周 暢，樊友文，楊華榮，劉 鋼，許榮彧，瞿 丹，張建國

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

編織線結(jié)構(gòu)參數(shù)對船用金屬編織網(wǎng)屏蔽效果影響研究

周 暢，樊友文，楊華榮，劉 鋼，許榮彧，瞿 丹，張建國

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

針對船用金屬屏蔽絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其屏蔽性能的影響問題，重點(diǎn)討論屏蔽絲網(wǎng)編織線直徑和單位載線編織線數(shù)量對金屬編織網(wǎng)覆蓋率及屏蔽性能的影響?；?CST Cable Studio 仿真平臺，建立電纜收/發(fā)仿真模型，對不同線徑、單位載線編織線數(shù)目下屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果進(jìn)行定量預(yù)估和對比分析，研究結(jié)果表明，在載線數(shù)量和方向角一定的情況下，金屬屏蔽絲網(wǎng)的覆蓋率隨著編織線直徑和單位載線編織線數(shù)目的減少而減少，對于特定頻率，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率高于 70% 時(shí)，覆蓋率變化對于金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果影響較小，當(dāng)絲網(wǎng)線徑和編織線數(shù)目進(jìn)一步降低時(shí)，金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果迅速降低；此外厚度對于金屬屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果也有一定的影響。

電磁兼容；金屬編織網(wǎng)；覆蓋率；編織線

0 引 言

現(xiàn)代艦艇作為涉及大量高科技技術(shù)的綜合平臺，集成了越來越多的電子、電氣設(shè)備，這些設(shè)備包含很多大功率設(shè)備，其向外發(fā)射、傳導(dǎo)的各類信號會嚴(yán)重影響其他電子設(shè)備，尤其是弱電類設(shè)備的正常運(yùn)行，因此必須采取相應(yīng)的電磁屏蔽措施，保障整個(gè)艦艇系統(tǒng)的正常工作[1–2]。結(jié)合工程實(shí)際，按照電磁干擾三要素：干擾源、耦合路徑和受干擾體分析，電纜是當(dāng)前艦艇電磁干擾最主要的耦合路徑，其對應(yīng)的屏蔽措施也受到人們越來越多的關(guān)注[3–4]。

船用金屬屏蔽絲網(wǎng)具有柔韌性好，易于安裝，屏蔽效果較好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為船上電纜最常采用的電磁屏蔽措施，金屬屏蔽絲網(wǎng)本身質(zhì)量的好壞，制備過程中各個(gè)參量的選擇，直接關(guān)系到金屬屏蔽絲網(wǎng)的成本、柔韌性和屏蔽效果，金屬編織網(wǎng)越密集、覆蓋率越高，其屏蔽效果越好，但是重量、成本會相對提高，同時(shí)其柔韌性大大降低，影響艦艇施工，因此對于金屬屏蔽絲網(wǎng)各制備參數(shù)的合理選擇極為重要，必須進(jìn)行相應(yīng)研究，一些文獻(xiàn)對金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果進(jìn)行了一定的分析，如 FELIZIANIm[5]等研究了包裹屏蔽層電纜的全波分析，樊友文[6–8]等研究了屏蔽層對于電纜的耦合影響，然而，以往的研究側(cè)重于理想模型的分析和計(jì)算，對于金屬屏蔽絲網(wǎng)本身各指標(biāo)參數(shù)對于其屏蔽效果的直接影響研究較少。

本文針對金屬屏蔽絲網(wǎng)各指標(biāo)參數(shù)對于其屏蔽效果的影響問題，重點(diǎn)討論了金屬屏蔽絲網(wǎng)線徑、載線、方向角等參數(shù)對于屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果的影響?；?CST 線纜工作室，結(jié)合工程實(shí)際，建立屏蔽電纜收/發(fā)三維模型，對不同線徑、單位載線編織線數(shù)目下屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果進(jìn)行定量預(yù)估和對比分析，研究結(jié)果表明，在載線數(shù)量和方向角一定的情況下，金屬屏蔽絲網(wǎng)的覆蓋率隨著編織線直徑和單位載線編織線數(shù)目的減少而減少，對于特定頻率，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率高于 70% 時(shí)，覆蓋率變化對于金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果影響較小，當(dāng)絲網(wǎng)線徑和編織線數(shù)目進(jìn)一步降低時(shí)，金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果迅速降低；此外厚度對于金屬屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果也有一定的影響。

1 仿真模型及初始理論分析

為了仿真計(jì)算金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果，建立仿真模型如圖1 所示，編織網(wǎng)屏蔽層結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

設(shè)載線數(shù)目為m，每條載線上編織線數(shù)目為 n，編織線直徑為 d，編織線絞入率為 G，單向覆蓋系數(shù)為Kr，編織密度為 K，則單向覆蓋系數(shù)滿足：

圖1 電纜收/發(fā)三維模型Fig. 1 3Dmodels of launching and receiving cables

圖2 編織網(wǎng)屏蔽層結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The wovenmesh shied structure diagram

