現代艦船包含大量的電氣電子系統(tǒng)和設備，它們通過各種不同類型的傳輸、控制電纜實現互連和通信。通常將電纜捆成一束束的，這樣既整齊美觀，又便于固定，而且還便于維護檢查和損壞時的維修。但由于電纜敷設密集，電纜之間的耦合串擾帶來的電磁兼容性問題會嚴重影響系統(tǒng)和設備性能。如果系統(tǒng)出現電磁兼容性問題，則90%的可能性是由電纜或互連線之間的串擾引起的[1]。因此，預測分析艙室環(huán)境下電纜之間的串擾有重要的意義，也是迫切的課題。
    對于電纜串擾的估算，通常有兩種模型：
    (1)低頻時，可認為容性(電場)耦合和感性(磁場)耦合的參數大小僅與干擾電纜和被干擾電纜之間的等效電路形式有關而與頻率無關， 此時可采用集總參數模型[1]，該模型用電報方程來描述。如果電纜的阻抗矩陣以及相互耦合參數矩陣已知，可以根據等效電路得到串擾值的精確解，這對理解串擾作用的機制以及數值仿真驗證都有幫助。
    (2)對于更高的頻率，可建立基于多導體傳輸線理論電纜串擾模型[2-3]。對于一個N根電纜的系統(tǒng)，其相互間的串擾決定于分布參數的N×N的阻抗矩陣和導納矩陣、工作頻率、相互位置以及終端阻抗的大小。
    本文分別建立了共地的基于多導體傳輸線理論的電力電纜對屏蔽同軸線(SCC)，非屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)的電纜耦合模型，在此基礎上在CST-CS中建立其等效電路模型，并仿真分析了對應的串擾值。考慮到實際艙室電纜總是多根相鄰成束，因此還仿真分析了多根電力電纜對多根傳輸或控制電纜的耦合干擾情況。
1串擾的耦合機制
    當兩根或多根電纜相互鄰近時，它們之間存在分布的互電容和互電感，這是電纜之間耦合的“源”。根據耦合的途徑可將串擾分為容性耦合與感性耦合。

    對于無耗傳輸線，弱耦合的情況，容易得到被干擾電纜近端和遠端串擾值[4-5]。并且頻率越高，電纜越長，串擾值越大。感性耦合在低阻抗負載時占主導地位，高阻抗負載時容性耦合則占主導地位。
    在實際的模型中，相互之間的耦合參數Lm、Cm以及電纜到參考地的距離h、電纜之間間距d直接影響串擾值的大小。
    從已有的一些公式和研究結果[6-9]可看出,互電感 隨著d的增加而減小，隨著h的增加而增加，互電容隨著d的增加而減小，而h對其無顯著影響。
    經過以上分析，很容易理解屏蔽層是如何保護電纜不受外界干擾的以及雙絞線在減小串擾方面的優(yōu)勢。
    (1) 如果電纜帶有屏蔽層，則屏蔽層能完全消除容
性耦合，但只有兩端均接地并且在某一截止頻率之上能夠一定程度地減小感性耦合。
    (2) 如果被干擾電纜是雙絞線，一方面回路面積很小可減小感性耦合；另一方面雙絞線的兩根芯線的感應電流不僅方向相反，而且由于對稱結構使得感應電流的大小也幾乎相等。因此可最大限度地減小相互之間的耦合。
2 艙室環(huán)境下電纜串擾模型的建立
    通常將最近的金屬平面作為接地面，因此可將艙室壁作為參考地平面。這樣，理論分析時可首先采用如下模型進行簡化分析。
    假設模型兩根電纜的間距為d,距離參考地面的距離為h，其截面如圖3所示。

    得到整個電纜的鏈參矩陣后再應用如圖2的電路配置建立近端和遠端的終端方程進而計算被干擾電纜上耦合的串擾值。
    對于多根電力電纜與多根被干擾傳輸電纜之間的串擾建模，其方法與以上介紹的相同，但模型復雜度尤其是電路配置的復雜度會增加很多，鏈式方程中各矩陣的階數將會增加，因而計算復雜度也將加大。本文僅對2根電纜與3根被干擾電纜耦合情形進行了仿真。

    從圖7、圖8和圖9可看出，多電纜串擾時，隨著頻率的增高，低頻端的串擾值也隨之增加。耦合諧振頻率增加了許多，也說明多電纜相互串擾機制更加復雜。
    依據電纜間的耦合機制和模型的仿真結果，可采取以下措施來抑制串擾：
    (1)電纜束布置應盡量靠近艙室壁，這一方面可以增加電纜對地的電容，從而減小相互之間的容性耦合；另一方面可以減小回路面積，從而減小電纜之間的感性耦合。
    (2)電纜之間應保持一定的間距，特別是強電輸電線路應與弱電傳輸線分別捆成束。
    (3)如果條件允許,可以在電纜束中增加一條參考地電纜,這樣可減少信號或控制傳輸電纜之間的相互干擾。
    本文依據多導體傳輸線理論建立了艦船艙室中電纜串擾的模型，并以此模型為基礎在CST-CS中對各電纜進行了實際的電路配置，仿真了單根電力電纜與單根SCC、STP、UTP之間的串擾。結果表明屏蔽電纜比非屏蔽電纜的串擾值低大約50 dB，并且平衡傳輸屏蔽雙絞線在頻率低端不易受到干擾。此外，本文對多根電纜串擾的仿真表明，被干擾電纜耦合的諧振頻率增多，耦合機制更加復雜。綜上所述，本文的結果對艦船電纜的串擾分析以及實際布置有一定的指導作用。
參考文獻
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