增大而增大，400 MHz后，不同高度线缆的耦合瞬态电流变化并不遵循此规律，但耦合瞬态电流变化趋势相同。
4.4 不同线缆半径的影响
分别取0.5mm，1mm，1.5mm的线缆水平放置于距离测试桌面5cm的地方，电磁波垂直线缆照射，电场方向同样平行于线缆方向。
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图8 不同线缆半径时的负载端响应
图8仿真结果表明，半电波暗室中，平面波照射下，水平于桌面放置的平行线缆，其半径与线缆终端负载瞬态感应电流无关。
5 主要结论
本文基于CST MWS电磁仿真软件，对半电波暗室测试桌上平行于桌面的的线缆进行平面波辐照，观测不同配置时线缆终端负载上的耦合电流瞬态响应。仿真结果表明，不同极化入射波、不同线缆长度、线缆距桌面不同高度对平行线缆的负载端瞬态感应电流均有一定的影响。入射波垂直极化时线缆终端负载上的瞬态电流大于入射波水平极化时的瞬态响应电流，且谐振点数目与线缆长度之比相同；随着线缆距离桌面高度的增加，线缆上的感应电流也相应增加；不同半径的线缆在场线耦合下感应瞬态电流基本不受影响。此仿真结果对于工程应用与实践有很好的指导意义。
参考文献
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