CN110377994A - 一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，涉及编织线缆技术领域，解决了线缆为机电设备电磁辐射提供高效的途径，是设备电磁兼容问题的主要来源之一，目前尚未公开从屏蔽结构设计来解决线缆电磁兼容性问题的有效技术，其技术方案要点是：建立kley转移阻抗模型；根据kley转移阻抗模型建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式；采用偶极子近似方法，建立屏蔽层电流的电磁辐射模型；根据线缆屏蔽效能的定义，确定线缆屏蔽效能与编织屏蔽层之间的数学关系，并分析得出线缆屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系，具有为线缆电磁兼容性能的评估和屏蔽结构的设计提供理论依据，解决复杂机电设备系统中信号传输的兼容问题的作用。
Description
技术领域
本发明涉及编织线缆技术领域，更具体地说，它涉及一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法。
背景技术
编织线缆因其良好的屏蔽效果和柔韧性，在机电设备中得到广泛使用。如图1所示，编织屏蔽层是由多束金属导电细丝交互编织而成，由于编织网孔的存在，外部电磁场可以穿过这些编织网孔对芯线产生电磁干扰；同样，芯线产生的电磁场也可以通过这些网孔向外产生电磁辐射。因此，线缆为机电设备电磁辐射提供了一条高效的途径，是设备电磁兼容问题的主要来源之一。
目前，针对线缆屏蔽效能的研究，许多学者通过线缆屏蔽转移阻抗参数来研究其屏蔽效能，转移阻抗值越小屏蔽性能越好，转移阻抗越大屏蔽性能越差。对于转移阻抗的理论研究，经典模型主要采用Tyni模型、Demoulin模型和Kely模型，Tyni模型考虑了编织网内外层交叉处磁场耦合的影响，Demoulin模型考虑了编织层上感应和波动效应的影响，Kely模型则利用测量数据对Tyni模型进行了修正，考虑了编织网曲率和“烟囱效应”的孔电感。一些学者利用有限元分析法求解计算了编织屏蔽线的转移阻抗值，该方法的优势在于可以仿真计算得到复杂屏蔽结构线缆的转移阻抗，缺点在于需要建立精确的数值模型，否则仿真计算结果与实际值存在较大的误差。线缆编织网结构的非均匀性和编织网孔处电磁耦合现象的复杂性，使转移阻抗的解析计算和数值建模变得非常困难。因此，在实际应用中大多采用测试方法来获取转移阻抗值，许多文献主要集中在测量方法的改进上。转移阻抗是测量线缆屏蔽效能时常用的测试指标之一，现有的线缆屏蔽转移阻抗测量方法主要包括三同轴法、四同轴法、线注入法、电流探针法等，其中三同轴法和线注入法是国际IEC标准和我国标准中采用的测量方法。
综上所得，在研究线缆屏蔽效能时，国内外主要关注屏蔽转移阻抗。因此，有必要结合线缆屏蔽转移阻抗和电磁辐射理论对其屏蔽效能进行深入研究，设计一种线缆屏蔽效能与屏蔽层结构参数之间的定量关系，为线缆电磁兼容性能的评估和屏蔽结构的设计提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，具有为线缆电磁兼容性能的评估和屏蔽结构的设计提供理论依据，解决复杂机电设备系统中信号传输的兼容问题的作用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，包括以下步骤：
S1：建立kley转移阻抗模型；
S2：根据kley转移阻抗模型建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式；
S3：采用偶极子近似方法，建立屏蔽层电流的电磁辐射模型；
S4：根据线缆屏蔽效能的定义，确定线缆屏蔽效能与编织屏蔽层之间的数学关系，并分析得出线缆屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系。
