线对屏蔽对传输性能的影响

肖　飚（成都普天电缆股份有限公司，四川成都611731）

线对屏蔽对传输性能的影响

肖飚
（成都普天电缆股份有限公司，四川成都611731）

首先从理论角度定性地分析了高频对称电缆线对屏蔽对传输性能的影响，然后以典型的实例进行数值计算得出了与理论分析一致的结论。

线对屏蔽；传输性能；数值计算；固有衰减；特性阻抗

0　引 言

随着数字通信的飞速发展，人们对通信传输介质的传输带宽要求也越来越高。近年来，尽管光纤入户已步入商业化应用阶段，但由于光电转换成本目前仍然偏高，导致高频对称通信电缆仍在大量使用。众所周知，随着频率的升高，电缆对外界的干扰就越敏感，同时电缆本身对周边其它系统的干扰也越强。为了减少相互间的干扰，通信带宽在300 MHz以上的电缆，人们通常会采用屏蔽线对结构。在线对屏蔽型电缆的设计与制造过程中，我们还发现线对加上屏蔽后其传输性能与非屏蔽线对相比，也发生了很大的变化。文献［1］中虽然给出了高频对称电缆的有效电阻、电感、电容、绝缘电导和屏蔽衰减的计算方法，但总体来讲其误差较大。文献［2］中给出了屏蔽线对有效电阻计算的修正算法，使得电缆衰减的计算误差有所减小。在实际的生产中，还发现线对屏蔽层材料和厚度不仅影响其线对的串音衰减，同时在较低频段时，还会明显地影响线对的固有衰减，文献［2］中的修正公式无法解释屏蔽厚度和材质均会影响线对低频衰减的事实。为了弄清这些问题，我们有必要对线对屏蔽进行较深入的探讨。

1　屏蔽线对结构

目前，屏蔽型高频对称电缆线对结构多为对绞结构，当通信频率达到GHz以上时，采用屏蔽型平行线对更容易保证线对的结构回波损耗指标合格。线对的屏蔽结构通常有以下四种：

（1）线对外包覆一至两层金属塑料复合箔，为了保持电气上的连通性，通常还会伴随一根排流线；

（2）线对外包覆一层单面或双面金属塑料复合箔，然后编织一层非磁性材质的金属丝编织层；

（3）线对外编织一层金属丝。采用此种结构时，如果传输频率高于10 MHz，通常其编织密度要求达到95%以上；

（4）对于一些工作于强电磁场下的电缆，在第（2）种结构外包覆一层绝缘后再用钢丝编织或钢带包覆屏蔽。

2　对绞线对屏蔽对传输性能的影响

2.1 屏蔽对线对串音的影响

2.1.1 电磁屏蔽的作用原理

电磁屏蔽的作用原理可以有两种解释［3］。这两种解释互不相同，但实质上是一样的。

第一种解释：在一次场的作用下，屏蔽表面因受感应而产生电荷，其壁内产生电流和磁极化。这些电荷、电流和极化产生二次场。二次场与一次场叠加形成合成场。在空间防护区的合成场必弱于一次场。

第二种解释：屏蔽反射并引导场源所产生的电磁能流使它不进入空间防护区。

2.1.2 屏蔽系数与屏蔽衰减的定义

屏蔽系数的定义为：

式中：H0、E0和Hs、Es分别为不存在屏蔽时空间防护区的磁场强度和电磁强度，以及存在屏蔽时该区的磁场强度和电场强度。它是一个复数，其角度表示电磁波经过屏蔽后的相移。屏蔽系数的模在0～1之间，其值越小表示屏蔽效果越好。

在实际的工程应用中，人们常常使用屏蔽衰减来描述屏蔽效果的好坏。

屏蔽衰减的定义为：

可以看出，对屏蔽线对电缆来讲，我们希望线对间的电磁干扰尽可能小，除了通过合理的绞合节距配合，利用交叉效应来削弱线对间的干扰外，更多的是希望通过良好的线对屏蔽来进一步削弱线对间的干扰，也就是要求屏蔽系数尽可能小或屏蔽衰减尽可能大。

