机载线缆高频电磁耦合机理及优化方法研究

Airborne cable coupling is the main electromagnetic interference path on aircrafts. Electromagnetic compatibility problems caused by cable coupling are the significant hidden perils to the safety of the aircrafts. With the development of the radio frequency integration technique, the high-frequency cables are more commonly applied. However, the great disparity between the radial and axial dimensions and the complicated wiring environment make the analysis of the cable coupling very difficult, while the available methods are often inefficient. To deal with these problems, this project investigates the modeling, mechanism and optimization methods of the high-frequency electromagnetic coupling for the airborne cables . Firstly, we will study an efficient and general basis function set suitable for cable analysis, explore fast and accurate calculation of the element parameters, study the stability of the full-wave time-domain integration algorithm, and establish a stable and efficient partial element equivalent circuit model. Secondly, a complete and orthogonal set of characteristic patterns will be extracted and simplified by the model order reduction methods, which demonstrates the characteristics of cable coupling with different types, structures and physical properties. Thirdly, high-frequency electromagnetic coupling mechanism of airborne cables will be revealed and numerical models of single cable and multiple cables will be established and fitted to formulae. Finally, the influence of cable and cable bundle structure parameters, wiring forms and electromagnetic environment on cable coupling will be assessed and corresponding optimization methods will be proposed. Thus a comprehensive analysis and optimization method system will be formed for high-frequency electromagnetic coupling of airborne cables.

机载线缆耦合是飞机上电磁干扰的主要耦合途径。针对机载射频综合技术下，高频线缆使用需求增加，而线缆径向与轴向尺寸比例悬殊、实际布线情况复杂和现有线缆耦合计算方法效率低的问题，本项目研究机载线缆高频耦合模型建立、机理分析及优化的方法。首先，研究适于线缆高频电磁耦合分析的高效通用基函数集，探索快速准确的单元参数计算方法，研究全波时域积分算法的稳定性问题，建立稳定高效的部分单元等效电路模型；然后，提取线缆耦合的特征模式集合，研究模型降阶方法对部分单元等效电路模型进行简化；进而分析不同特性的高频线缆耦合特点并揭示其机理，建立线缆电磁耦合的数值模型并进行函数化拟合；最后，评估线缆与线束结构参数、布线形式与电磁环境等要素对线缆电磁耦合特性的影响，提出线缆设计的优化方法，形成线缆高频电磁耦合特性综合分析及优化的方法体系。

线缆耦合是引发汽车、飞机、舰船等系统电磁兼容故障、制约性能提升的重要原因，进行机载线缆电磁耦合的建模分析对系统的电磁兼容性设计、预测评估及故障排查至关重要。随着电子信息系统工作频率的提高，线缆建模出现了误差过大、模型过于复杂的问题。因此，课题组开展了机载线缆高频电磁耦合机理及优化方法研究，完成了全波等效电路表征方法、线缆的特征模式分析、线缆电磁耦合综合分析方法及线缆设计优化方法等四项研究内容。课题组主要研究进展包括以下五个方面：（1）线缆电磁耦合高频特性表征，为准确模拟高频时电流与电荷因趋肤效应、临近效应表现出的分布特点提供了数学方法，可用于建立宽频带电磁仿真分析模型，指导电子信息系统的分析与设计；（2）线缆电磁耦合高频模型简化计算与高效分析，为高阶模型、复杂积分、大型矩阵等的简化处理提供了有效的方法，可用于大型电子信息系统的快速模拟；（3）线缆电磁耦合特性有效测试与实时监测，为消除测试本身引入的影响、获取有效数据提供了科学的方法，可用于装备电磁兼容性检测、故障排查、实时监测，为保证装备良好运行提供有力的支持；（4）线缆电磁耦合特性综合分析，为含多因素的耦合分析提供了模型框架和方法，可用于各种典型装备场景中的耦合建模与分析；（5）线缆电磁耦合特性机理分析与优化设计，清晰阐释了线缆耦合问题发生的关键环节及线缆各部分在其中的作用机理，为系统线缆提供了新的设计思路和设计方法，可用于为实现多网融合或其他电子信息系统信息高速、安全、低耗传输需求的高抗扰性线缆设计。课题组相关研究已发表SCI论文5篇、EI论文7篇、专利5项，圆满完成了课题研究任务。