电缆屏蔽处理工艺研究

李永洲 赵 阳 胡玉玲 董卫东

电缆屏蔽处理工艺研究

李永洲 赵 阳 胡玉玲 董卫东

（北京特种机械研究所，北京 100143）

针对大功率电驱动系统中通信信号易受到外界干扰导致系统工作不正常的现象，提出一种电缆组件防波套360°屏蔽处理的工艺方法。设计了36种不同的屏蔽处理方式，采用三同轴法测量电缆组件的转移阻抗，通过试验数据从转移阻抗、操作性、成本分析比较各种屏蔽处理方式的优缺点。防波套360°屏蔽处理方法能够实现电缆组件通信频率10kHz～100 MHz范围有较小的转移阻抗，并且该方法适应于各种金属连接器。

电缆组件；360° 屏蔽处理；三同轴法；转移阻抗；防波套

1 引言

随着电驱动系统功率越来越大，经常发生电机工作中出现异响、抖动等异常现象；动力电缆产生对外辐射干扰使编码器数据传输异常，造成电动机构工作异常。

电缆组件一般会外套防波套作为电缆的屏蔽层。电缆屏蔽层主要功能是降低或减少外界电磁环境对电缆传输信号的干扰或内部信号对外界产品的干扰[1]。系统各个设备通过连接的电缆串联（电缆插头和机箱壳体连通）和设备自身接地点实现接地。系统电缆一般分为电源、控制数字/模拟量类、总线通讯等类电缆。

电缆屏蔽处理内容包含电缆屏蔽层连接连接器壳体方式和电缆屏蔽层金属防护套的选择与使用。生产过程中遇到的典型电缆组件连接壳体方式有以下问题：

J599I和XC系列连接器是使用最多的连接器种类，适用于各种军民品环境，装配简单，操作容易，类尾部附件一般选用夹板式。夹板式尾部附件只能通过冷压焊片连接到尾部紧固螺钉，也叫单点接壳。这种方法电缆的屏蔽层与连接器尾部附件没有形成全方位包裹，电磁信号可以透过孔隙辐射到连接器内部或外部。该方法弊端是尾部两瓣夹板较难向中间夹紧至无间隙，冷压焊片上下串动悬空导致接地不良。

部分直式屏蔽附件屏蔽处理连接壳体方式因冷压焊片无法固定在尾部附件螺钉，不能采用单点接壳方法。该连接器附件一般采用屏蔽层引出导线绑扎在连接器尾罩上，处理后在外面再包裹一层导电胶布。导电胶布单面导电的特性，不能形成全方位包裹，并且电缆的防波套外层还有一层绝缘层，导致导电胶布不能与屏蔽层直接接触。

XC-FJA系列直式屏蔽附件尾部附件屏蔽处理通过接地环在装配尾罩时将电缆屏蔽层夹紧，达到全方位包裹的效果。装配过程中需要将屏蔽层打散、反折套在接地环，会导致屏蔽金属丝断裂，掉落在接触件上造成短路，金属丝是在封装连接器尾罩时产生，无法观察和去除。

电缆组件生产推荐使用360°屏蔽处理方法，常用导电胶布缠绕连接器尾部附件和电缆屏蔽层，但是不能确保连接器和屏蔽层之间缝隙全方位包裹、没有电磁泄露孔隙。提出一种防波套360°包裹连接器尾部附件和屏蔽层的屏蔽处理工艺方法，明确工艺参数，提高产品的质量及可靠性。

2 转移阻抗测试系统

衡量电缆屏蔽层屏蔽效果主要有转移阻抗与屏蔽效能两个指标，其中最有效、使用最广泛的标准是测量电缆转移阻抗[2]。转移阻抗是电缆的一个特征参数，在频率一定的情况下，转移阻抗数值越小，屏蔽效果越好；转移阻抗数值越大，屏蔽效果越差[2]。

常见的电缆转移阻抗测试方法主要有三同轴法、功率吸收钳法、混波室法、GTEM小室法、线注入法、电流探头法等[3]。测试方法对比见表1。

表1 典型转移阻抗测试方法对比[4]