2.1.3 屏蔽效能的理论分析

为了定量分析屏蔽衰减与材料、结构和频率间的关系，1943年Sche1kunoff首次用传输线理论分析平面波在空间的传播，进而将其用于分析屏蔽体对平面波的屏蔽效果后，传输线理论已成为分析屏蔽体屏蔽效能的有效手段。该理论将屏蔽壳体比作传输线，并认为辐射场通过屏蔽时，在其表面反射一部分，另一部分在屏蔽金属内传输，经过吸收后衰减。在这个过程中，反射衰减相当于电缆传输过程中由于波阻抗失配引起的反射衰减，屏蔽吸收衰减相当于电缆传输过程中的固有衰减。需指出的是，电缆在传输过程中电磁能量传输方向与导线的传输方向一致，而电磁能在屏蔽体中能量传输方向与导线传输方向相垂直，通过介质—屏蔽体—介质的方向辐射出去。因此，电磁能除了在屏蔽体内要产生衰减外，在介质至屏蔽和屏蔽体至介质这两个边界上均将出现很大的反射衰减。

对于屏蔽线对来讲，不考虑屏蔽体中纵向电流产生的反向磁场的影响及krs＞5时（rs为屏蔽层内半径），单层圆柱屏蔽的屏蔽衰减可描述为［2］：

通常我们将式（3）中第一项称为屏蔽吸收衰减As1，它是由电磁场辐射到屏蔽层上激发的涡流产生热效应所引起的，其值与屏蔽体的涡流系数和屏蔽厚度有关。通常强磁性屏蔽体的涡流系数远大于非磁性屏蔽体，故强磁性屏蔽体的吸收衰减比非磁性材料好，对强磁性材料屏蔽来讲，增加屏蔽体厚度会引起屏蔽衰减的剧烈增加。吸收衰减与频率或屏蔽厚度t的关系曲线如图1所示。

图1　屏蔽吸收衰减与频率或屏蔽厚度t的关系

式（3）中第二项称为反射衰减As2，其包含了电磁场从介质进入屏蔽层时发生的反射衰减，其值与介质和屏蔽金属的波阻抗比值有关。另还包含电磁场进入屏蔽体后发生的多次交互反射衰减，其值与介质和屏蔽金属的波阻抗比值、屏蔽厚度有关。反射衰减值随着涡流系数和屏蔽厚度的改变作波动变化，如图2所示。当频率或厚度进一步增加时，其值将趋向于：

图2　屏蔽反射衰减与频率或屏蔽厚度间的关系

从反射衰减项来看，由于在高频范围内介质的波阻抗远大于金属的波阻抗，用非磁性材料（如铜、铝等）屏蔽时的N值远大于强磁性材料（如钢）屏蔽时的N值，故非磁性材料的反射衰减远大于强磁性材料（如钢），且非磁性材料中电导率大者为好。既然增加电磁场反射可以提高屏蔽衰减，那么理所当然采用多层金属构成组合屏蔽可增加电磁场的反射次数，相应地必然会提高屏蔽衰减。

综合来看，虽然强磁性材料的屏蔽衰减As经常大于非磁性材料的屏蔽衰减，但却很少将强磁性材料用于高频对称电缆的线对内层屏蔽。因为强磁性材料屏蔽时会消耗较多的电磁能，最终会引起屏蔽线对固有衰减的增加，这正是高频对称电缆通常不用强磁性材料作屏蔽的原因。

