屏蔽电缆滤波防护研究

李姣

摘  要：电缆在电子系统中是连接各个子系统、子模块的桥梁与纽带，在整个电子系统的信息传递和能量传输中起着不可替代的重要作用，它是电子系统中不可或缺的重要组成部分，针对电子系统电磁干扰问题，现阶段多采用滤波防护的方法保护电子系统免受外界电磁环境中强电磁波的干扰。该文将围绕屏蔽电缆滤波防护研究这一话题，介绍几种行之有效的屏蔽电缆滤波防护方法。

关键词：屏蔽电缆;强电磁脉冲;电缆耦合作用;滤波防护

中图分类号：TM24                     文献标志码：A

由于在复杂多变的外部电磁环境中，外界电磁波在对电子系统形成干扰时，最先接触外包电缆，通过电缆耦合作用，进入电子系统内部，降低电子系统的兼容性，从而破坏电子系统功能的正常运行。屏蔽电缆较之于普通的电缆，能够在一定程度上减小对外界电磁波的耦合作用，但是由于屏蔽电缆多为编织型结构，依然会存在电磁耦合作用。鉴于此，工业上多采用滤波防护这一保护措施用于抵抗屏蔽电缆电磁耦合作用产生的电磁干扰。

1 屏蔽电缆滤波防护类型

外部复杂的电磁环境中发射出来的电磁波，其电磁波的频谱带宽一般要宽于工作电波频率。为了防止工作频率外的其他干扰性电磁波沿着屏蔽电缆线传输至电子系统内部，通常会在电子系统的接入端口中加入滤波器过滤到工作频率外的干扰电磁波，从而确保电子系统免受外界电磁波的干扰。根据滤波器对电子系统输入端口的能量处理特性不同，将屏蔽电缆线滤波防护类型分为两大类，即：反射型滤波防护和吸收型滤波防护。

1.1 反射型滤波防护

反射型滤波防护采用的滤波器是反射型滤波器，一般来说，反射型滤波器是由电容器、电感等无损耗的电抗原件组成的。使用反射型滤波器用于屏蔽电缆的滤波防护，能够有效地保证工作信号在经过输入端反射型滤波器时，能量损耗降至最低。当工作电波信号携带着外界电磁波干扰信号一并进入电子系统输入端时，在反射型滤波器的过滤作用下，阻带内的电波能量会由于输入端口失配而返回至信号源发生处。常用的反射型滤波器有LC集总元件滤波器。

1.2 吸收型滤波防护

吸收型滤波防护在电子系统输入端口接入的是吸收型滤波器。吸收型滤波器和反射型滤波器工作原理不同，它在滤波电路中加入了有耗元件，是通过将工作频率以外的电磁波信号在滤波电路中转化为热能的形式消耗掉，从而实现对干扰电波的去除。工业上常用的吸收型滤波器常常含有铁氧体材料，象磁环等。除此之外，按照电子系统输入端对输入电波信号的频率选择特性不同，还可以将滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器4种。

2 屏蔽电缆滤波防护设计

2.1 常见滤波器电路网络结构

对于低通滤波器而言，借助于在滤波电路中串联电感元件和并联电容元件，利用二者之间不同的组合方式实现对工作频率外的输入电波信号的拦截。根据滤波电路中电容元件和电感元件的在电路结构中的分布情况不同，可以将其分为L型、T型、π型3种，其各自的特点见表1。

滤波电路特点 在滤波电路中串联一个电感元件，再并联一个电容元件。 在滤波电路中串联2个电感元件后，再并联一个电容元件。 在滤波电路中串联一个电感元件后，再并联2个电容元件。

目前多采用插入损耗法来设计滤波器，插入损耗法基于电路网络综合技术，由于综合考虑了对电子系统中输入电波信号的整体频带响应效果，设计的滤波器滤波功能更精确，能够最大限度地滤去工作电波频率以外的干扰电波频带。插入损耗法通过转移函数来确定滤波器电路网络中所需要的电感元件、电容元件的相关特性参数，用于指导电路中无耗元件的使用。在滤波器电路结构设计中用到的转移函数有切比雪夫函数、巴特沃斯函数、椭圆函数、贝塞尔函数等，使用不同的转移函数设计得到的滤波器，对电子系统输入电波信号的频率响应特性也有所差异。

2.2 滤波器的设计流程

滤波器的设计一般包括3个步骤，即：混合算法、滤波防护设计、电路仿真测试。其中，混合算法主要是用来分析无附加滤波器时，屏蔽电缆线路中的负载时域响应特征。线路空载时域响应特征的分析常用时域混合算法来完成。在滤波防护设计中，通过分析电子系统中输入电信号的频谱，进而确定滤波防护的设计目标，运用插入损耗法，通过转移函数确定滤波电路网络结构中电容、电感元件的特性参数。电路仿真要基于传输线方程建立屏蔽电缆耦合模型，根据仿真软件的模拟结果来确定是否满足设计要求。如果仿真模拟结果满足设计要求，需要運用时域混合算法分析有滤波器负载时的滤波电路时域响应特征。如果仿真模拟结果不满足滤波器的设计要求，则要重新调整设计目标，重新搭建屏蔽电缆耦合仿真模型。

3 屏蔽电缆滤波防护应用实例分析

以一根长度L=1 m，半径r=1.52 mm，架设高度h=3 cm的屏蔽电缆为研究对象，并在其芯线两端分别接一个电阻值大小为50 Ω的固定电阻，干扰电磁波为标准核电磁脉冲，为强电磁脉冲，使之垂直辐射屏蔽电缆。先在空载（电缆线输入端口不接任何滤波器）条件下，测定其时域响应电压变化曲线和无滤波防护下的输入电波频谱分布。再分别在电缆输入端接入π型滤波器（L=7.96nH，C1=C2=1.59nf）和T型滤波器（L1=L2=7.96nH，C3.18nf），测定其S参数变化曲线、时域响应电压变化曲线、频谱分布变化曲线，用以表征其滤波防护性能。

通过仿真模拟分析结果可知，经过T型、π型的滤波作用，只有0 MHz～2 MHz的干扰信号通过率滤波器，其他的输入电波信号全部被滤除。

4 结语

作为电子系统常用的后门耦合路径，屏蔽电缆很容易耦合强电磁脉冲。强电磁脉冲由于能够产生短时间、高频率、宽频带、高能量密度的一类电磁波，使电子系统所处的环境中电磁干扰性极强。强电磁脉冲产生的高干扰性电磁波在屏蔽电缆耦合作用下，进入电子系统内部，导致电子系统的输入输出因无法承受瞬间的高能、高压变化而损坏。滤波防护由于能够滤除工作频率以外的干扰电磁波，在电子系统防护上应用较为广泛，值得大力推广。

参考文献

[1]尹毅，吴建东，胡嘉磊，等.直流电缆主绝缘与屏蔽层界面形貌对电场畸变的仿真研究[J].电气工程学报，2018，13（11）：30-36.

[2]高凯，曾浩，朱智恩，等.超导电炭黑复合半导电屏蔽材料对直流电缆绝缘材料空间电荷注入的影响[J].绝缘材料，2018，51（9）：6-10.

[3]高铭均.屏蔽电缆电磁干扰分析与滤波防护研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[4]叶志红.电子设备电磁干扰分析的高效时域算法研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[5]杨晓.车载设备电磁脉冲防护技术的应用研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[6]徐超.汽车电子的电磁兼容性研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[7]刘杰.泄漏发射的信息重建与防御对策[D].浙江：浙江大学，2004.