基于CST軟件仿真的線束隔離研究

劉巖東　劉　洋 /

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

0　引言

因電氣線路故障導(dǎo)致了一些嚴(yán)重的飛行事故的發(fā)生，F(xiàn)AA(Federal Aviation Administration)于2007年年底通過了25-123號(hào)修正案做出的更改，在FAR-25中增加H分部。EWIS 是“電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)”的簡稱[1]，以此為所有新機(jī)型的EWIS適航審定提出了明確的要求[2]，其中通過隔離等方式防止電弧和電磁干擾是重要的適航審定內(nèi)容[3]。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)前期確定線束隔離代碼及隔離規(guī)范是EWIS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，即按照導(dǎo)線所承載的電流強(qiáng)度和信號(hào)敏感強(qiáng)度將其分為不同種類，按照一定的規(guī)則進(jìn)行成束綜合設(shè)計(jì)，相同信號(hào)類型的導(dǎo)線可以綁扎為一束，而不同類別的導(dǎo)線必須按照一定的距離敷設(shè)。同時(shí)，根據(jù)機(jī)上不同的使用環(huán)境，使用同軸電纜、屏蔽電纜或扭絞電纜來減少電磁干擾。由于線束與線束、線束與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間有了足夠的物理隔離，也在一定程度上防止了電弧發(fā)生。因此，建立合理的線束敷設(shè)的隔離規(guī)范，不但可以減小電磁干擾，也是預(yù)防電弧的一項(xiàng)重要方式。

在國內(nèi)民用飛機(jī)EWIS設(shè)計(jì)和適航取證過程中，線束隔離距離缺少足夠的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，因此有必要通過理論分析和仿真模擬，建立EWIS線纜間電磁干擾的量化模型，計(jì)算不同條件下線纜間的電磁干擾強(qiáng)度，從而達(dá)到設(shè)置合理隔離距離及通過增加適當(dāng)屏蔽防護(hù)解決問題的目的。

1　隔離距離仿真

1.1 CST軟件

CST軟件是以MWS-Microwave Studio為核心，在Mafia軟件基礎(chǔ)上推出的三維高頻電磁場(chǎng)仿真軟件。其電磁仿真平臺(tái)不但能夠?qū)铝⑵骷M(jìn)行優(yōu)化，還能夠在全局層面上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成全新的系統(tǒng)組合仿真技術(shù)，它將復(fù)雜的電磁系統(tǒng)分解為簡單系統(tǒng)，并采用最優(yōu)的電磁或電路算法進(jìn)行快速精確地仿真，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本研究采用多導(dǎo)體傳輸線法進(jìn)行仿真分析，在傳輸線上只傳輸橫電磁波為假設(shè)條件，應(yīng)用多導(dǎo)體傳輸線方程，模擬傳輸線的分布參數(shù)對(duì)導(dǎo)線上傳輸?shù)男盘?hào)的影響，從而計(jì)算出串?dāng)_的結(jié)果。該分析模型求解步驟相對(duì)簡單，易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，得到的結(jié)果也較為精確。

1.2 構(gòu)建模型

共地平行線纜如圖1所示，有干擾源的稱為發(fā)射線纜，受影響的稱為接收線纜。線纜長度為l，線纜間距為d，線纜距地板高度為h。發(fā)射線纜一端接激勵(lì)源ES,另一端接負(fù)載ZL；接收線纜兩端都接負(fù)載ZL。

圖1　平行共地線纜示意圖

依據(jù)實(shí)際工程中大量使用的MIL-W-22759導(dǎo)線規(guī)范，在軟件數(shù)據(jù)庫中生成仿真所需的AWG8以及AWG24線規(guī)的導(dǎo)線，滿足NEMA WC27500規(guī)范的24線規(guī)單芯屏蔽電纜、雙扭絞電纜以及屏蔽雙扭絞電纜等。

取線纜下模擬地的鋁板長2 m、寬0.4 m、厚度5 mm，發(fā)射線纜為AWG8的單芯非屏蔽導(dǎo)線, 接收線纜為AWG24的單芯非屏蔽導(dǎo)線、雙芯扭絞及單芯屏蔽導(dǎo)線，導(dǎo)線長度l均為1 m，距地板高度h為10 mm，負(fù)載特性阻抗ZL為10 Ω。圖2所示正弦交流電激勵(lì)信號(hào)，頻率為400 Hz，電壓幅度為115 V。

圖2　正弦交流電激勵(lì)信號(hào)

1.3 三種構(gòu)型的仿真

以AWG8的單芯非屏蔽導(dǎo)線為發(fā)射線纜，分別以AWG24單線芯非屏蔽線纜、AWG24雙扭絞非屏蔽線纜和AWG24單芯屏蔽線纜為接受端，取間距d分別為2 in(1 in=2.54 cm)和4in時(shí),接收線纜上串?dāng)_電壓值隨線纜間距變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3　線纜間距2 in時(shí)接收線纜串?dāng)_信號(hào)

圖4　線纜間距4 in時(shí)接收線纜串?dāng)_信號(hào)

保持發(fā)射端線纜設(shè)置不變，間距d取為4in，分別以AWG24雙芯扭絞和AWG24單芯屏蔽線纜為接收端，所得信號(hào)值及前述信號(hào)值見表1。