随着屏蔽半径rs的增大，介质的波阻抗也会增加，通过提高N值来增大反射衰减，从而提高屏蔽衰减。

2.1.4 屏蔽衰减数值分析实例

下面以典型的七类缆为例来分析其线对的主动屏蔽衰减，即分析线对产生的电磁场经过其屏蔽后的衰减情况。现假定线对导体为φ0.58 mm实心圆铜线、绝缘为泡沫聚乙烯绝缘（发泡度58%左右，发泡前绝缘料介质损耗角正切值取2.5×10-4，发泡后的绝缘层的等效相对介电常数和损耗角正切值分别为1.5和1.36×10-4，绝缘直径1.35 mm）、绞对节距12 mm（相应地绞入系数为1.06）、线对屏蔽为理想的圆柱形金属筒（除非明确说明，下文中屏蔽内径均为线对轮廓直径），线组结构如图3所示。A、B为需考察的两个点，其分别在两导体中心连接的延长线和中垂线上，距离线对中心均为2 mm。

图3　屏蔽线对模型

（1）屏蔽衰减与考察点的位置有关

现以铝箔作为屏蔽层，线对作为主串回路，则屏蔽外侧A、B两点的屏蔽衰减计算结果如表1所示。

从表1可看出，A、B两点处的屏蔽衰减值不相同，但随着频率的升高其差异变小。这是因为屏蔽不仅会使考察点的场强减弱，而且在不同程度上会使空间防护区中的有源场畸变（频率越低，屏蔽外电磁场畸变程度越严重），导致屏蔽衰减与考察点的坐标有关，有碍对屏蔽效能的评价［3］。理论分析认为，只有以下情况才与位置无关：用无限平面的均匀屏蔽体对平面电磁波的半空间屏蔽；用均匀球形屏蔽体对位于其中心的点源屏蔽；用均匀无限长圆柱形屏蔽对位于其轴线上的线源屏蔽。正因如此，笔者认为，有人利用平面波条件下推出的公式来计算线对的屏蔽衰减是不严谨的。此外，我们还可以看出，屏蔽层越厚其屏蔽衰减也越大。

（2）屏蔽厚度对屏蔽衰减的影响

表2为在1 MHz下，使用不同厚度铜箔作为屏蔽时A点的屏蔽衰减计算值，其对应关系见图4。

表1　不同频率和铝基厚度下A、B两点的屏蔽衰减（单位：dB）

表2　1 MHz下A点屏蔽衰减与铜箔厚度的关系

图4　1 MHz下A点屏蔽衰减与铜箔厚度的关系

此结果与图1、图2叠加后（屏蔽衰减为二者之和）的图形一致。从图4可以看出，屏蔽衰减并不是厚度的单调递增函数，这也是表1中，10 MHz时，铝基厚度为0.012 mm的屏蔽衰减比铝基厚度0.038 mm更大的原因。图4中，b点对应的铜箔厚度为0.066 mm（即1 MHz时铜箔的集肤深度）、最低点c对应的厚度约为0.12 mm。

（3）屏蔽衰减与频率的关系

表3为屏蔽层铝基厚度0.038 mm时，A点的屏蔽衰减与频率间的关系，对应的关系如图5所示。

表3　屏蔽衰减随频率变化关系

图5　屏蔽层铝基为0.038mm时，A点屏蔽衰减随频率变化关系图

（4）屏蔽衰减与屏蔽材料的关系

表4为屏蔽层金属厚0.038 mm时，不同材质下A点的屏蔽衰减计算结果。

表4　屏蔽衰减与屏蔽材料间的关系

对于银、铜、铝金属而言，其相对磁导率均为1，但银的电导率最大，铜次之，铝最小，电导率大的屏蔽衰减大。对于强磁性的钢管而言，由于其吸收衰减较大，高频下钢管屏蔽衰减优于银、铜、铝屏蔽衰减。