編織網(wǎng)覆蓋率滿足：

以上參數(shù)可以在 CST 中進(jìn)行精確設(shè)置，通過修改金屬編織網(wǎng)的設(shè)置，可以對金屬編織網(wǎng)自身的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改，結(jié)合接收電纜感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果，可以對金屬編織網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對其屏蔽性能的影響進(jìn)行有效的對比和分析。

2 發(fā)射接收電纜模型仿真及分析

按圖1 和圖2 設(shè)置 CST 仿真模型，H=5 cm，L=5 cm，編織線角度設(shè)置為 26°，編織網(wǎng)載線數(shù)量m固定為 16，電纜直徑固定為 0.36 cm，所有電纜長度固定為 1m，編織線角度設(shè)置為 26°，編織網(wǎng)載線數(shù)量固定為 16，發(fā)射電纜傳輸信號幅度為 1 V，頻率為 125 ～ 155×106Hz，屏蔽層均兩端接地，接地電阻均設(shè)為10mΩ。

設(shè)定編織線直徑為 d（變化范圍：0.004 88 ～0.012 2 cm），每條載線上編織線數(shù)目為 n（變化范圍3～7），取 6 種金屬編織網(wǎng)參數(shù)組合，加上未加裝金屬編織網(wǎng)的接收電纜模型共 7 個(gè)電纜發(fā)/收模型進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可發(fā)現(xiàn)，沒有加裝編織網(wǎng)的電纜，在發(fā)射電纜信號的耦合作用下，感應(yīng)電壓很高，且頻段較寬，在 125～140mHz 均高于 0.07 V，其中最高值出現(xiàn)在 136.5mHz，感應(yīng)電壓幅值為 0.11 V，當(dāng)接收電纜加裝了金屬屏蔽絲網(wǎng)之后，感應(yīng)電壓頻段迅速變窄，幅值減小，這表明金屬屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果較為明顯，感應(yīng)電壓峰值向高頻移動，這是因?yàn)榻饘倨帘谓z網(wǎng)加入后，改變了發(fā)射電纜與接收電纜之間的耦合阻抗。

由圖3（b）～圖3（e）可知，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)載線直徑從 0.012 2 cm變?yōu)?0.009 6 cm時(shí)，根據(jù)式（2）的計(jì)算，金屬編織網(wǎng)覆蓋率由 85% 降低為 75%，感應(yīng)電壓幾乎沒有變化，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)編織線直徑進(jìn)一步降低到 0.007 3 cm和 0.004 9 cm以后，編織網(wǎng)覆蓋率隨之降低到 62.1% 和 45.3%，接收電纜感應(yīng)電壓明顯增大。以上結(jié)果表明：對于特定頻率和長度的電纜，金屬屏蔽絲網(wǎng)的載線直徑在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其對于感應(yīng)電壓的影響不大，其原因是由于金屬屏蔽絲網(wǎng)的空隙及厚度對于其屏蔽效果影響極大，當(dāng)載線直徑高于一定值時(shí)，整個(gè)金屬屏蔽絲網(wǎng)的覆蓋率較高，具有一定的厚度，空隙相對很小，這時(shí)雖然載線直徑有所減小，高頻電磁波也很難透過金屬屏蔽絲網(wǎng)的細(xì)孔耦合到接收電纜當(dāng)中，當(dāng)載線直徑進(jìn)一步降低，絲網(wǎng)厚度降低，空隙增大到一定程度以后，其對于高頻電磁波的阻擋能力將迅速降低，導(dǎo)致感應(yīng)電壓迅速增大。

根據(jù)圖3（f）和圖3（g）可知，當(dāng)編織線數(shù)量（單位載線）減少時(shí)，與編織線直徑降低時(shí)的規(guī)律類似，當(dāng)整個(gè)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率高于 70% 時(shí)，隨著編織線數(shù)量的減少，金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽能力下降不多，當(dāng)編織線進(jìn)一步減少時(shí)，金屬編織網(wǎng)的屏蔽能力迅速降低。

根據(jù)圖3（e）和圖3（g）可知，在金屬編織網(wǎng)覆蓋率基本相同的情況下，編織線較粗的金屬編織網(wǎng)屏蔽效能要好于編織線較細(xì)的編織網(wǎng)，這是因?yàn)樵诟采w率基本相同的情況下，編織網(wǎng)越厚，其屏蔽效能越好。

綜上所述，對于特定頻率，金屬屏蔽絲網(wǎng)的覆蓋率和空隙大小對于其屏蔽效果影響有一定的差異，當(dāng)屏蔽絲網(wǎng)的覆蓋率高于一定值時(shí)，因?yàn)榭障遁^小，金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率的變化對于其屏蔽效果影響不大，隨著金屬屏蔽覆蓋率的進(jìn)一步減小，空隙進(jìn)一步增大，此時(shí)金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果隨著金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率的減小而迅速降低，此外在金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋相同的情況下，較厚的屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果更好。

圖3 電纜收/發(fā)模型仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results of launching and receiving cablesmodels

