一种线缆护套的屏蔽效能测试方法

王西锋，宋世千

(1.解放军91404部队，秦皇岛 066001；2.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种线缆护套的屏蔽效能测试方法

王西锋1，宋世千2

(1.解放军91404部队，秦皇岛 066001；2.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

摘要：设计了一种基于串扰理论的线缆护套屏蔽效能的测试方法，根据测试结果分析了屏蔽护套不同接地方式对线缆间感性耦合、容性耦合的影响，试验结果可为在实际工程中抑制线缆串扰提供依据。

关键词：串扰；屏蔽效能；测试

0引言

现有电子设备中，模块、子系统及互联线缆种类繁多，工作电磁环境复杂，运行中会出现大量电磁干扰问题，对设备的正常运行造成潜在威胁。因此,各模块均须严格的电磁兼容(EMC)认证。但实际工程中，一台独立进行EMC测试合格的设备通过电缆连接后，工作时仍然会出现电磁干扰的问题，这是由于电缆在一定电磁环境下成为了高效的电磁波接收和辐射天线，同时也是干扰传导的良好通道[1]。对于未采用专用屏蔽线缆的信号线，为了抑制电缆对电磁波的接收和辐射，最常见的工艺是采用屏蔽护套进行包裹。这一工艺措施的有效性，往往通过对屏蔽护套材料的屏蔽效能测试(如窗口法测试[2-3])进行评估。但上述实验得到的是材料本身对电磁波屏蔽的性能，并不符合屏蔽护套的实际工作状态。因此,设计本测试方法旨在分析线缆屏蔽护套在实际工作状况下的性能。

1耦合机理分析

采用屏蔽护套的目的一般是为了抑制线束、线缆之间的串扰。串扰本质上指相互靠近的导线之间无意的电磁耦合，是一个近场耦合问题。对于本论文研究内容来说，即一条电缆上的时变信号在其周围产生电磁场(通常是大功率的电力线缆)，该电磁场在另一条电缆上产生感应信号从而对受感电缆(通常是信号线缆)上原本传递的信号造成干扰。

以图1所示的线缆串扰模型为例，其中US为电源电压；I1为发射回路电流；RL为发射回路负载电阻；RNE、RFE为接收回路近端负载、远端负载；UNE、UFE为接收回路近端耦合电压、远端耦合电压。

图1　线缆串扰模型

利用镜像法[4]可以计算出单位长度的分布参数,自感为：

(1)

(2)

互感：

(3)

互容：

(4)

线-地电容：

(5)

(6)

基于分布参数的概念，文献[5]提供了无耗介质中的三导体传输线(在图1中，将地平面视作第3个导体)，近端耦合电压和远端耦合电压的解析形式解为：

UNE=U(0)=

(7)

UFE=U(Z)=

(8)

式(7)和式(8)中相关参数定义如下：

(9)

(10)

D=cos2βL-S2ω2τ1τ2[1-

jωScosβL(τ1+τ2)

(11)

其中：

(12)

(13)

ZC1和ZC2分别为2个回路的特性阻抗。

从形式上看出，耦合电压的精确求解很复杂，实际工程一般不需要通过上述公式计算串扰的理论值。从表达形式可以看出，不论近端或远端，线缆的终端耦合电压均分为2项：第1项与线缆互感lm相关，第2项与线缆互容cm相关。这表明实际的串扰是两线之间互电感和互电容共同作用的结果。将这2种成分分别称为感性耦合和容性耦合。对于近端耦合电压，感性耦合和容性耦合是互相叠加的；对于远端耦合电压，感性耦合和容性耦合是互相抵消的。ML和MC分别表示式(7)和式(8)中US项前的系数，近端和远端耦合电压分别为：

(14)

(15)

为了分析式(14)和式(15)中感性耦合和容性耦合的比例关系，定义耦合成分比例系数K=ML/Mc，由式(7)和(8)，如果RL=ZC1，对近端耦合和远端耦合分别写出比例系数K的表达式：

(16)

(17)