三同轴法、功率吸收钳法均适用于频率较低的场合[4]。电源、控制数字/模拟量、总线通讯等类型电缆，其中以通讯电缆工作频率最高，常用电缆通信频率不超过100 MHz，测试各种电缆的转移阻抗方法以三同轴法最为合适。

图1 三同轴测试系统

三同轴法是目前应用最广泛和影响最大的方法，它来源于IEC 62153-4-3标准中所规定的转移阻抗的测量方法。三同轴测试系统主要由矢量网络分析仪、测试转接电缆、阻抗匹配器、被测试电缆组件和三同轴等装置组成。矢量网络分析仪输出信号通过阻抗匹配电路注入到芯线和屏蔽层回路，屏蔽层和外层金属管回路上就会有感应电压和感应电流。信号源端的输出电压和接收端的输入电压的比值，计算出受试同轴电缆的转移阻抗[5]。一般情况下，标准的三同轴方法测量的频带范围10kHz～100MHz[6]。本试验采用的测试系统如图1所示。

3 试验材料制备

3.1 试验材料

常用连接器XC系列、J599系列和A950系列，不同系列连接器对应的尾部附件形式相似，本试验插头选用JY27467T09E35PN-H，插座选用JY27496T09E35SN-H，选用夹紧不屏蔽尾部附件J1784/49H-08S，夹紧并屏蔽尾部附件J1784/18A-09S03，不夹紧屏蔽尾部附件J1784/85-08SA-04。

本试验选用编织密度85%以上防波套HTPQ 6mm×10mm和编织密度93%以上的防波套G-HTPQ 6mm×10mm进行对比试验，选用AFP-200 0.5mm导线，防波套编织密度80%以上。连接导线防波套和连接器使用HTPQ 16mm×24mm防波套，编织密度85%以上。为比较编织密度及双层防波套的对转移阻抗的影响制作3种导线，导线组成结构如下：

a. 将AFP-200 0.5的导线外层防波套替换为编织密度为93%的防波套；

b. 编织密度较低双层防波套的导线由内层密度为80%防波套，中间为锦纶丝织套管，最外层由85%以上的防波套组成；

c. 编织密度较高双层防波套的导线由内层密度为93%防波套，中间为锦纶丝织套管，最外层由93%以上的防波套组成。

3.2 屏蔽处理方式

本试验采用了以下几种线缆屏蔽层连接工艺方法：

a. 单点接壳。单点接壳是尾部附件封装（导线外层防波套不与连接器尾部附件直接接触）完成后在距尾部附件夹板10mm处使用铜线缠绕防波套10圈，将引出导线一端使用焊锡连接铜线，导线另一端连接冷压焊片，拧紧尾部附件紧固螺钉，要求冷压焊片压平与尾部附件接触良好，夹板、冷压焊片、尾部附件之间没有空隙[7]。

b. 导电胶布缠绕接壳。导电胶布缠绕接壳是尾部附件封装（导线外层防波套不与连接器尾部附件直接接触）完成后将导电胶缠绕尾部附件壳体和防波套外表面，导电胶布和防波套重合长度5～10mm。

c. 防波套360°接壳。防波套360°连接壳体尾部附件封装（导线外层防波套不与连接器尾部附件直接接触）完成后再处理，实物如图2所示，处理工艺方法如下：

图2 防波套360°接壳

第一步，截取一段防波套（铜布或其他金属护套），长度比连接器尾罩长约5～10cm，修剪防波套边缘，防止有杂乱的金属丝；

第二步，将防波套套入插头端，防波套与连接器尾部附件端重合为连接器尾部附件长度的2/3以上，用铜线绑扎防波套，使防波套紧贴连接壳体，导电胶布缠绕插头端的防波套末端防止屏蔽丝外漏，连接器壳体和防波套连接无缝隙，360°包裹；

