王西鋒，宋世千

(1.解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種線纜護(hù)套的屏蔽效能測試方法

王西鋒1，宋世千2

(1.解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于串?dāng)_理論的線纜護(hù)套屏蔽效能的測試方法，根據(jù)測試結(jié)果分析了屏蔽護(hù)套不同接地方式對線纜間感性耦合、容性耦合的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為在實(shí)際工程中抑制線纜串?dāng)_提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：串?dāng)_；屏蔽效能；測試

0引言

現(xiàn)有電子設(shè)備中，模塊、子系統(tǒng)及互聯(lián)線纜種類繁多，工作電磁環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)行中會出現(xiàn)大量電磁干擾問題，對設(shè)備的正常運(yùn)行造成潛在威脅。因此,各模塊均須嚴(yán)格的電磁兼容(EMC)認(rèn)證。但實(shí)際工程中，一臺獨(dú)立進(jìn)行EMC測試合格的設(shè)備通過電纜連接后，工作時(shí)仍然會出現(xiàn)電磁干擾的問題，這是由于電纜在一定電磁環(huán)境下成為了高效的電磁波接收和輻射天線，同時(shí)也是干擾傳導(dǎo)的良好通道[1]。對于未采用專用屏蔽線纜的信號線，為了抑制電纜對電磁波的接收和輻射，最常見的工藝是采用屏蔽護(hù)套進(jìn)行包裹。這一工藝措施的有效性，往往通過對屏蔽護(hù)套材料的屏蔽效能測試(如窗口法測試[2-3])進(jìn)行評估。但上述實(shí)驗(yàn)得到的是材料本身對電磁波屏蔽的性能，并不符合屏蔽護(hù)套的實(shí)際工作狀態(tài)。因此,設(shè)計(jì)本測試方法旨在分析線纜屏蔽護(hù)套在實(shí)際工作狀況下的性能。

1耦合機(jī)理分析

采用屏蔽護(hù)套的目的一般是為了抑制線束、線纜之間的串?dāng)_。串?dāng)_本質(zhì)上指相互靠近的導(dǎo)線之間無意的電磁耦合，是一個(gè)近場耦合問題。對于本論文研究內(nèi)容來說，即一條電纜上的時(shí)變信號在其周圍產(chǎn)生電磁場(通常是大功率的電力線纜)，該電磁場在另一條電纜上產(chǎn)生感應(yīng)信號從而對受感電纜(通常是信號線纜)上原本傳遞的信號造成干擾。

以圖1所示的線纜串?dāng)_模型為例，其中US為電源電壓；I1為發(fā)射回路電流；RL為發(fā)射回路負(fù)載電阻；RNE、RFE為接收回路近端負(fù)載、遠(yuǎn)端負(fù)載；UNE、UFE為接收回路近端耦合電壓、遠(yuǎn)端耦合電壓。

圖1　線纜串?dāng)_模型

利用鏡像法[4]可以計(jì)算出單位長度的分布參數(shù),自感為：

(1)

(2)

互感：

(3)

互容：

(4)

線-地電容：

(5)

(6)

基于分布參數(shù)的概念，文獻(xiàn)[5]提供了無耗介質(zhì)中的三導(dǎo)體傳輸線(在圖1中，將地平面視作第3個(gè)導(dǎo)體)，近端耦合電壓和遠(yuǎn)端耦合電壓的解析形式解為：

UNE=U(0)=

(7)

UFE=U(Z)=

(8)

式(7)和式(8)中相關(guān)參數(shù)定義如下：

(9)

(10)

D=cos2βL-S2ω2τ1τ2[1-

jωScosβL(τ1+τ2)

(11)

其中：

(12)

(13)

ZC1和ZC2分別為2個(gè)回路的特性阻抗。

從形式上看出，耦合電壓的精確求解很復(fù)雜，實(shí)際工程一般不需要通過上述公式計(jì)算串?dāng)_的理論值。從表達(dá)形式可以看出，不論近端或遠(yuǎn)端，線纜的終端耦合電壓均分為2項(xiàng)：第1項(xiàng)與線纜互感l(wèi)m相關(guān)，第2項(xiàng)與線纜互容cm相關(guān)。這表明實(shí)際的串?dāng)_是兩線之間互電感和互電容共同作用的結(jié)果。將這2種成分分別稱為感性耦合和容性耦合。對于近端耦合電壓，感性耦合和容性耦合是互相疊加的；對于遠(yuǎn)端耦合電壓，感性耦合和容性耦合是互相抵消的。ML和MC分別表示式(7)和式(8)中US項(xiàng)前的系數(shù)，近端和遠(yuǎn)端耦合電壓分別為：