（5）屏蔽衰减与屏蔽层数间的关系

表5为单层屏蔽（金属厚度0.038 mm）与双层屏蔽（假定每层金属厚度0.019 mm，两层金属箔间为0.03 mm厚度的PET薄膜）时的屏蔽衰减计算值。

表5　单层屏蔽与双层屏蔽时的屏蔽衰减计算结果

从表5可看出，双层屏蔽的效果明显优于单层屏蔽效果。因为双层屏蔽时，电磁场在屏蔽体内有更多次反射，导致反射衰减增大，最终导致总的屏蔽衰减增大。另外，当两种不同材料组合屏蔽时，材料的迭放顺序对屏蔽衰减有一定影响，尤其是与强磁性材料组合时，强磁材料放于干扰源一侧效果更好，其原因主要在于强磁性材料越靠近场源，其吸收衰减效果越明显。在低频或屏蔽厚度很小时，屏蔽衰减以反射衰减为主，因钢的反射衰减较铝差，故铝-钢或钢-铝的屏蔽效果劣于铝-铝屏蔽，但随着频率的升高，钢层吸收衰减快速升高，导致高频下含有强磁材料的组合屏蔽优于非磁性材料组合屏蔽。

（6）屏蔽衰减与屏蔽半径的关系

表6为铝箔屏蔽（铝基厚0.038 mm）时，A点的屏蔽衰减与屏蔽内径间的关系。

表6　屏蔽衰减与屏蔽内径间的关系

从表6可知，随着屏蔽内径的增加，空间同一点的屏蔽衰减会增加。这与理论分析结论一致。

2.2 线对屏蔽对阻抗和固有衰减的影响

从结构上讲，线对屏蔽虽不属于对称回路的组成部分，但其会通过吸收或反射线对产生的电磁场能量，最终将“影响”线对一次参数值的大小。为了说明问题，现仍以2.1.4节所述的线对为例进行计算。

2.2.1 孤立线对的阻抗和固有衰减

由绝缘线芯构成的非屏蔽孤立对绞线对，其工作电容计算结果为25.7 PF/m，总的绝缘等效介质损耗角正切值为8.0×10-5。孤立线对的阻抗及衰减计算结果如表7所示。

2.2.2 屏蔽线对的阻抗和固有衰减

当线对施加屏蔽后，线对工作电容计算值为40.5 PF/m，总的绝缘等效介质损耗角正切值为8.1×10-5。表8、表9和表10分别为线对采用铝箔、铜箔和钢管屏蔽时的线对阻抗、固有衰减计算结果与电缆标准［4］的对比。

表7 孤立线对的阻抗及固有衰减

表8 铝箔屏蔽线对阻抗和固有衰减

从表8～表10可看出：

（1）铜、铝箔屏蔽时，线对的阻抗和衰减均会受屏蔽厚度的影响。低频下，屏蔽层薄时，其线对的阻抗和衰减会大一些。随着频率的升高，不同屏蔽厚度的线对，其阻抗和衰减指标分别趋向一致。其它条件相同时，导电率较小的铜箔屏蔽，其对阻抗和固有衰减的不利影响比铝箔要轻。

（2）钢屏蔽时，其对线对的阻抗和衰减的影响比铜箔或铝箔大很多，其中对衰减的影响尤为严重。这也说明磁性材料虽然能获得较好的屏蔽衰减效果，但其对线对阻抗和衰减的影响也很大，这就是磁性材料不宜用于高频线对内层屏蔽的原因。

