直9直升机机载数据传输电缆电磁耦合分析

鹿泽伦，郝 钢，于水游

（1.总参陆航部军代局驻天津地区军代室，天津 300000；2.总参陆航部军代局驻北京地区军代室，北京 100000）

从21世纪80年代初至今，直9系列直升机经历了引进专利生产、国产化和改进改型3个阶段的发展。1992年完成了国产化后，为满足多种需求，特别是国防建设的需要，以直9国产化直升机为平台，开发了直9舰载型、侦察型、武装型等10余种军事或准军事用途的系列直升机,大大拓宽了该系列直升机的用途[1]。直9直升机的国产化成功奠定了我国直升机工业发展的基础，成为我国直升机自主发展改进改型的立足点[2]。

随着不断的改进改型，直9直升机机载电子设备种类和数量不断增多，射频设备种类变化较大，产生了很多电磁兼容问题[3]。直升机电磁兼容的设计与控制发展方向是“预测分析法”[4-6]。系统和设备设计和研制的过程中，采用合理的数值仿真计算方法，根据电路布局以及设备的特性、天线布置方式等直升机内的电磁耦合现象进行预测和分析，为试验验证和工程应用提供了依据[7-8]。本文根据直9系列直升机的电磁环境特点，研究其机载数据传输电缆的电磁耦合特性，重点分析传输信号频率、电缆回路之间的距离及屏蔽与电磁耦合之间的关系，经过仿真计算，提出优化的布线方式。

1 仿真模型的建立

由于直9系列直升机机载数据传输电缆上的电场分布在纵向上是均匀分布的[9]，因此电缆端口的电场分布可以反映电缆的电磁特性。根据直9系列直升机机载数据线电缆的物理参数，建立二维的数据线电缆端口模型进行分析计算。实体模型参数在Ansoft Maxwell中利用基本绘制工具建立数据传输电缆端口和金属屏蔽层截面的模型[10]。由于本仿真要分析金属屏蔽对数据传输电缆之间电磁兼容的影响，因此先建立两条并行数据传输电缆端口模型，分析计算后在该基础上再建立金属屏蔽层。数据传输电缆端口模型各部分尺寸及材料的基本参数如表1所示。

表1 模型相关尺寸及材质的相关参数

按照以上尺寸，建立好的模型如图1所示。在建立好的模型的基础上，根据有限元计算分析的要求[11]，对模型进行网格的剖分。根据电磁场理论可知，电磁场的求解就是麦克斯韦方程组的求解，为了保证麦克斯韦方程的有效性，需要假设场矢量是单值、有界且在空间沿其导数方向连续。因此，合理的边界条件是计算进行和准确性的前提条件。本仿真使用的是Ansoft Maxwell中的交变电场求解器，在交变电场条件下包括默认边界条件(Default Boundary Conditions)、狄利克莱边界条件(Vector Potential Boundary)、对称边界条件(Symmetry Boundary)、无穷远边界条件(Balloon Boundary)和主从边界条件(Master/Slave Boundary)。由于直9系列直升机的机载数据传输总线的位置相对独立，以尽量避免其他设备的干扰电磁，所以本仿真采用无穷远边界条件。

图1 数据传输电缆模型Fig.1 Model of data transmission cable

2 仿真结果分析

对直9系列直升机机载数据传输电缆之间的电磁耦合，可以使用感应电压的大小来表征。激励信号的频率、电缆之间的距离等因素，都会影响数据传输电缆中的感应电压。仿真计算首先假设两根数据传输电缆处于真空中，相接处平面为理想的绝缘平面、理想的电场边界条件。对未加装金属屏蔽层的模型进行仿真计算。对负载回路的两根电缆的导电线芯加载幅值相同、相位相差180°的交变电压激励。通过设置合理的计算条件，对模型中非负载电缆的感应电压进行计算，计算后可得电感应分布云图，如图2所示。可见加载交流电压激励的电缆回路对未加载电压的电缆回路有电场的耦合作用，这个电场的耦合作用可能会干扰电缆中正常信号的传输。

图2 电缆端口电场分布Fig.2 Electric field distribution of cable port

2.1 频率对感应电压的影响

直9系列直升机的机载数据传输电缆工作频率在1～100MHz之间，所以仿真过程中首先使两根数据传输电缆平行相邻，选择 1MHz，10MHz，20MHz，…，100MHz及75MHz这几个频率对非负载电缆中感应电压进行计算，输入信号频率与感应电压的关系如图3所示。

由图3可见，感应电压在70～80MHz之间到达最大。这是由于高频传输的电缆具有天线的辐射特性。天线能够定向辐射和接收电磁能量，是由于时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播[12]，被外界导体所接收。数据总线传输电缆在高频传输时，会对外辐射能量，这个能量可以被外界的导体设备接收，与对称振子天线的某些辐射特性具有相似性。

图3 传输频率与感应电压的关系Fig.3 Relation between frequency of the signal transmission and induced voltage intensity

在对称振子天线理论中，当天线的金属导体的长度等于传输和接收的电磁波波长的1/4时，天线的接收和发射效率达到最高。当输入信号的频率为75MHz时，波长为4m，由于仿真过程中材料参数的设定都是单位长度1m的标准，所以相当于波长的1/4，因此数据传输电缆在75MHz的频率下的发射和接收效率最大。在仿真试验的条件下，对称振子天线的相关理论可以解释感应电场强度的大小与输入信号频率变化之间的关系。

2.2 线间距离对感应电压的影响

加载激励的电缆发射的电磁波在空间传播过程中会有能量的损耗，若增大电缆回路之间的距离，可以减小电磁耦合干扰。直9系列直升机机载数据传输总线的长度在1～1.5m之间，所以本文选择60MHz的传输频率计算电缆回路之间距离改变时的电磁耦合情况。由于直升机上的空间有限，所以不可能无限增大数据传输电缆之间的距离。本文仿真根据直9系列直升机的机载数据传输电缆的空间要求，选择两根电缆之间距离为0.5mm，1mm，1.5mm，…，4mm，计算未加载激励电缆回路的感应电压。可得到如图4所示的电缆之间距离与感应电压强度之间的关系。可见随着电缆回路之间的距离增加，感应电压成减小的趋势，在距离为1.5mm时感应电压减小明显。

本文仿真的机载数据传输总线电缆、负载激励信号的电缆回路与非负载电缆回路构成幻路，幻路中电磁波的传输也有衰减特性[13]。当两个数据传输总线电缆之间的距离为1.5mm时，两根电缆的导电线芯间的中心距离与导体线芯直径之比接近2.3，衰减比较小，所以在未负载激励中耦合的能量也比较小，表现为感应电压的减小。

图4 电缆之间距离与感应电压之间的关系Fig.4 Relation between distance of cables and induced voltage intensity

3 结束语

通过对数据传输电缆的仿真分析，得到了传输频率、线间距离对未加载回路中感应电压的影响。对于文中计算的物理模型，感应电压会在75MHz时达到最大值，在线间距离为1.5mm时达到最小值。研究的结果对相关类型直升机机载数据传输电缆的电磁兼容性能的控制具有一定指导意义。

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