本发明进一步地设置为：在步骤S1中，建立kley转移阻抗模型的具体步骤为：
转移阻抗Zt(单位：Ω/m)定义为单位长度线缆上单位电流流过屏蔽层时，在屏蔽层与芯线之间所形成的开路电压：
式中，I0为屏蔽层中流过的电流，为芯线与屏蔽层之间的单位电压；
编织参数定义如下：编织屏蔽层半径b，编织束数C，每个编织束数中金属丝根数N，单根细丝线直径d，编织金属丝导电率σ，编织角
采用Kely转移阻抗模型计算屏蔽层转移阻抗，表达式为：
Z′t＝Z′d+jωL′t+(1+j)ωL′s (2)
式中，Z′d是编织网孔线缆转移阻抗的散射部分，将编织参数代入得到：
编织屏蔽层材料趋肤深度δ为：
式中，σ是屏蔽材料的电导率，f是感应电流的频率，μ是屏蔽材料的磁导率；
透射电感L′t表示为：
L′t＝M′L+M′G (5)
M′L是孔电感L′a项的修正，描述了电磁能量通过编织屏蔽网的扩散；M′G项解释了波动效应，可用编织束间的互感描述；M′L和M′G表达式为：
式中，是磁场衰减因子，τH为：
k1是关于编织网填充因子F的函数
Kley模型中Ls考虑了屏蔽体编织网孔处的磁生涡旋电流，其中：
式中，DL和DG为趋肤效应的假设直径，是关于填充因子F和编织角的函数：
式中，
将Z′d、L′t和Ls计算表达式代入式(2)中可得：
式中，在实际应用当中，屏蔽层填充因子F≈1。
本发明进一步地设置为：在步骤S2中，建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式的具体步骤为：
利用传输线理论，屏蔽层任意一点电流I2(z)为：
式中，I01和Z01分别表示芯线激励源电流和内阻抗，ZC1和γ1分别表示由屏蔽层与芯线组成的回路特征阻抗和传播常数；ZC2和γ2分别表示由屏蔽层与参考地组成的回路特征阻抗和传播常数，Z02和ZL2分别表示屏蔽层与参考地之间的两端接地负载；
根据传输线频域分析理论，在屏蔽层上沿长度方向电流分布计算公式为：
式中，β是屏蔽层传输常数，Γ1和Γ2为终端反射系数，且
本发明进一步地设置为：在步骤S3中，基于偶极子近似方法的辐射场计算的具体步骤为：
电偶极子为几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流；设线元上所载电流作正弦变化，即i(t)＝Icosωt，则在球坐标系中任意一点P处的电场和磁场表达式为：
式中，波数μ0为空气的磁导率，为4π×10-7H/m，ε0为空气的介电常数，约为8.85×10-12F/m；
利用传输线理论，将屏蔽层进行分段处理，每段长度小于最短波长的1/10，每个单元都可以看作为一个偶极子；
屏蔽线产生的总辐射电场为：
E＝EAbs+E′Abs (18)
其中，E′Abs为镜像屏蔽层电流形成的电场，E′Abs同样采用上述方法进行计算。
本发明进一步地设置为：在步骤S4中，屏蔽效能与屏蔽层半径的具体解析步骤为：
参考机箱屏蔽效能的定义，即：没有屏蔽时，从辐射干扰源传输到空间某一点的场强E0和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点E1之比；线缆正常工况下的电场屏蔽效能定义为：
式中，E0为无屏蔽层时的电场强度，E1为有屏蔽层时的电场强度；
将式(14)转移阻抗公式改写为：
其中：
根据屏蔽效能定义，可得屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系为：
式中，Q为：
从而得到，屏蔽层半径与屏蔽效能的关系为：
利用式(23)可根据屏蔽效能设计合理的编织屏蔽层半径。
综上所述，本发明具有以下有益效果：基于kley转移阻抗模型，建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式；并采用偶极子近似方法，建立屏蔽层电流的电磁辐射模型；然后根据线缆屏蔽效能的定义，推导出线缆屏蔽效能与编织屏蔽层之间的数学关系，并分析了线缆基本参数对屏蔽效能的影响；为线缆电磁兼容性能的评估和屏蔽结构的设计提供理论依据，从根本上解决了复杂机电设备系统中信号传输的兼容问题。