第三步，将外套防波套捋顺，导线束端防波套重合长度控制在5～8cm，多余的可以修剪去除，防止多余物留存在电缆内；

第四步，在防波套重合末端内衬宽度约为10mm导电胶布，使外层防波套末梢压在导电胶布中间位置；

第五步，在外层防波套末梢使用导电胶布绑扎牢固，宽度约10mm，连接无缝隙，使防波套紧贴电缆外层防波套，360°包裹；

第六步，在距离外套防波套末梢15mm处使用焊锡进行点焊两层防波套，焊接点直径约为5mm，一般需要点焊两个点，分别对称于插头主键位两侧；

第七步，外层防波套距离重合的末梢15～25mm处使用铜丝进行绑扎，铜丝结合处使用焊锡点焊，防止松散。

d. 单点接壳+导电胶布缠绕接壳。单点接壳+导电胶布缠绕是在单点接壳工艺方法基础在外部缠绕导电胶布。

e. 防波套360°接壳+单点接壳。防波套360°接壳+单点接壳是在单点接壳工艺方法基础上在外部使用防波套360°接壳。

f. 防波套360°+导电胶布缠绕接壳。防波套360°接壳+导电胶布缠绕接壳是在导电胶布缠绕工艺方法基础上在外部使用防波套360°接壳。

g. 双层防波套单点接壳。双层防波套单点接壳是在内层单点接壳工艺方法基础上外层防波套也进行单点接壳，要求内外防波套引出线连接尾部附件之间不能短接并且防波套均不能直接连接尾部附件。

h. 双层防波套内层单点接壳+外层防波套360°接壳。双层防波套内层单点接壳+外层防波套360°接壳是在内层单点接壳工艺方法基础上外部使用防波套360°接壳。

i. 双层防波套内外层防波套360°接壳。双层防波套内外层防波套360°接壳是在内外防波套均使用防波套360°接壳。

j. TiNi环接壳。TiNi环接壳是在尾部附件装配完成后，将屏蔽层打散均匀分布在尾部附件出线孔上并用TiNi环套住屏蔽层，然后使用热风枪（165℃）加热1min，TiNi环示温色标绿色转为黑色即为收缩完毕，最后用壁纸刀切去多余的屏蔽丝[10]。

k. 屏蔽热缩管接壳。屏蔽热缩管接壳方法是将屏蔽热缩管套在连接器尾部附件和防波套，热风枪加热使屏蔽热缩管贴附连接器尾部附件和防波套。

屏蔽尾部附件360°接壳是导线焊接完成后首先将导线防波套打散，四周分布均匀散开，使用屏蔽尾部附件自带接地环将防波套金属丝压接在台阶上，然后拧紧后端尾罩，最后在尾部附件夹板处夹紧电缆，外层防波套不与尾部附件夹板直接接触[9]。

结合上述12种工艺方法组合如表2所示的34种工艺方式，表2中1、2无屏蔽处理的电缆组件作为有屏蔽处理电缆组件测试对照。

表2 36种电缆组件的屏蔽处理方式

注：防波套指编织密度为80%的防波套；防波套（密）指编织密度为93%的防波套；双层防波套指2.1节编织密度较低双层防波套；双层防波套（密）指2.1节编织密度较高双层防波套。

3.3 终端电阻

测试时需要在传输线末端加终端电阻，使信号在传输末端不反射[10]。根据三同轴测试测试要求，终端电阻需要与电缆组件特性阻抗相同，被测试电缆组件不同在末端屏蔽层和芯线之间焊接该电缆特性阻抗相同的阻值电阻。为保证传输线路屏蔽层连续，通过导电胶布等将屏蔽层和插座尾罩全包裹起来。

3.4 被测试电缆组件

根据BS EN 50289-1-6:2002标准规定测试电缆的耦合长度由测试的最高频率决定[11]，100MHz对应电缆耦合长度约0.3m，受试同轴电缆的长度不能超过耦合长度的1.5倍[12]。本次三同轴测试装置电缆屏蔽层与金属管耦合段长度为0.3m，所以受试同轴电缆的总长度0.45m。电缆组件的一端与内回路远端终端电阻连接，另一端连接阻抗匹配电路。