从上述结果看出，对于确定的空间位置关系，发射线缆与接收线缆的自感、互感、线-地电容和互容是固定的，因此发射回路和接收回路的特性阻抗也不会发生变化。当RL=ZC1时，感性耦合和容性耦合的比例取决于接收回路的负载：当发射回路RFE和RNE为低阻时，KFE和KFE数值较大，此时感性耦合占主要成分；当发射回路RFE和RNE为高阻时，KFE和KFE数值较小，此时容性耦合占主要成分。

上述推导说明任何实验布置下测试到的串扰耦合都是感性耦合、容性耦合叠加的结果。由于抑制感性耦合和容性耦合的方法不同，为了衡量一项具体的EMC防护措施抑制感性或容性耦合的效果，需要产生一个以感性耦合或容性耦合为主的串扰模型，从而进行进一步分析。式(16)和(17)的结果提供了通过改变负载阻值调节串扰中感性、容性成分的依据，在研究耦合机理以及分析感性耦合和容性耦合的贡献时，负载阻值应当根据线缆模型的电参数进行具体计算。

2实验原理

本实验采用矢量网络分析仪向发射回路注入信号，并从接收回路接收。实验原理图见图2。其中Rs为矢量网络分析仪内阻，R1和R2分别为发射回路与接收回路负载。

图2　实验原理图

测量实验所采用的发射回路单芯线型号为NH-WL1-5.5单芯线，外径为5mm，芯线内径为3.2mm；收回路芯线型号为AVR0.3，外径为2mm，芯线内径为0.8mm。屏蔽护套(图3)采用FFSW-20K。

图3　屏蔽护套实物

对于实验装置的空间尺寸，采用时域反射计(TDR，型号为Tektronix1520B)逐一测量了不同线-地高度和线缆间距情况下，发射回路和接收回路的特性阻抗，见表1。

表1　特性阻抗测试结果

综合测试数据，发射回路负载RL应尽可能接近特性阻抗，根据现有电阻，选择发射回路终端负载RL=220Ω。

根据第1节的理论分析，串扰中感性耦合和容性耦合成分的比例可通过负载阻值进行一定程度的调节，但总的耦合电压的幅值是很难进行精确计算的(参考式(7)和式(8)的解析形式解)。式(16)和式(17)直观地体现了接收回路负载对串扰成分的影响。两式中的lm/cm较难通过测试直接取得，但通过其对lm/cm的数量级进行估计从而在一定范围内对R1和R2进行估计是可行的。

通过理论公式计算，得到lm/cm的数值在60 000～85 000之间。即使考虑到与实际值的误差，也可以认为lm/cm在数万至十万的数量级。当定义的耦合成分比例系数K>10，表明耦合电压中感性耦合产生的电压是容性耦合产生的电压的10倍以上，此时测试的耦合电压主要是感性耦合；反之当K小于0.1时，测试的耦合电压主要是容性耦合。对于上述数量级的lm/cm和220Ω的终端负载，根据式(16)和(17)，当接收回路的负载RFE和RNE取25Ω以下时，K<0.1，可得到较纯的感性耦合测试结果；取接收回路的负载RFE和RNE为5 000Ω以上时，K>10，可得较纯的容性耦合测试结果。

实验中用20Ω和6 200Ω2种终端电阻值分别代表感性和容性耦合的终端负载，对1m长的发射线缆和接收线缆进行了感性耦合和容性耦合测试。

图4　感性耦合，接收回路负载20 Ω

图5　容性耦合，接收回路负载6 200 Ω

根据式(14)和式(15)，近端串扰为感性耦合和容性耦合叠加，远端串扰为感性耦合和容性耦合互相抵消，因此对于纯的感性耦合或容性耦合模型，近端串扰和远端串扰测试曲线应当完全一致。图4和图5中，实测的曲线几乎重合，表明在20Ω和6 200Ω2种负载条件下，模拟测试模型已是较纯的感性或容性耦合。当2种耦合成分接近时，近端、远端的差异会很明显。作为对比试验，在模拟测试中，改变终端负载为RNE=410Ω时，线-地高度30mm，回路间距60mm时，图6证明了这一现象。