附图说明
图1是现有技术中电磁场通过单孔穿入线缆屏蔽体的结构示意图；
图2现有技术中屏蔽线缆截面结构示意图；
图3现有技术中编织屏蔽线缆的连接示意图；
图4本发明实施例中的流程图；
图5本发明实施例中编织网屏蔽体几何结构的展开图；
图6本发明实施例中电偶极子产生的场的示意图；
图7本发明实施例中偶极子近似方法计算屏蔽线辐射场的分析示意图；
图8是本发明实施例中的设计方法与CST仿真计算屏蔽效能的对比结果示意图；
图9是本发明实施例中不同截面半径对应的屏蔽效能曲线图；
图10是本发明实施例中设计方法得出的不同频点处屏蔽层半径与屏蔽效能关系图；
图11是CST仿真得出的不同频点处屏蔽层半径与屏蔽效能关系图。
具体实施方式
以下结合附图1-11对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，如图2所示，屏蔽线缆的结构包括外层护套、屏蔽层、绝缘层和芯线等四个部分。屏蔽线缆利用屏蔽层的电磁反射、吸收及趋肤效应，有效防止外部电磁干扰耦合到芯线上，同时阻止芯线信号向外辐射，因此具有良好的电磁兼容特性。
如图3所示，编织屏蔽结构因其良好的柔韧性和屏蔽效果，在实际工程应用中有着广泛的应用。屏蔽线缆一端连接源端设备，另一端连接负载设备。由于屏蔽层上存在大量的编织网孔，芯线产生的电磁场可以穿过这些编织网孔向外辐射。
步骤一，如图4所示，建立kley转移阻抗模型，具体步骤如下：
转移阻抗Zt(单位：Ω/m)定义为单位长度线缆上单位电流流过屏蔽层时，在屏蔽层与芯线之间所形成的开路电压：
式中，I0为屏蔽层中流过的电流，为芯线与屏蔽层之间的单位电压。
如图5所示，编织参数定义如下：编织屏蔽层半径b，编织束数C，每个编织束数中金属丝根数N，单根细丝线直径d，编织金属丝导电率σ，编织角
采用Kely转移阻抗模型计算屏蔽层转移阻抗，表达式为：
Z′t＝Z′d+jωL′t+(1+j)ωL′s (2)
式中，Z′d是编织网孔线缆转移阻抗的散射部分，将编织参数代入得到：
编织屏蔽层材料趋肤深度δ为：
式中，σ是屏蔽材料的电导率，f是感应电流的频率，μ是屏蔽材料的磁导率。
透射电感L′t表示为：
L′t＝M′L+M′G (5)
M′L是孔电感L′a项的修正，描述了电磁能量通过编织屏蔽网的扩散；M′G项解释了波动效应，可用编织束间的互感描述；M′L和M′G表达式为：
式中，是磁场衰减因子，τH为：
k1是关于编织网填充因子F的函数
Kley模型中Ls考虑了屏蔽体编织网孔处的磁生涡旋电流，其中：
式中，DL和DG为趋肤效应的假设直径，是关于填充因子F和编织角的函数：
式中，
将Z′d、L′t和Ls计算表达式代入式(2)中可得：
式中，在实际应用当中，屏蔽层填充因子F≈1。
步骤二，根据kley转移阻抗模型建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式，具体步骤为：
利用传输线理论，屏蔽层任意一点电流I2(z)为：
式中，I01和Z01分别表示芯线激励源电流和内阻抗，ZC1和γ1分别表示由屏蔽层与芯线组成的回路特征阻抗和传播常数；ZC2和γ2分别表示由屏蔽层与参考地组成的回路特征阻抗和传播常数，Z02和ZL2分别表示屏蔽层与参考地之间的两端接地负载。
根据传输线频域分析理论，在屏蔽层上沿长度方向电流分布计算公式为：
式中，β是屏蔽层传输常数，Γ1和Γ2为终端反射系数，且
步骤三，采用偶极子近似方法，建立屏蔽层电流的电磁辐射模型，具体步骤如下：
如图6所示，电偶极子为几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流；设线元上所载电流作正弦变化，即i(t)＝Icosωt，则在球坐标系中任意一点P处的电场和磁场表达式为：
式中，波数μ0为空气的磁导率，为4π×10-7H/m，ε0为空气的介电常数，约为8.85×10-12F/m。