3.5 阻抗匹配电路

矢量网络分析仪的信号源电阻为50Ω，当近端短路三同轴装置测试的电缆组件特性阻抗不是50Ω时，需要在信号源和受试同轴电缆之间插入阻抗匹配电路，以减小能量反射。阻抗匹配的目的是使负载获得最大的功率，提高传输效率，以及减少信号失真[13]。信号源的阻抗与传输线的特性阻抗必须匹配，负载与传输线特性阻抗也必须匹配。试验测试前需要测量各个电缆组件的特性阻抗，内层屏蔽层编制密度80%电缆特性阻抗接近32Ω，内层屏蔽层编制密度93%以上电缆特性阻抗接近38Ω，此时需要在信号源和传输线之间插入阻抗匹配电路。

阻抗匹配电路是由串联电阻R和并联电阻R组成的，负载阻抗1[5]。

本试验的试验样件内层屏蔽层编制密度80%以上电缆特性阻抗接近32Ω，由式（1）和式（2）可计算出匹配电路R为30Ω，R为56Ω；内层屏蔽层编制密度93%以上电缆特性阻抗接近38Ω，由式（1）和式（2）可计算出匹配电路R为25Ω，R为76Ω。

4 试验结果

4.1 试验数据分析

按照图1测试系统连接后，矢量分析仪自动测量电缆组件10kHz～100MHz的屏蔽衰减，经过MATLAB数据处理后计算出转移阻抗，可以得出以下分析结果。

a. 电缆组件常用屏蔽处理方法的转移阻抗有以下特点：无屏蔽层或防波套不接壳电缆组件的转移阻抗特别大，接近120Ω/m，屏蔽衰减较小，电缆组件屏蔽层没有构成有效回路；采用TiNi环、屏蔽热缩管和导电胶布缠绕工艺方法屏蔽处理电缆组件的转移阻抗在1～10Ω/m范围内，具有类似防波套360°接壳的转移阻抗曲线特点；屏蔽热缩管和导电胶布屏蔽处理方法转移阻抗大原因是屏蔽热缩管和防波套或尾部附件不能保证紧密的接触。TiNi环接壳转移阻抗大原因是TiNi环热缩后不能够箍紧屏蔽层与尾部附件。

b. 单点接壳和360°接壳对转移阻抗的影响。单点接壳电缆组件在信号频率10kHz～1MHz转移阻抗在0.35～0.85Ω/m范围内，超过1MHz后转移阻抗迅速上升，100 MHz时超过10Ω/m。

360°屏蔽处理方式电缆组件在信号频率10kHz～100MHz转移阻抗在0.3～0.9Ω/m范围内，并且在整个频率范围内转移阻抗变化较小，屏蔽尾部附件360°接壳与防波套360°接壳在10kHz～100MHz转移阻抗基本相同。

c. 防波套编织密度对转移阻抗的影响。在10 kHz～60MHz通信频率范围内使用防波套编织密度高的电缆组件相对相同屏蔽处理方式防波套编织密度较低的电缆组件的转移阻抗较小；60～100MHz防波套编织密度低的电缆组件转移阻抗有减小趋势，而防波套编织密度低的电缆组件转移阻抗有增大的趋势，但是360°屏蔽处理方式相对单点接壳方式转移阻抗小很多。在10kHz～100MHz通信频率范围内使用防波套编织密度高的电缆组件相对相同屏蔽处理方式防波套编织密度较低的电缆组件的转移阻抗较小；

采用防波套360°结合单点接地或导电胶布缠绕接壳的电缆组件通信频率在10kHz～100MHz转移阻抗在0.3～0.9Ω/m范围内，与只采用防波套360°接壳方式区别不大。

d. 双层防波套接壳对转移阻抗的影响。双层防波套接壳通信频率在10kHz～100MHz转移阻抗在0.2～0.7Ω/m（高频段除去单点接壳），转移阻抗小，采用双层防波套单点接壳方式超过3MHz后转移阻抗缓慢上升，100MHz时转移阻抗约3Ω/m，而单层防波套单点接壳转移阻抗约16Ω/m, 双层比单层屏蔽更加有效。

e. 导电胶布对单点接壳的影响。单点接壳和单点接壳+导电胶布缠绕接壳两种接壳方式转移阻抗在通信频率10kHz～1MHz相差较小，超过1MHz差距增大，导电胶布对通信频率1～100MHz的转移阻抗增大有较强的抑制作用。