3 結(jié) 語

本文基于 CST 電纜仿真實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合工程實(shí)際，建立電纜收/發(fā)三維仿真模型，對金屬屏蔽絲網(wǎng)各指標(biāo)參數(shù)對其屏蔽效果的影響進(jìn)行仿真和分析，研究結(jié)果表明，在 125 ～ 155mHz 頻段，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率高于 75% 時(shí)，金屬屏蔽絲網(wǎng)的編織線直徑的變化對其屏蔽效能影響較小，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率高于 70%時(shí)，隨著單位載線編織線數(shù)量的減少，金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效能慢慢降低，當(dāng)金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率低于70% 時(shí)，隨著金屬屏蔽絲網(wǎng)的編織線直徑和編織線數(shù)量的減少，金屬屏蔽絲網(wǎng)的屏蔽效果迅速降低。金屬屏蔽絲網(wǎng)覆蓋率越低，其屏蔽效能會有不同程度的降低，但是其重量和成本都會下降，柔韌性也會相應(yīng)提高，因此，利用三維電磁場仿真不同線徑、載線數(shù)目下屏蔽絲網(wǎng)屏蔽效果進(jìn)行定量預(yù)估和對比分析，可以針對不同的情況，合理地選擇和設(shè)計(jì)具有最高性價(jià)比的船用金屬屏蔽絲網(wǎng)，對于有效保護(hù)艦船敏感電纜，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳窮. 電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1993.

[2]張志新. 水面艦艇編隊(duì)電磁兼容頂層設(shè)計(jì)與規(guī)劃探討[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(S): 26–29. ZHANG Zhi-xin. Study of top design and programming in formation of ship EMC[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(S): 26–29.

[3]蒼曉羽, 荊元祥, 劉琦. 艦船推力測量電路設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2014, 36(9): 125–131. CANG Xiao-yu, JING Yuan-xiang, LIU Qi. Circuit design technology on warship thrustmeasurement[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(9): 125–131.

[4]張立偉, 李雪花. 電磁兼容中有關(guān)電磁屏蔽的設(shè)計(jì)及工程計(jì)算方法的研究[J]. 船電技術(shù), 2010, 30(1): 35–40. ZHANG Li-wei, LI Xue-hua. Design and computationalmethod of engineering electromagnetic shielding in EMC[J].marine Electric & Electronic Technology, 2010, 30(1): 35–40.

[5]FELIZIANIm,mARADEI F. Full-wave analysis of shielded cable configurations by the FDTDmethod[J]. IEEE Transactions onmagnetics, 2002, 38(2): 761–764.

[6]樊友文, 閻毓杰, 許榮彧. 屏蔽電纜的耦合影響分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(7): 71–74, 86. FAN You-wen, YAN Yu-jie, XU Rong-yu. Analysis of the coupling effects on shielded cables[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(7): 71–74, 86.

[7]閻毓杰, 許榮彧, 劉鋼. 多層屏蔽電纜耦合影響的數(shù)值預(yù)測[J].水電能源科學(xué), 2011, 29(6): 177–179, 174. YAN Yu-jie, XU Rong-yu, LIU Gang. Numerical prediction of coupling effects onmulti-layered shielding cables[J]. Water Resources and Power, 2011, 29(6): 177–179, 174.

[8]閻毓杰, 許榮彧, 劉鋼. 艦船雙絞線電纜耦合影響預(yù)測與仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(9): 103–106. YAN Yu-jie, XU Rong-yu, LIU Gang. The prediction and simulation of the coupling effects on twisted-pair cables of ship[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(9): 103–106.

Research on of influence structure parameter of plait string on the shielding effectiveness of the shipmetal shield silk screen

ZHOU Chang, FAN You-wen, YANG Hua-rong, LIU Gang, XU Rong-yu, QU Dan, ZHANG Jian-guo (Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

Aming at the problemof influence of the structure parameter on the shielding effectiveness of themetal shield silk screen, the influence of the diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string on the cover rate and shielding effectiveness of themetal shield silk screen is studied in this paper. Based on the application of CST cable studio, the 3D simulationmodels of launching and receiving cables are established and the systemwith different diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string are established and influence of the grounding resistance on the shielding effectiveness of themetal shield silk screen are analyzed, respectively. The results show that, when the number of year string and angle is constant, the cover rate of themetal shield silk screen becomes small with the decreasing of the diameter of the plait string and the number of the plait string. For some frequency, when the cover rate of themetal shield silk screen is bigger than 70%, the influence of the cover rate of themetal shield silk screen on the shielding effectiveness is relatively small and, when the diameter of the plait string and the number of the plait string in one year string become smaller, the shielding effectiveness of themetal shield silk screen becomes worse quickly. On the other hand, the thickness would also affect the shielding effectiveness of themetal shield silk screen.

EMC；metal silk screen；cover rate；plait string

O441.4；O441.5

A

1672 – 7619(2016)10 – 0129 – 04

10.3404/j.is72-7619.2016.010.026

2016 – 03 – 02；

2016 – 05 – 06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201052)

周暢(1986 – )，男，工程師，主要從事艦船電磁場仿真、電磁兼容設(shè)計(jì)與研究。