(14)

(15)

為了分析式(14)和式(15)中感性耦合和容性耦合的比例關(guān)系，定義耦合成分比例系數(shù)K=ML/Mc，由式(7)和(8)，如果RL=ZC1，對近端耦合和遠(yuǎn)端耦合分別寫出比例系數(shù)K的表達(dá)式：

(16)

(17)

從上述結(jié)果看出，對于確定的空間位置關(guān)系，發(fā)射線纜與接收線纜的自感、互感、線-地電容和互容是固定的，因此發(fā)射回路和接收回路的特性阻抗也不會發(fā)生變化。當(dāng)RL=ZC1時(shí)，感性耦合和容性耦合的比例取決于接收回路的負(fù)載：當(dāng)發(fā)射回路RFE和RNE為低阻時(shí)，KFE和KFE數(shù)值較大，此時(shí)感性耦合占主要成分；當(dāng)發(fā)射回路RFE和RNE為高阻時(shí)，KFE和KFE數(shù)值較小，此時(shí)容性耦合占主要成分。

上述推導(dǎo)說明任何實(shí)驗(yàn)布置下測試到的串?dāng)_耦合都是感性耦合、容性耦合疊加的結(jié)果。由于抑制感性耦合和容性耦合的方法不同，為了衡量一項(xiàng)具體的EMC防護(hù)措施抑制感性或容性耦合的效果，需要產(chǎn)生一個(gè)以感性耦合或容性耦合為主的串?dāng)_模型，從而進(jìn)行進(jìn)一步分析。式(16)和(17)的結(jié)果提供了通過改變負(fù)載阻值調(diào)節(jié)串?dāng)_中感性、容性成分的依據(jù)，在研究耦合機(jī)理以及分析感性耦合和容性耦合的貢獻(xiàn)時(shí)，負(fù)載阻值應(yīng)當(dāng)根據(jù)線纜模型的電參數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算。

2實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀向發(fā)射回路注入信號，并從接收回路接收。實(shí)驗(yàn)原理圖見圖2。其中Rs為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)阻，R1和R2分別為發(fā)射回路與接收回路負(fù)載。

圖2　實(shí)驗(yàn)原理圖

測量實(shí)驗(yàn)所采用的發(fā)射回路單芯線型號為NH-WL1-5.5單芯線，外徑為5mm，芯線內(nèi)徑為3.2mm；收回路芯線型號為AVR0.3，外徑為2mm，芯線內(nèi)徑為0.8mm。屏蔽護(hù)套(圖3)采用FFSW-20K。

圖3　屏蔽護(hù)套實(shí)物

對于實(shí)驗(yàn)裝置的空間尺寸，采用時(shí)域反射計(jì)(TDR，型號為Tektronix1520B)逐一測量了不同線-地高度和線纜間距情況下，發(fā)射回路和接收回路的特性阻抗，見表1。

表1　特性阻抗測試結(jié)果

綜合測試數(shù)據(jù)，發(fā)射回路負(fù)載RL應(yīng)盡可能接近特性阻抗，根據(jù)現(xiàn)有電阻，選擇發(fā)射回路終端負(fù)載RL=220Ω。

根據(jù)第1節(jié)的理論分析，串?dāng)_中感性耦合和容性耦合成分的比例可通過負(fù)載阻值進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)，但總的耦合電壓的幅值是很難進(jìn)行精確計(jì)算的(參考式(7)和式(8)的解析形式解)。式(16)和式(17)直觀地體現(xiàn)了接收回路負(fù)載對串?dāng)_成分的影響。兩式中的lm/cm較難通過測試直接取得，但通過其對lm/cm的數(shù)量級進(jìn)行估計(jì)從而在一定范圍內(nèi)對R1和R2進(jìn)行估計(jì)是可行的。