4.2 试验结果分析

通过数据对比分析在通信频率1MHz以下单点接壳和屏蔽层360°接壳屏蔽效能相近，超过1MHz360°屏蔽接壳方式屏蔽效能更高；屏蔽尾部附件360°接壳与防波套360°接壳在10kHz～100MHz屏蔽效能基本相同；10kHz～60MHz通信频率范围内使用编织密度高的防波套屏蔽效能高；采用单点接壳结合导电胶布能够提高通信频率超过1MHz时电缆组件的屏蔽效能；双层防波套电缆组件屏蔽效能优于单层防波套电缆组件。在10kHz～100MHz频率范围内采用360°接壳不因增加了导电胶布或单点接壳等各种方式引起屏蔽效能的提升。

针对单点接壳、导电胶布缠绕、屏蔽热缩管、TiNi环、屏蔽尾部附件360°接壳和防波套360°接壳等方法在转移阻抗、操作性、成本等方面进行比较，如表3所示。

表3 屏蔽处理方式对比表

TiNi环、屏蔽胶带缠绕和屏蔽热缩管转移阻抗分布范围较大，屏蔽处理不容易控制，具有如下优缺点：

a. TiNi环接壳对屏蔽层和出线口直径匹配要求较高，并且不能夹紧导线束容易导致焊点受力，箍紧防波套能力较弱，存在防波套脱离尾部附件的可能性，但是实现360°屏蔽简单，不需要额外辅材；

b. 屏蔽热缩管接壳对导线束和尾部附件直径匹配要求较高，并且时间长了屏蔽热缩管和导线束、尾部附件接触不牢靠，热缩管变形导电银粉容易整块脱落，造成多余物，银粉也容易氧化造成不导电，转移阻抗会进一步加大，屏蔽效能会降低，屏蔽热缩管成本比较高，但是实现360°屏蔽比较简单；

c. 导电胶布使用时间长了，导电胶布表面银氧化，导电性能降低，并且有胶一面粘接能力下降，转移阻抗会进一步加大，屏蔽效能会降低，但是实现操作很简单。

单点接壳、屏蔽尾部附件360°接壳和防波套360°接壳转移阻抗分布范围较小，稳定性高，适合实际生产使用，具有如下优缺点：

a. 线缆直径和尾部附件出线口不匹配导致冷压焊片不能被压紧，屏蔽层接壳不够牢靠，采用单点接壳有一定的风险，超过1MHz转移阻抗上升快，不适用超过1MHz信号通讯，但是在10kHz～1MHz范围的屏蔽效能和360°接壳方式接近，成本非常低；

b. 屏蔽尾部附件使用容易受到安装空间影响，且成本较高，屏蔽金属丝反转弯折断裂，会产生多余物，导致电气短路，组装过程中不能观察接地环压住全部金属丝，但是可以通过灌胶等手段防止多余物，实现360°屏蔽简单，不需要额外辅材，10kHz～100MHz屏蔽效能相对较高；

c. 防波套360°接壳操作过程复杂程度一般，但是能够很好匹配导线束和尾部附件，原材料容易采购，成本低，对安装空间要求较小，适合非屏蔽金属尾部附件，适合对屏蔽要求比较高的场合，10kHz～100 MHz屏蔽效能相对较高。

d. 双层防波套接壳操作复杂，适合对屏蔽要求较高的场合，10kHz～100MHz屏蔽效能相对较高，但是对安装空间有较大的需求，实现起来异常复杂，成本较高，生产应用很少。