表1　三種構(gòu)型仿真串?dāng)_結(jié)果

從以上結(jié)果能夠得出：

1)相同發(fā)射、接受條件下，距離能夠降低串?dāng)_影響，如表中的0.621 V降為0.211 V；

2)同距離條件下，雙芯扭絞形式導(dǎo)線可以大幅降低串?dāng)_影響，如0.211 V降為0.009 V；

3)同距離條件下，屏蔽形式導(dǎo)線可以幾何量級(jí)降低串?dāng)_影響，如0.211 V降為0.001 25 V，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)線纜的要求進(jìn)一步提高，單芯導(dǎo)線和雙扭絞導(dǎo)線不能滿足所需指標(biāo)時(shí)，可以選擇采用屏蔽導(dǎo)線。屏蔽導(dǎo)線是具有高效屏蔽效能的傳輸線，不僅能有效抑制對(duì)傳輸線路的串?dāng)_，也能夠降低線纜內(nèi)部傳輸?shù)男盘?hào)對(duì)周圍的電磁干擾。

2　典型EWIS隔離規(guī)范定義

EWIS隔離規(guī)范通常指如何按一定的規(guī)則區(qū)分承載機(jī)上系統(tǒng)電源、信號(hào)的線路，定義線路隔離代碼，以此將這些線路設(shè)計(jì)成線束，同時(shí)各種線束之間必須保持一定的隔離距離進(jìn)行敷設(shè)，以防止EMC干擾和電弧的產(chǎn)生。如HB6524-91規(guī)定將線路按照信號(hào)分為I～VI類線路[4]，但經(jīng)過20多年的發(fā)展，此規(guī)定對(duì)于現(xiàn)代民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的局限性。本研究對(duì)某型飛機(jī)線路特性和功能進(jìn)行具體分析，按照系統(tǒng)的功能、EMC特性和冗余特性提出了一種新型隔離規(guī)范，具體定義如下：

圖5　典型隔離規(guī)范定義

不同系統(tǒng)功能代碼、冗余的線束，按照其系統(tǒng)本身特點(diǎn)，具有專門的物理隔離要求，其要求與EMC代碼共同決定了線束的隔離，一般選擇數(shù)值要求大的為實(shí)際規(guī)定要求。本文不討論系統(tǒng)功能及余度代碼對(duì)隔離的影響。

表2　電磁兼容代碼定義

不同EMC代碼之間的隔離距離如表3所示。

表3　EMC代碼隔離距離(單位：in)

3　隔離距離規(guī)范的仿真驗(yàn)證

每條接收線纜上的串?dāng)_值都是其他發(fā)射線纜共同作用的結(jié)果，即多對(duì)一耦合，因此需要對(duì)每條發(fā)射線纜在干擾線纜上產(chǎn)生的耦合電壓進(jìn)行疊加。疊加是分析串?dāng)_的一個(gè)重要原則。假設(shè)當(dāng)接收線纜上的電壓為0 V時(shí)，5 V的方波差分信號(hào)在接收線纜上產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲電壓為300 mV。當(dāng)接收線纜傳輸5 V的方波差分信號(hào)時(shí)，其上產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲電壓仍為300 mV，此時(shí)接收線纜上的總電壓為原有的信號(hào)和串?dāng)_信號(hào)電壓之和。如果有多條發(fā)射線纜將噪聲耦合到同一條接收線纜上，則接收線纜上的總串?dāng)_電壓為所有串?dāng)_電壓之和。

依托所建立仿真分析方法，結(jié)合項(xiàng)目中EWIS布線設(shè)計(jì)在EMC方面分類，可針對(duì)每個(gè)EMC分類，各選用一種代表性信號(hào)，進(jìn)行隔離距離驗(yàn)證。根據(jù)對(duì)不同EMC信號(hào)的定義，選取適當(dāng)?shù)牡湫托盘?hào)及線纜規(guī)格，如表4所示。

表4　信號(hào)及線規(guī)選取

依據(jù)表4中對(duì)信號(hào)屬性及表3中對(duì)EMC隔離的要求，每組仿真選用高發(fā)射功率和接受敏感的EMC代碼分別作為接收線纜和發(fā)射線纜，以6 in為距離進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果見表5。

表5　分組仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以得出：

1)1類對(duì)3類線的串?dāng)_電壓最大幅值為0.011 V，表明該敏感線路系統(tǒng)允許的串?dāng)_值應(yīng)大于0.011 V，否則應(yīng)采用加大距離、使用屏蔽等防護(hù)措施；

2)2類對(duì)3類的串?dāng)_電壓最大幅值0.008 V，表明該敏感線路系統(tǒng)允許的串?dāng)_值應(yīng)大于0.008 V，否則應(yīng)采用加大距離、使用屏蔽等防護(hù)措施；

3)1類信號(hào)對(duì)4類線的串?dāng)_電壓最大壓幅值為0.004 8 V，表明該線路系統(tǒng)允許的串?dāng)_值應(yīng)大于0.004 8 V，否則應(yīng)采用加大距離、使用屏蔽等防護(hù)措施；

4)2類信號(hào)對(duì)4類線的串?dāng)_電壓最大幅值為0.002 4 V，表明該線路系統(tǒng)允許的串?dāng)_值應(yīng)大于0.002 4 V，否則應(yīng)采用加大距離、使用屏蔽等防護(hù)措施。

4　結(jié)論

經(jīng)過非屏蔽導(dǎo)線平行線纜間、雙扭絞導(dǎo)線平行線纜和屏蔽導(dǎo)線串?dāng)_仿真，以及承載不同EMC信號(hào)線路隔離距離的驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

1)距離對(duì)于平行線纜的串?dāng)_影響非常大，隨間距減小，干擾影響程度急劇上升；

2)使用扭絞和屏蔽保護(hù)材料是減少線纜串?dāng)_影響的有效措施；

3)不同EMC信號(hào)線路的隔離距離能夠在很大程度上影響系統(tǒng)的工作，如果系統(tǒng)本身允許的范圍小于干擾值，應(yīng)采取增大隔離距離、使用屏蔽或扭絞等措施進(jìn)行保護(hù)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以采用此原則進(jìn)行初步隔離設(shè)計(jì)，對(duì)民用飛機(jī)的EWIS設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。