图6　混合耦合，接收回路负载410 Ω

由于近端串扰是2种耦合成分的叠加，而远端串扰是2种耦合成分的抵消，图6中近端串扰较远端串扰数值更大，在后续的模拟实验中，只需要对近端串扰进行分析。而远端串扰的抵消现象也表明，在特定的负载条件下，远端串扰可以通过不同耦合成分的抵消进行抑制甚至消除。

由于近端串扰是2种耦合成分的叠加，而远端串扰是2种耦合成分的抵消，因此图6中近端串扰较远端串扰数值更大，在后续的模拟实验中，只需要对近端串扰进行分析。而远端串扰的抵消现象也表明，在特定的负载条件下，远端串扰可以通过不同耦合成分的抵消进行抑制甚至消除。

以网络分析仪接收端口的电压U2和发射端口向发射回路注入的入射电压V1+的比值来定义串扰(KCT)，并以分贝值表示：

(18)

网络分析仪的S参数与KCT的关系满足：

(19)

为了研究不同接地方式对屏蔽效果的影响，定义屏蔽效能(E)为护套不同接地方式下的串扰KCT与护套未接地(浮地)时的串扰KCT0之差，以分贝值表示：

(20)

3测试数据与分析

图7和图8分别是容性耦合和感性耦合的测试结果。

图7　不同接地方式对容性耦合的影响

图8　不同接地方式对感性耦合的影响

理论上，护套的接地方式对容性耦合和感性耦合的影响不同：将护套单点接地即可有效消除容性耦合；而感性耦合必须通过双点接地进行抑制。这是由于，容性耦合通过线缆之间的互容进行耦合，只要外包裹的屏蔽护套有一点接地，回路之间的电场线即从发射回路开始终止于屏蔽层，而不是接收回路，因此消除了耦合电压；而护套不接地时相当于在双线电容间插入一层金属导体，增大了线间电容，导致容性耦合增加，起到了反效果。对于感性耦合，发射线缆上的电流周围产生的磁场在接收回路的“屏蔽层——地”回路上产生感应电动势。根据楞次定律，该电动势产生的电流，流经回路产生的磁通会一定程度上抵消发射线缆产生的磁通，从而减小耦合电压，而单点接地并不能形成上述的“屏蔽层——地”回路，因此无法消除感性耦合。

测试结果证明了上述结论。容性耦合的测试结果表明，当屏蔽护套单端接地时，由于容性耦合已能得到有效的抑制，因此单点和双点接地时的耦合电压曲线在1MHz以下的频率区间内已接近仪器底噪声。当频率升高时，单点接地的屏蔽效能下降，而双点接地仍能保持20dB以上的屏蔽效能。这是由于有效抑制容性耦合是在屏蔽层与地之间的屏蔽电压为零的前提下实现的。这一方面要求护套屏蔽层上各处电位差为零，另一方面也要求屏蔽层与地之间无电位差。对于电短传输线，将护套任何一端接地即可满足。随着信号频率的增加，必须增加接地点，当频率进一步升高到100MHz以上时，双点接地的屏蔽效果也大大下降了。

感性耦合的测试结果证明，屏蔽护套单点接地时，由于无法抑制感性耦合，测试曲线与浮地数据接近；而双点接地有效地抑制了感性耦合。图9表示感性耦合中护套双点接地时的屏蔽效能曲线，从该曲线可以看出，双点接地屏蔽并不能消除低频段的共阻抗耦合，这是由于共阻抗耦合通过参考地的电阻进行传递，并不通过空间的电磁场进行耦合。4kHz～1MHz内曲线的波动是由于测试数据在上述频段受到底噪声的影响，对上述数据按照式(20)的定义计算E时导致了测试曲线的波动。在高频段，双点接地的屏蔽效果存在拐点，表明高频时理论的屏蔽效能存在最大值。该转折点的频率受屏蔽护套材料的分布电阻和分布电容影响。

图9　感性耦合下的屏蔽效能曲线

图10　不同接地方式对容性耦合的影响(3 m)

图11　不同接地方式对感性耦合的影响(3 m)