防波套360°屏蔽处理方法在提高屏蔽效能、增强操作性和降低成本有一定优势，提高了产品质量和可靠性，适用于10kHz～100 MHz屏蔽处理。防波套360°接壳工艺方法已经在某型号应用生产1000多根电缆组件，检验合格交付使用未出现与电缆接壳屏蔽处理相关问题。某单机产品使用单点接壳方法满载试验时，负载电机运行不稳定，速度、电流跳动较大，改为防波套360°接壳后电机运行稳定，采集数据曲线平滑符合试验要求，100多台产品经过试验验证合格，已经交付使用。

5 结束语

通过电缆屏蔽处理工艺研究，提出以下电缆组件设计建议：

a. 通信信号频率不同选择不同的屏蔽处理方法，低于1MHz可以选用单点接壳屏蔽处理方法，超过1 MHz建议选用360°接壳屏蔽处理方法；

b. 单点接壳方法的夹板、冷压焊片和尾部附件之间空隙严重影响低频段（低于1MHz）屏蔽效能，推荐使用单边活动夹板尾部附件，当选用双活动夹板尾部附件时电缆或者导线束直径不超过厂家推荐连接器引线口最小值，冷压焊片必须安装在螺帽和夹板之间；

c. 安装空间有限制同时对屏蔽要求较高时，可以使用防波套360°接壳屏蔽处理方法，选择合适长度的尾部附件；

d. 电缆组件屏蔽要求较高的场合选用双层编制密度较高的防波套，采用双层防波套360°接壳方式屏蔽处理；

e. 安装空间不受限，防水和屏蔽有较高要求时，建议选用屏蔽尾部附件。

1 陈旻．三同轴法射频同轴电缆转移阻抗测试装置的改进[D]．南京：东南大学，2010

2 陈渊硕．电缆屏蔽效能的评估与分析[D]．上海：上海交通大学，2014

3 韩沛岑，马伟泽，陈曦，等．测量表面转移阻抗的三同轴法的综述[J]．制造业自动化，2017，39(3)：72～74

4 张晗．射频同轴电缆的屏蔽效能测试系统[M]．西安：西安邮电大学，2016

5 IEC62153-4-3-2013, Metallic communication cables test methods-Part 4-3:Electromagnetic compatibility (EMC)-Surface transfer impedance-Triaxial method. International Electrotechnical Commission[S]. Loyang: Zhguangdian, 2013

6 孙超，张伟．屏蔽电缆转移阻抗测试方法的比较[C]．华北电力大学第五届研究生学术交流年会论文集，2007：1～5

7 李晓麟. 多芯电缆装焊工艺与技术[M]．北京：电子工业出版社，2010

8 圆形连接器（上册）[M]．洛阳：中航光电科技股份有限公司，2018

9 刘昊，刘宁，刘毅，等．屏蔽式电连接器环接工艺技术研究[J]．航天制造技术，2017(5)：32～35

10 朱明杰，卓君华．传输线的反射干扰[J]．电子测试，2009(6)：70～73

11 BS EN 50289-1-6-2002, Communication cables Specifications for test methods[S]

12 朱荣华，李谦若．表面转移阻抗的测量——三同轴方法[J]．光纤与电缆及其应用技术，2005(4)： 8～11

13 张志．射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究[D]．沈阳：东北大学，2008

Research of Cable Shielding Processing Technology

Li Yongzhou Zhao Yang Hu Yuling Dong Weidong

(Beijing Institute of Specialized Machinery, Beijing 100143)

Aiming at the phenomenon that communication signals in high-power electric drive systems are susceptible to external interference and cause the system to work abnormally, this paper proposes a 360° shielding processing method for cable assembly with copper braided mesh. Thirty-six different shielding processing methods are designed. The triaxial method is used to measure the transfer impedance of the cable assembly. The advantages and disadvantages of various shielding processing methods are analyzed and compared from the transfer impedance, operability and cost through the test data. The copper braided mesh 360° shielding processing method can achieve a small transfer impedance in the range of 10kHz to 100MHz for the communication frequency of the cable assembly, and the method is suitable for various metal connectors.

cable assembly；360° shielding processing；triaxial method；transfer impedance；copper braided mesh

李永洲（1988），硕士，机械工程专业；研究方向：发控系统总体设计及电气装联技术。

2020-08-12