表9 铜箔屏蔽线对阻抗和固有衰减

表10 钢管屏蔽线对的阻抗和固有衰减

2.2.3 屏蔽对线对阻抗和固有衰减影响的机理

线对产生的电磁场传输到屏蔽之后，会在屏蔽中激发涡流，其方向和分布如图6所示。

图6　屏蔽上的涡流大小分布及方向示意图

涡流沿屏蔽闭合流动，在屏蔽的一个面（φ= 0°）为一个相同的方向，在屏蔽的另一个面（φ= 180°）为另一个相反的方向，在这些点上涡流具有最大的密度，当φ=90°和φ=270°时涡流等于0。屏蔽中涡流的方向同邻近导线中的电流方向相反。其结果犹如建立了两个具有不同方向电流的回路（基本回路与涡流回路），并相应产生了不同方向的磁场（基本磁场与反作用磁场），如图7所示。这种作用会使回路的合成磁场减弱，最终导致回路的电感减小，同时也会使回路的有效电阻（无屏蔽对称孤立回路中R有效电阻=R直流+R集肤+R邻近）中的R邻近分量减弱，使对称回路的R有效电阻有减小的趋势。涡流的另一个效应是使屏蔽层发热，产生附加能量损耗，这个能量是从传输回路吸取的，即可当作线对回路有一附加电阻，这就是我们常说的R金，其值与传输的频率、屏蔽直径、导线间的距离以及屏蔽层材料的电导率、磁导率等有关。因此，对于屏蔽线对来讲，线对回路的有效电阻R有效电阻=R直流+R集肤+R邻近+ R金。由于涡流有削弱R邻近的作用，进一步计算表明，当屏蔽层足够厚、屏蔽内径为线对轮廓直径时，R邻近可减小至零。线对回路施加屏蔽后，线对回路间的工作电容会增加许多，在高频下，线对回路的特性阻抗会下降不少，而线对回路高频下的固有衰减，这就是导致线对回路屏蔽后其固有衰减增大的原因。

图7　对称屏蔽回路的磁场

又根据电磁理论可知金属屏蔽上激发的涡流密度为：式中：δ为涡流理论透入深度j0为屏蔽层表面的涡流密度；jx为屏蔽层内距离表面x处的涡流密度。

由此可以看出，涡流大小与屏蔽层的电导率、磁导率、频率和厚度有关。由于涡流密度与厚度呈负指数关系，它随着x增大而急剧下降，当屏蔽层厚度大到一定程度时，再增加屏蔽厚度对反作用场强的影响就十分有限了。在高频对称电缆屏蔽中，当屏蔽小于2.6倍涡流理论透入深度时，涡流的大小受屏蔽层厚度的影响较大，此时随着屏蔽层厚度的减小，其涡流也下降较快，涡流的下降会导致磁场的反作用场强下降而最终导致R邻近较大而影响线对回路的固有衰减。另一方面，虽然随着厚度的下降，屏蔽的吸收衰减也会下降从而导致R金下降，但两者数量变化不同，最终出现在屏蔽层薄时线对回路在低频下出现固有衰减偏大，甚至出现超标问题。如表8、表9所示。对于钢屏蔽层而言，由于其表面涡流密度比铜、铝均小，故涡流产生的反作用场强也较弱而最终导致R邻近和电感较大，另由式（3）可知，其吸收衰减随着厚度或频率的增大引起R金快速增大，这是表10中用钢管屏蔽时，线对固有衰减大的原因。

表8、表9中，随着频率的升高，涡流标准透入深度减小。当屏蔽层的厚度大于1.5倍涡流标准透入深度时，由涡流产生的反作用磁场强度就相差较小了，故随着频率的升高，对于同种材料、不同厚度的屏蔽层来讲，线对回路的电感差异就越来越小，最后趋向相同。此时屏蔽厚度对线路固有衰减的影响也主要体现在吸收衰减的差异上。

2.2.4 组合屏蔽对线对衰减的影响

表11为双层金属复合箔屏蔽时对线对传输性能的影响。计算时假定各层金属的厚度均取0.019 mm，两箔间为0.03 mm的PET薄膜。

从表11可以看出，双层金属铝箔或铝-铜箔，在频率较低时对衰减的影响比总厚度相同的单层铝箔或铜箔要稍大一点，这是因为组合屏蔽时，电磁场在屏蔽层交互反射更多，最终因屏蔽层内的吸收衰减增大，从而引起线对总的固有衰减偏大点。