图10和图11是3m长线缆的模拟测试曲线。测试结果进一步说明了接地点数对串扰的抑制作用。对于容性耦合，当频率高于1MHz时，单点接地屏蔽效能下降，而双点接地屏蔽效果较好，在1MHz处优于单点接地20dB。当频率高于10MHz时，4个接地点(位置如图10，各点间隔1m)对串扰抑制效果较双点接地有一定程度改善：在10MHz以上频段，串扰受到分布电感和电容的影响，测试曲线呈现震荡；在30MHz、60MHz左右的2个震荡峰值点，4点接地时的耦合电压比双点接地时的低15dB以上。对30MHz的频率来说，间隔1m(1/10波长)接地起到了明显作用，因此在实际布线中，根据信号电缆上传输信号的频率按照1/10波长进行多点接地，可以有效抑制容性耦合对特定频率的串扰。对于感性耦合，与容性耦合的情况类似：4点接地与双点接地在10MHz以下并无区别；在30MHz、60MHz左右的震荡峰值点，4点接地优于双点接地10dB以上；当频率高于100MHz时，4点接地和双点接地的结果趋于一致。

对接地方法的实验表明，双点接地的效果优于单点接地，这是由于单点接地仅能抑制串扰中的容性耦合，随着信号频率的升高，单点接地对容性耦合的抑制作用约呈20dB/十倍频程下降；双点接地对感性耦合和容性耦合都有抑制作用，在高频段对容性耦合的作用也较单点接地好10dB。从防静电的角度看，双点接地消除了近端大地和远端大地之间的电位差，对保护信号电缆的安全有重要意义。

但实际应用中，双点接地或多点接地具有一定的局限性。这是由于多个点接地时，各接地点间的电位差和接地点处的搭接阻抗对屏蔽效果有很大影响。当多个接地点之间存在地阻抗时，在低频段会产生共阻抗耦合。共阻抗耦合大小与地阻抗的大小相关，地阻抗增大一倍，耦合电压也增大一倍。对于一些低阻抗，共阻抗耦合产生的低频耦合电压会很显著。而模拟实验也证明了包裹屏蔽护套并不能消除低频段的共阻抗耦合。电力线缆上的噪声信号频谱分布广，且主要集中在MHz以下频段，对于上述低频，双点接地的屏蔽护套与地构成了一个完整的回路，噪声往往通过共地或内阻等交联到信号线上，如信号线上传输的也是较低频率的信号，会受到噪声的干扰。因此传输较低频率信号线外裹护套以单点接地为主。在kHz频段，虽然单点接地对容性耦合的效果能保持近20dB的屏蔽效能，较好地抑制实际串扰中的容性耦合成分，但是实际的串扰耦合往往是感性、容性2种成分的叠加。从模拟实验结果来看，在布线过程中，如条件允许，根据信号电缆上传输信号的频率按照1/10波长进行多点接地的效果最好，如不能保证多点接地时具有较小的接地电阻和地阻抗，数米长的电缆单点接地是更稳妥的方法。

对屏蔽护套的屏蔽效能进行的实验研究表明，在10MHz以下的频段，测试结果中的一系列现象均能较好地与理论预测结果吻合。而对更高频段实验现象仅能从趋势上进行说明，更精确的理论计算较困难，这是由于屏蔽护套通过人工包裹在线缆上，不同实验时其空间位置、分布参数均存在一定的差异，这些差异对高频段的串扰测试结果都有显著影响；另一方面，屏蔽护套通过魔术贴实现包裹，因此对高频电磁波并不能形成完整的屏蔽，从而导致了高频串扰的复杂现象。

4结束语

本文介绍了一种模拟工作状态的测量电子设备线缆护套屏蔽效能的方法，试验布置接近屏蔽护套的实际应用状态。根据测试结果分析了屏蔽护套不同接地方式对屏蔽效能的影响，对布线工艺和EMC整改具有一定的参考价值。

参考文献

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[4]HAYTWH，BUCKJA．工程电磁学[M] ．徐安士，周乐柱译.北京：电子工业出版社．2004:97-99.

[5]PAULCR．电磁兼容导论[M]．闻映红译.北京:机械工业出版社,2006.

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

中图分类号：TN03

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0109-06

收稿日期:2015-11-13