CST 电磁仿真分析之电缆分析解决方案

关于电缆

电缆作为控制信号传输线和电源线串接在电子系统内外，相当于人体的神经和血管。承载信息和电力的电缆通常充当噪声传播路径和噪声辐射天线，因此在系统级 EMC 仿真中考虑电缆非常重要。从要求轻量化、小型化、高密度化的各种电子设备开始，到机器人、无人机等驱动系统和电控高度集成的系统，以及高压系统和控制系统并存的电动汽车等诸多系统。考虑电缆的对策已成为目标的重要问题。

电缆结构

同轴电缆编织屏蔽结构

•电缆因应用而异，并且有无数种组合了带状电缆、绞合结构和编织屏蔽等元素的变体。以同轴电缆的屏蔽层为例，电缆结构是编织层和金属箔组合而成的复杂结构，屏蔽性能根据线径、编织层数等条件而发生变化

在对这种具有全 3D 结构的同轴电缆进行电磁场分析时，需要对编织层的每根线进行建模。下图显示了实际建模和分析的屏蔽层上的电流分布图像。

如果想象用这条长距离铺设的同轴电缆来分析整个设备，不难想象分析负荷会非常大。因此，为了实现包含电缆的系统的EMC仿真，有必要应用一种对电缆进行高效建模的分析方法。

CST Studio Suite 的电缆分析功能是什么？

CST Studio Suite 的第一步是将铺设在 3D 空间中的电缆转换为等效网络。通过对电缆的横截面形状执行称为 2DTL 建模的分析，可以提取包括电线与周围结构之间的电容耦合、每单位长度的电感和电阻分量的电路网络。表示为网络的电缆在 3D 空间中以网格分布等效排列。对电缆信号传输进行了电路分析，通过将获得的电缆上的电流/电压信息与网格上的电场/磁场信息进行交换，分析了电缆与3D电磁场之间的相互作用。

包括电缆在内的系统分析流程

电缆和 3D 电磁场之间的相互作用必须同步为瞬态响应，电磁场分析方法自然要使用时域求解器。

CST 电缆分析解决方案

>电缆定义方法

在CST Studio Suite中，通过结合电缆横截面结构的定义和电缆的走线（3D空间布局）来定义电缆。电缆截面结构的定义由四种类型的基本电缆和组合这些电缆的复合电缆执行。基本电缆有实心线、平行线（带状电缆）、绞合线和同轴电缆。双绞线还可以指定绞合间距和旋转方向。

四种基本电缆（左）和复合电缆示例（右）

电缆屏蔽可选择编织、实心和箔类型，包括频率依赖性（电缆内外的电磁波泄漏）的屏蔽特性表示为传输阻抗。

防护罩类型

传输阻抗是一个与频率相关的参数，它将电缆内部的电压与屏蔽层外部感应的电流联系起来，从而可以处理电缆内外电磁波的耦合。例如，在编织屏蔽的情况下，集肤效应导致的泄漏在低频侧占主导地位，而在波长较短的高频侧，与编织网结构相关的泄漏变得突出. 

>电缆布放方式

在 3D 空间中轻松布置定义的电缆。利用 CST 的 3D 建模器中的曲线功能来定义电缆布线并将电缆分配给该曲线。各种布局都是可能的，包括电缆组分支。路径坐标信息也可以以 STEP AP212 格式导入。

车内走线

>分析方法

如上所述，为了正确分析电缆与3D空间之间的相互作用，需要将电缆中信号传输的电路分析与3D电磁场分析同步进行分析。CST Studio Suite标配有电路分析功能，因此电路和电磁场分析可以非常顺畅地衔接起来。

CST 提供 TLM 方法作为与电缆分析相关的 3D 电磁场分析的时域求解器。TLM 方法（传输线方法）采用将 3D 空间表示为等效网络的独特方法。通过将电磁场在 3D 空间中的传播计算为电压和电流在等效电路上的传播，可以进行高效分析，还支持通过 GPU 计算进行高速分析。电缆等效电路网络在 3D 空间中布置的设置与 TLM 方法的算法具有很高的亲和性，与结合 FDTD 方法的方法相比，在分析精度和效率方面更胜一筹。

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