对于线缆辐射场精确解析计算，可以基于行波理论建立线缆的电磁辐射模型，并采用实变函数的分析方法求解传输线的行波电流，然后叠加各行波电流产生的辐射场即可得到线缆总的辐射场。屏蔽线电磁辐射问题的求解可以分为两步：
(1)芯线上激励源在屏蔽层上产生的感应分布电流计算；
(2)空间辐射场计算，根据已经确定的电流分布求解空间辐射场。
如图7所示，利用传输线理论，将屏蔽层进行分段处理，每段长度小于最短波长的1/10，每个单元都可以看作为一个偶极子。
屏蔽线产生的总辐射电场为：
E＝EAbs+E′Abs (18)
其中，E′Abs为镜像屏蔽层电流形成的电场，E′Abs同样采用上述方法进行计算。
步骤四，根据线缆屏蔽效能的定义，确定线缆屏蔽效能与编织屏蔽层之间的数学关系，并分析得出线缆屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系。屏蔽效能与屏蔽层半径的具体解析步骤为：
参考机箱屏蔽效能的定义，即：没有屏蔽时，从辐射干扰源传输到空间某一点的场强E0和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点E1之比；线缆正常工况下的电场屏蔽效能定义为：
式中，E0为无屏蔽层时的电场强度，E1为有屏蔽层时的电场强度。
将式(14)转移阻抗公式改写为：
其中：
根据屏蔽效能定义，可得屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系为：
式中，Q为：
从而得到，屏蔽层半径与屏蔽效能的关系为：
利用式(23)可根据屏蔽效能设计合理的编织屏蔽层半径。
数值算例验证：
本文采用电磁仿真软件CST(Cable Studio)工作室对上述理论推导进行验证。仿真模型参照图3，在CST中建立长度为1m距离参考地面为50mm的屏蔽线。表1列出了屏蔽线编织参数，其中屏蔽层电导率为5.8e7S/m，相对磁导率为1。芯线激励源频率范围0-1GHz，幅值为1A。芯线两端负载阻抗Z01和ZL1均设置为50Ω。
表1数值计算模型编织参数
如图8所示，给出了本文方法和CST仿真计算RG58线缆屏蔽效能的对比结果，其中实线为本文计算结果，虚线为CST仿真结果。可看出，本文方法计算结果与CST仿真结果基本吻合。
如图2所示，在其他参数保持不变的情况下，其中R取值分别为1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm和1.9mm。
如图9所示，从图中可知，在整个频段内，转移阻抗值随着屏蔽层半径R的增大，先减小后增大。这是因为，屏蔽层半径R会影响屏蔽层的编织覆盖率以及编织网间隙。屏蔽层半径R的增大使得相应的编织覆盖率减小，如表2所示，同时会使得编织网间隙减小。屏蔽层半径R到达一定值后，转移阻抗值达到最小，之后随着R增大而增大。所以，屏蔽效能随屏蔽层半径R的增大，先增大后减小。
表2不同屏蔽层半径与其对应的编织覆盖率
下面以屏蔽层半径为参数变量，分析0-1GHz内在41.6MHz、208MHz、500MHz、830MHz和1000MHz等不同频点处，屏蔽层半径与屏蔽效能的关系。
如图10和图11所示，由图可以得到，对于RG58屏蔽结构，在保持线缆其他结构参数不变的情况下，屏蔽层半径在1.5-1.9mm范围内，线缆屏蔽层为1.7mm左右时屏蔽效果达到最佳。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (5)
1.一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，其特征是：包括以下步骤：
S1：建立kley转移阻抗模型；
S2：根据kley转移阻抗模型建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式；
S3：采用偶极子近似方法，建立屏蔽层电流的电磁辐射模型；