通過理論公式計(jì)算，得到lm/cm的數(shù)值在60 000～85 000之間。即使考慮到與實(shí)際值的誤差，也可以認(rèn)為lm/cm在數(shù)萬至十萬的數(shù)量級。當(dāng)定義的耦合成分比例系數(shù)K>10，表明耦合電壓中感性耦合產(chǎn)生的電壓是容性耦合產(chǎn)生的電壓的10倍以上，此時(shí)測試的耦合電壓主要是感性耦合；反之當(dāng)K小于0.1時(shí)，測試的耦合電壓主要是容性耦合。對于上述數(shù)量級的lm/cm和220Ω的終端負(fù)載，根據(jù)式(16)和(17)，當(dāng)接收回路的負(fù)載RFE和RNE取25Ω以下時(shí)，K<0.1，可得到較純的感性耦合測試結(jié)果；取接收回路的負(fù)載RFE和RNE為5 000Ω以上時(shí)，K>10，可得較純的容性耦合測試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中用20Ω和6 200Ω2種終端電阻值分別代表感性和容性耦合的終端負(fù)載，對1m長的發(fā)射線纜和接收線纜進(jìn)行了感性耦合和容性耦合測試。

圖4　感性耦合，接收回路負(fù)載20 Ω

圖5　容性耦合，接收回路負(fù)載6 200 Ω

根據(jù)式(14)和式(15)，近端串?dāng)_為感性耦合和容性耦合疊加，遠(yuǎn)端串?dāng)_為感性耦合和容性耦合互相抵消，因此對于純的感性耦合或容性耦合模型，近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_測試曲線應(yīng)當(dāng)完全一致。圖4和圖5中，實(shí)測的曲線幾乎重合，表明在20Ω和6 200Ω2種負(fù)載條件下，模擬測試模型已是較純的感性或容性耦合。當(dāng)2種耦合成分接近時(shí)，近端、遠(yuǎn)端的差異會很明顯。作為對比試驗(yàn)，在模擬測試中，改變終端負(fù)載為RNE=410Ω時(shí)，線-地高度30mm，回路間距60mm時(shí)，圖6證明了這一現(xiàn)象。

圖6　混合耦合，接收回路負(fù)載410 Ω

由于近端串?dāng)_是2種耦合成分的疊加，而遠(yuǎn)端串?dāng)_是2種耦合成分的抵消，圖6中近端串?dāng)_較遠(yuǎn)端串?dāng)_數(shù)值更大，在后續(xù)的模擬實(shí)驗(yàn)中，只需要對近端串?dāng)_進(jìn)行分析。而遠(yuǎn)端串?dāng)_的抵消現(xiàn)象也表明，在特定的負(fù)載條件下，遠(yuǎn)端串?dāng)_可以通過不同耦合成分的抵消進(jìn)行抑制甚至消除。

由于近端串?dāng)_是2種耦合成分的疊加，而遠(yuǎn)端串?dāng)_是2種耦合成分的抵消，因此圖6中近端串?dāng)_較遠(yuǎn)端串?dāng)_數(shù)值更大，在后續(xù)的模擬實(shí)驗(yàn)中，只需要對近端串?dāng)_進(jìn)行分析。而遠(yuǎn)端串?dāng)_的抵消現(xiàn)象也表明，在特定的負(fù)載條件下，遠(yuǎn)端串?dāng)_可以通過不同耦合成分的抵消進(jìn)行抑制甚至消除。

以網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端口的電壓U2和發(fā)射端口向發(fā)射回路注入的入射電壓V1+的比值來定義串?dāng)_(KCT)，并以分貝值表示：

(18)

網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)與KCT的關(guān)系滿足：

(19)

為了研究不同接地方式對屏蔽效果的影響，定義屏蔽效能(E)為護(hù)套不同接地方式下的串?dāng)_KCT與護(hù)套未接地(浮地)時(shí)的串?dāng)_KCT0之差，以分貝值表示：

(20)

3測試數(shù)據(jù)與分析

圖7和圖8分別是容性耦合和感性耦合的測試結(jié)果。

圖7　不同接地方式對容性耦合的影響

圖8　不同接地方式對感性耦合的影響

理論上，護(hù)套的接地方式對容性耦合和感性耦合的影響不同：將護(hù)套單點(diǎn)接地即可有效消除容性耦合；而感性耦合必須通過雙點(diǎn)接地進(jìn)行抑制。這是由于，容性耦合通過線纜之間的互容進(jìn)行耦合，只要外包裹的屏蔽護(hù)套有一點(diǎn)接地，回路之間的電場線即從發(fā)射回路開始終止于屏蔽層，而不是接收回路，因此消除了耦合電壓；而護(hù)套不接地時(shí)相當(dāng)于在雙線電容間插入一層金屬導(dǎo)體，增大了線間電容，導(dǎo)致容性耦合增加，起到了反效果。對于感性耦合，發(fā)射線纜上的電流周圍產(chǎn)生的磁場在接收回路的“屏蔽層——地”回路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)楞次定律，該電動勢產(chǎn)生的電流，流經(jīng)回路產(chǎn)生的磁通會一定程度上抵消發(fā)射線纜產(chǎn)生的磁通，從而減小耦合電壓，而單點(diǎn)接地并不能形成上述的“屏蔽層——地”回路，因此無法消除感性耦合。