双金属箔屏蔽时，内侧屏蔽的影响程度要大些。当内层金属箔较厚或传输频率足够高时（比如金属箔厚度大于涡流透入深度1.5倍以上），外层金属的材质对固有衰减的影响基本可忽略。正因如此，对于高频对称线对而言，采用金属箔屏蔽时，宜将屏蔽的排流线置于屏蔽外侧（同时金属面朝外），如图8所示。这可减小排流线对线对阻抗和衰减的影响。

3　平行线对屏蔽对传输性能的影响

对于如图9所示的平行线对而言，同样存在上述相同的现象，其影响程度比对绞结构更剧烈一些。表12为绝缘线芯外施加铝基厚度为0.038 mm的铝箔屏蔽时的计算结果。从计算结果可知，由于屏蔽等效直径变小，工作电容迅速增加到60.4 PF/m。同时，涡流强度也迅速增加，这将导致反作用磁场比对绞结构大一些，引起电感下降，最终导致阻抗大幅度下降。屏蔽层的吸收衰减也因距离减小而大幅度增强。因此，采用平行线结构时，为确保阻抗符合标准要求，绝缘外径应在对绞结构的基础上上调。

表11　双层金属箔对线对传输参数的影响

图8　七类缆典型结构

图9 屏蔽型平行线对

表12　屏蔽型平行线对的阻抗和固有衰减

4　包覆方式的影响

在高频对称电缆的生产中，线对屏蔽常用金属箔绕包或纵包。由于绕包结构在线对轴线方向上有周期性的隔断局部涡流的问题，会影响磁场的反射，在低频下理应出现衰减和阻抗比纵包时大一些，实际的情况是阻抗值反而更小。笔者认为，其原因在于两种包覆方式对屏蔽层与线对间的间隙、表面圆整度差异的影响。通常情况下，绕包时屏蔽金属箔局部陷入到线对轮廓以内的机率大，导致线对电容增加，因屏蔽内径的减小导致电磁场反射增强，最终导致线对的阻抗比纵包时小。其次，绕包时线对屏蔽内径波动通常要小些，这是导致绕包线对的结构回波损耗比纵包屏蔽线对要好些的原因。当然，从实践经验来看，如果纵包屏蔽内径控制得好时也有比绕包效果更好的时候。

5　结束语

（1）本文在实例分析时所建的模型虽然是一个理想化的模型，实际生产中线对外绕包金属箔时会出现凹凸不平，使得实际的屏蔽衰减以及线对的阻抗和固有衰减的影响因素更复杂，但模型分析的定性结论与理论分析及生产实际相稳合。

（2）对于高频电缆来讲，我们应综合屏蔽衰减、线对较低频率下的阻抗和固有衰减要求以及金属箔成本等因素综合确定线对屏蔽型式和屏蔽层厚度。由于电磁场分布的复杂性，难以用公式来精确计算，在设计时，可充分利用数值分析的方法来寻找最佳的解决方案。

［1］ 王春江.电线电缆手册（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［2］ 郑玉东.通信电缆［M］.北京：机械工业出版社，1985.

［3］ 高攸纲.屏蔽与接地［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［4］ YD/T 1019—2013 数字通信用聚烯烃水平对绞电缆［S］.

［5］ 刘江锋.数学通信用水平对绞电缆屏蔽结构型式的讨论［J］.电线电缆，2004（5）：30-36.

Shielding of Pair Effect on the Transm ission Performance

XIAO Biao
（Chengdu Putian Te1ecommunications Cab1e Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

This PaPer first from the PersPective of theory qua1itative1y ana1yses the inf1uence of HF symmetrica1Pair's shie1ding effect on the cab1e's transmission Performance，and then according to the tyPica1examP1e of numerica1ca1-cu1ation is consistentwith the theoretica1ana1ysis.

shie1ding of Pair；transmission Performance；numerica1 ca1cu1ation；natura1 attenuation；characteristic imPedance

TM248.2

A

1672-6901（2016）03-0004-07

2015-05-12

肖 飚（1971-），男，高级工程师.

作者地址：四川成都市高新西区新航路18号［611731］.