S4：根据线缆屏蔽效能的定义，确定线缆屏蔽效能与编织屏蔽层之间的数学关系，并分析得出线缆屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，其特征是：在步骤S1中，建立kley转移阻抗模型的具体步骤为：
转移阻抗Zt(单位：Ω/m)定义为单位长度线缆上单位电流流过屏蔽层时，在屏蔽层与芯线之间所形成的开路电压：
式中，I0为屏蔽层中流过的电流，为芯线与屏蔽层之间的单位电压；
编织参数定义如下：编织屏蔽层半径b，编织束数C，每个编织束数中金属丝根数N，单根细丝线直径d，编织金属丝导电率σ，编织角
采用Kely转移阻抗模型计算屏蔽层转移阻抗，表达式为：
Z′t＝Z′d+jωL′t+(1+j)ωL′s (2)
式中，Z′d是编织网孔线缆转移阻抗的散射部分，将编织参数代入得到：
编织屏蔽层材料趋肤深度δ为：
式中，σ是屏蔽材料的电导率，f是感应电流的频率，μ是屏蔽材料的磁导率；
透射电感L′t表示为：
L′t＝M′L+M′G (5)
M′L是孔电感L′a项的修正，描述了电磁能量通过编织屏蔽网的扩散；M′G项解释了波动效应，可用编织束间的互感描述；M′L和M′G表达式为：
式中，是磁场衰减因子，τH为：
k1是关于编织网填充因子F的函数
Kley模型中Ls考虑了屏蔽体编织网孔处的磁生涡旋电流，其中：
式中，DL和DG为趋肤效应的假设直径，是关于填充因子F和编织角的函数：
式中，
将Z′d、L′t和Ls计算表达式代入式(2)中可得：
式中，在实际应用当中，屏蔽层填充因子F≈1。
3.根据权利要求2所述的一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，其特征是：在步骤S2中，建立芯线电流和屏蔽层电流的函数关系式的具体步骤为：
利用传输线理论，屏蔽层任意一点电流I2(z)为：
式中，I01和Z01分别表示芯线激励源电流和内阻抗，ZC1和γ1分别表示由屏蔽层与芯线组成的回路特征阻抗和传播常数；ZC2和γ2分别表示由屏蔽层与参考地组成的回路特征阻抗和传播常数，Z02和ZL2分别表示屏蔽层与参考地之间的两端接地负载；
根据传输线频域分析理论，在屏蔽层上沿长度方向电流分布计算公式为：
式中，β是屏蔽层传输常数，Γ1和Γ2为终端反射系数，且
4.根据权利要求3所述的一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，其特征是：在步骤S3中，基于偶极子近似方法的辐射场计算的具体步骤为：
电偶极子为几何长度远小于波长的线元上载有等幅同相的电流；设线元上所载电流作正弦变化，即i(t)＝Icosωt，则在球坐标系中任意一点P处的电场和磁场表达式为：
式中，波数μ0为空气的磁导率，为4π×10-7H/m，ε0为空气的介电常数，约为8.85×10-12F/m；
利用传输线理论，将屏蔽层进行分段处理，每段长度小于最短波长的1/10，每个单元都可以看作为一个偶极子；
屏蔽线产生的总辐射电场为：
E＝EAbs+E′Abs (18)
其中，E′Abs为镜像屏蔽层电流形成的电场，E′Abs同样采用上述方法进行计算。
5.根据权利要求4所述的一种基于屏蔽效能的编织屏蔽层半径设计方法，其特征是：在步骤S4中，屏蔽效能与屏蔽层半径的具体解析步骤为：
参考机箱屏蔽效能的定义，即：没有屏蔽时，从辐射干扰源传输到空间某一点的场强E0和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点E1之比；线缆正常工况下的电场屏蔽效能定义为：
式中，E0为无屏蔽层时的电场强度，E1为有屏蔽层时的电场强度；
将式(14)转移阻抗公式改写为：
其中：
根据屏蔽效能定义，可得屏蔽效能与屏蔽层半径的定量关系为：
式中，Q为：
从而得到，屏蔽层半径与屏蔽效能的关系为：
利用式(23)可根据屏蔽效能设计合理的编织屏蔽层半径。
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