測試結(jié)果證明了上述結(jié)論。容性耦合的測試結(jié)果表明，當(dāng)屏蔽護(hù)套單端接地時(shí)，由于容性耦合已能得到有效的抑制，因此單點(diǎn)和雙點(diǎn)接地時(shí)的耦合電壓曲線在1MHz以下的頻率區(qū)間內(nèi)已接近儀器底噪聲。當(dāng)頻率升高時(shí)，單點(diǎn)接地的屏蔽效能下降，而雙點(diǎn)接地仍能保持20dB以上的屏蔽效能。這是由于有效抑制容性耦合是在屏蔽層與地之間的屏蔽電壓為零的前提下實(shí)現(xiàn)的。這一方面要求護(hù)套屏蔽層上各處電位差為零，另一方面也要求屏蔽層與地之間無電位差。對于電短傳輸線，將護(hù)套任何一端接地即可滿足。隨著信號頻率的增加，必須增加接地點(diǎn)，當(dāng)頻率進(jìn)一步升高到100MHz以上時(shí)，雙點(diǎn)接地的屏蔽效果也大大下降了。

感性耦合的測試結(jié)果證明，屏蔽護(hù)套單點(diǎn)接地時(shí)，由于無法抑制感性耦合，測試曲線與浮地?cái)?shù)據(jù)接近；而雙點(diǎn)接地有效地抑制了感性耦合。圖9表示感性耦合中護(hù)套雙點(diǎn)接地時(shí)的屏蔽效能曲線，從該曲線可以看出，雙點(diǎn)接地屏蔽并不能消除低頻段的共阻抗耦合，這是由于共阻抗耦合通過參考地的電阻進(jìn)行傳遞，并不通過空間的電磁場進(jìn)行耦合。4kHz～1MHz內(nèi)曲線的波動是由于測試數(shù)據(jù)在上述頻段受到底噪聲的影響，對上述數(shù)據(jù)按照式(20)的定義計(jì)算E時(shí)導(dǎo)致了測試曲線的波動。在高頻段，雙點(diǎn)接地的屏蔽效果存在拐點(diǎn)，表明高頻時(shí)理論的屏蔽效能存在最大值。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的頻率受屏蔽護(hù)套材料的分布電阻和分布電容影響。

圖9　感性耦合下的屏蔽效能曲線

圖10　不同接地方式對容性耦合的影響(3 m)

圖11　不同接地方式對感性耦合的影響(3 m)

圖10和圖11是3m長線纜的模擬測試曲線。測試結(jié)果進(jìn)一步說明了接地點(diǎn)數(shù)對串?dāng)_的抑制作用。對于容性耦合，當(dāng)頻率高于1MHz時(shí)，單點(diǎn)接地屏蔽效能下降，而雙點(diǎn)接地屏蔽效果較好，在1MHz處優(yōu)于單點(diǎn)接地20dB。當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，4個(gè)接地點(diǎn)(位置如圖10，各點(diǎn)間隔1m)對串?dāng)_抑制效果較雙點(diǎn)接地有一定程度改善：在10MHz以上頻段，串?dāng)_受到分布電感和電容的影響，測試曲線呈現(xiàn)震蕩；在30MHz、60MHz左右的2個(gè)震蕩峰值點(diǎn)，4點(diǎn)接地時(shí)的耦合電壓比雙點(diǎn)接地時(shí)的低15dB以上。對30MHz的頻率來說，間隔1m(1/10波長)接地起到了明顯作用，因此在實(shí)際布線中，根據(jù)信號電纜上傳輸信號的頻率按照1/10波長進(jìn)行多點(diǎn)接地，可以有效抑制容性耦合對特定頻率的串?dāng)_。對于感性耦合，與容性耦合的情況類似：4點(diǎn)接地與雙點(diǎn)接地在10MHz以下并無區(qū)別；在30MHz、60MHz左右的震蕩峰值點(diǎn)，4點(diǎn)接地優(yōu)于雙點(diǎn)接地10dB以上；當(dāng)頻率高于100MHz時(shí)，4點(diǎn)接地和雙點(diǎn)接地的結(jié)果趨于一致。

