复杂电磁环境中屏蔽电缆场线耦合效应的仿真分析

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时间:2019-03-01

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1、第一章绪论弟一早珀1:匕1.1课题研究背景美国国家标准IEEE/ANSIC63.14中对电磁脉冲作了简要定义:电磁脉冲是指在核爆炸时,由于y光子与空气介质分子的相互作用而产生的电磁辐射,其产生主要来源于两个方面:一是敌方有意使用的小型高空核爆炸,或电磁炸弹形成的强电磁辐射;二是自然界雷电时辐射造成的雷电电磁脉冲。随着信息时代的到来,对通信电子设备构成严重威胁的高功率电磁环境备受人们的重视,这里所说的高功率电磁环境包括llJ:核爆炸电磁脉冲(NuclearElectromagneticPulse,NEMP)、雷电及其产生的电磁辐射,即雷电电磁脉冲(LightningElectro

2、magneticPulse,LEMP)、高功率超宽带电磁武器辐射的高功率微波(HighPowerMicrowave,HPM)和超宽带电磁脉冲(Ultra-Wideband,UWB)等。这些人为或自然的电磁干扰源对通信电子设备具有很强的破坏作用。对于通信电子设备而言,通信电缆作为其连接器件是必不可少的。实际工程中敏感电子设备经常放置于屏蔽机箱内,但由于屏蔽机箱的不完全封闭特点,就使得外界高功率电磁脉冲通过孔缝耦合进入机箱,进而耦合到通信电缆并感应出干扰信号。因而电缆的耦合效应成为造成通信系统受电磁干扰的重要途径,也是系统电磁兼容性设计考虑的重要环节。复杂平台,如机载和舰载平台等,

3、都是典型的人.机.环系统。在海、陆、空、天、电磁五维一体的现代立体战争背景下【2】,复杂平台上的电子设备要经历比过去更加严酷的电磁环境,包括平台上的各种天线的辐射场、雷达电波、机箱泄漏、屏蔽电缆耦合、各种电子设备间以及系统外部的各种电磁干扰等。当这些电子设备、天线、雷达、机箱、电缆系统等正常工作时,往往会产生一些有用或无用的电磁能量,影响其他电子设备和系统的正常工作,导致平台上和周围的电磁环境日趋复杂,造成“电磁污染”。屏蔽电缆的耦合效应作为“电磁污染”的重要组成部分,当其受到外界复杂电磁环境中的高功率电磁脉冲冲击时,大量电磁干扰将直接流过其屏蔽层,而不直接流进其内芯导体,但受

4、到其屏蔽结构和屏蔽性能的限制,高功率电磁脉冲仍然可以通过转移阻抗耦合进入其内芯导体,从而产生瞬态干扰信号,结果可能导致电子设备性能下降,严重地导致电子设备失灵,造成通信系统中断。为进一步减小电磁干扰,复杂平台上的敏感电子设备经常放置在金属屏蔽机箱内,但是由于屏蔽机箱的不完全封闭特点,使得其电缆连接处、通风孔处等存在缝隙以及机箱泄漏等,机箱外面的电磁能量仍会部分耦合到机箱内部,对内部的电子设备和屏蔽电缆产生干扰。因此,分析研究复杂电磁环境中的屏蔽机箱孔缝耦合和屏蔽电缆场线耦合效应具有重要意义,并对系统电磁兼容和高功率电磁脉冲防护设计的工程实践具有指导作用。1.2场线耦合问题的求解

5、方法东南大学硕士学位论文目前,研究外界电磁脉冲对屏蔽电缆系统的场线耦合问题的分析方法大致分为两类:即场的方法和路的方法。前者是通过从Maxwell方程组出发直接求解电缆内外场的边值问题;后者,如传输线等效模型等,则是在一定的近似条件下,通过对电缆系统建立一组等效的传输线方程,并将内外电场和磁场的耦合简化为电缆内外电流和电压,并通过屏蔽电缆的转移阻抗和转移导纳耦合至内芯线,进而得出外界空间电磁脉冲激励时引起的内芯线的响应。1.2.1场的方法场的方法是直接从Maxwell方程组出发,对各场分量进行严格求解,其计算结果精确度高。随着计算电磁学的不断发展,对电磁场问题进行时域全波分析成

6、为可能,逐渐发展了一些新的时域全波分析算法。其中比较典型的数值计算方法有:(1)时域有限差分法【4】时域有限差分法(finite.differencetime.domain,FDTD)是近年来发展最迅速、最受关注和应用范围最广的一种典型的全波时域分析方法。FDTD算法是由K.S.Yee于1966年首次提出的[3J,以电磁场问题的微分方程为基础,在包括时间在内的四维空间中,对Maxwell旋度方程对应的微分方程进行二阶中心差分近似得到。FDTD方法的优点是:时域迭代计算、内存空间消耗少、编程简单和适合并行计算[4】等。对于散射、辐射以及传输中的任一问题,不论是瞬态问题还是稳态问题

7、,只要能够正确模拟源和结构,FDTD方法都能给出正确的求解。FDTD方法在分析电缆耦合问题存在对计算机内存和计算时间需求较大的困难,但是随着计算机技术的高速发展,采用全波方法分析电缆的场线耦合问题成为可能,也使得FDTD方法的应用范围和精确度得到迅速扩大和提高。(2)矩量法【5J矩量法(MethodofMoment,MOM)是一种以电磁场问题的积分方程为基础的数值方法,其优点是能够较准确地反应电缆空间结构对空间电磁场分布的影响,缺点是由于MOM是频域算法,因此,需要首先计算电缆系统的频域响应

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