對接地方法的實(shí)驗(yàn)表明，雙點(diǎn)接地的效果優(yōu)于單點(diǎn)接地，這是由于單點(diǎn)接地僅能抑制串?dāng)_中的容性耦合，隨著信號頻率的升高，單點(diǎn)接地對容性耦合的抑制作用約呈20dB/十倍頻程下降；雙點(diǎn)接地對感性耦合和容性耦合都有抑制作用，在高頻段對容性耦合的作用也較單點(diǎn)接地好10dB。從防靜電的角度看，雙點(diǎn)接地消除了近端大地和遠(yuǎn)端大地之間的電位差，對保護(hù)信號電纜的安全有重要意義。

但實(shí)際應(yīng)用中，雙點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地具有一定的局限性。這是由于多個(gè)點(diǎn)接地時(shí)，各接地點(diǎn)間的電位差和接地點(diǎn)處的搭接阻抗對屏蔽效果有很大影響。當(dāng)多個(gè)接地點(diǎn)之間存在地阻抗時(shí)，在低頻段會產(chǎn)生共阻抗耦合。共阻抗耦合大小與地阻抗的大小相關(guān)，地阻抗增大一倍，耦合電壓也增大一倍。對于一些低阻抗，共阻抗耦合產(chǎn)生的低頻耦合電壓會很顯著。而模擬實(shí)驗(yàn)也證明了包裹屏蔽護(hù)套并不能消除低頻段的共阻抗耦合。電力線纜上的噪聲信號頻譜分布廣，且主要集中在MHz以下頻段，對于上述低頻，雙點(diǎn)接地的屏蔽護(hù)套與地構(gòu)成了一個(gè)完整的回路，噪聲往往通過共地或內(nèi)阻等交聯(lián)到信號線上，如信號線上傳輸?shù)囊彩禽^低頻率的信號，會受到噪聲的干擾。因此傳輸較低頻率信號線外裹護(hù)套以單點(diǎn)接地為主。在kHz頻段，雖然單點(diǎn)接地對容性耦合的效果能保持近20dB的屏蔽效能，較好地抑制實(shí)際串?dāng)_中的容性耦合成分，但是實(shí)際的串?dāng)_耦合往往是感性、容性2種成分的疊加。從模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在布線過程中，如條件允許，根據(jù)信號電纜上傳輸信號的頻率按照1/10波長進(jìn)行多點(diǎn)接地的效果最好，如不能保證多點(diǎn)接地時(shí)具有較小的接地電阻和地阻抗，數(shù)米長的電纜單點(diǎn)接地是更穩(wěn)妥的方法。

對屏蔽護(hù)套的屏蔽效能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，在10MHz以下的頻段，測試結(jié)果中的一系列現(xiàn)象均能較好地與理論預(yù)測結(jié)果吻合。而對更高頻段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象僅能從趨勢上進(jìn)行說明，更精確的理論計(jì)算較困難，這是由于屏蔽護(hù)套通過人工包裹在線纜上，不同實(shí)驗(yàn)時(shí)其空間位置、分布參數(shù)均存在一定的差異，這些差異對高頻段的串?dāng)_測試結(jié)果都有顯著影響；另一方面，屏蔽護(hù)套通過魔術(shù)貼實(shí)現(xiàn)包裹，因此對高頻電磁波并不能形成完整的屏蔽，從而導(dǎo)致了高頻串?dāng)_的復(fù)雜現(xiàn)象。

4結(jié)束語

本文介紹了一種模擬工作狀態(tài)的測量電子設(shè)備線纜護(hù)套屏蔽效能的方法，試驗(yàn)布置接近屏蔽護(hù)套的實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)。根據(jù)測試結(jié)果分析了屏蔽護(hù)套不同接地方式對屏蔽效能的影響，對布線工藝和EMC整改具有一定的參考價(jià)值。

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A Shielding Effectiveness Testing Method for Cable Sheath

WANG Xi-feng1,SONG Shi-qian2

(1.Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China;2.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper designs a shielding effectiveness testing method for cable sheath based on crosstalk theory,analyzes the influence of different grounding modes of shielded sheath on inductive coupling and capacitive coupling between cables according to the test results.The test results can provide the basis for restraining the cable crosstalk in actual engineering.

Key words:crosstalk;shielding effectiveness;testing

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.025

中圖分類號：TN03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0109-06

收稿日期:2015-11-13