屏蔽电缆的屏蔽效能和转移阻抗的关系分析

南京全信传输科技股份有限公司 刘永青 王 杰 郭玉林

随着近年来计算机技术的飞速发展，在5G时代下通信信号频率逐渐提升，电磁兼容逐渐引起人们的研究重视，在设备中互连电缆通常作为导致电子设备发生超标电磁辐射的关键原因，所以设计屏蔽电缆，运用金属材料包裹信号线，不仅能阻挡外部环境下电磁信号对电缆传输造成耦合干扰，还可降低电缆在信号传输中向外界辐射电磁干扰，但也增加了信号成本投入[1]。

对考虑到应用环境不同，对电缆屏蔽效能的需求也各有不同，诸多研究者展开对屏蔽电缆的屏蔽效能量化评估研究。转移阻抗作为目前学术界对电缆屏蔽性能广泛应用最有效的评估指标，提出三同轴法、四同轴法、电流探针法、线注入法等测试方法[2]，本文提出应用三同轴法是因为此种测试方法较其他方法低成本，操作简单。接下来本文将对屏蔽电缆的屏蔽效能与转移阻抗关系展开研究分析。

1 转移阻抗三同轴测量方法

1.1 AS 理论模型

三同轴测量法自上世纪60年代便被用于空间电磁场、屏蔽线缆耦合问题研究中，泄露射频信号不仅有关于线缆小孔耦合，同轴电缆编织层磁通互联同样作为泄露问题的发生原因。在此基础上Vance简化了小孔电磁耦合与编织层电磁互联模型[3]，推导得出屏蔽电缆转移阻抗与转移导纳计算公式，Sali对该理论模型改进提高有效性，并对实验数据作大量分析，进一步考虑电缆编织层磁场涡流作用，之后运用小参数近似指数模型对任意长度屏蔽电缆转移阻抗进行描述[4]。

1.2 修正因子

假若电学中短电缆满足条件fmax≤40/L，于是存在[exp(ax)-1]/x～a 和exp(-bx)～1，可 忽 略低频波段公式如下：Zt=(VL/VsY01L)×[4(1-ρuρ22)(1-ρ2ρu)/(1+ρ22)(1-ρ11)(1-ρ12)(1-ρ21)]。

式中：由驱动线看向信号源端、接收机端的两个反射系数分别用ρ11、ρ21表示；在匹配端、接收机两端测试线的两个反射系数分别用ρ12、ρ22表示；信号源开路电压用Vs表示；驱动线导纳用Y01表示。

在实际测试过程中，通常是在仪器由外至内测试获得反射系数，因此在ρ12=ρin、ρ22=-ρout基础上，引入馈如内部电路功率P1，外部电路功率P2，可得[5]：P1=Vs2ZD/(ZD+Zg)2、P2=VL2/ZD、1/Y01=Z01=Zg(1-ρu)/(1+ρ11)。其中修正因子如下[6]：F=4(1+ρ12ρ22m)(1+ρ22ρ11m)/(1-ρ11m)(1-ρ22m)(1-ρ12)(1-ρ21)。

根据上述功能公式能发现，在实际测试过程中所获P2、P1两值，在固定信号源Zg与接收机阻抗ZD条件下，一旦确定被测试样长度，所得转移阻抗便相关于修正因子F。

2 屏蔽电缆屏蔽效能

在屏蔽电缆中某一电磁辐射场强值，经传输线理论对各点电流计算，电偶极子计算线上各点辐射，之后积分可得整根电缆辐射。为了方便分析简化无屏蔽与有屏蔽两种条件下的电缆辐射情况（图1）。

图1 电缆辐射

如图1所示，无屏蔽电缆辐射公式为E1=KeI1，式中：对地回路共模辐射因子用Ke表示，长度用l表示，离地高度用h 表示，频率用Fu表示，距离观测点用D 表示；有屏蔽电缆辐射中公式为[7]E2= Kel2+KDI1，式中：对地回路共模辐射因子用Ke表示，差模回路辐射因子用KD表示。

在较小电缆半径较大电缆离地高度情况下，因为较小的差模辐射回路面积，等同的差模电流大小，相反方向下KD结果较小，较大的共模辐射回路面积，相应的获得较大Ke值，这时可得到屏蔽电缆屏蔽效能如下，可发现屏蔽电缆的屏蔽效能约为屏蔽表层电流与芯线电流比值。

3 转移阻抗与屏蔽效能关系测试

3.1 测试设计

以VANCE 编制电缆转移阻抗计算公式，计算可得屏蔽电缆的转移阻抗值，代入公式（1）可得屏蔽电缆的屏蔽效能。选取某四芯数据电缆为本次测试试样，该屏蔽电缆的单丝直径1mm、用d 表示，每一股电缆分别9根单丝，共计16股、26mm 节距，1～50MHz 的测试频率范围。使用双短路法对比电阻馈电法的两种测试结果（表1），能发现在2次测试中，双短路法获得结果一致性较好，电阻馈电法相比之下不如双短路法，尤其在电缆曲线左右两端更加明显。

表1 不同测试结果对比

3.2 测试结果

在10kHz～10MHz 范围内，转移阻抗所受屏蔽电缆散射所致转移阻抗，与频率呈负相关，频率递增转移阻抗递减，屏蔽效能则与频率呈正相关随之上升。在107频率点之后，转移阻抗值则与小孔耦合所致转移阻抗相关，在20dB 转移阻抗的10倍频增加情况下，108频率点之后屏蔽电缆的屏蔽效能逐渐振荡式减少。

在一致电缆编织参数下，设计10cm 屏蔽电缆离地高度，分别为0.1m、0.5m、1m 电缆长，根据图示能发现：三条曲线在10MHz 频率点并未发生变化，100MHz 频率点与长度呈负相关，长度越短100MHz 频率点越大。在10MHz 频率点之前屏蔽电缆的屏蔽效能几乎不变，但在10MHz 频率点之后屏蔽效能随着长度逐渐变短随之增大，在100MHz频率点之后三条屏蔽电缆的屏蔽效能均有所下降，呈20dB 每10倍频率下降趋势。

在一致电缆编织参数下，1m 电缆长度、10cm与100cm 的电缆离地高度，根据图示能发现，在10MHz 频率点与100MHz 频率点获得同样结果，这一情况反映屏蔽电缆长度并未改变。屏蔽电缆越高的离线高度屏蔽效能就会越大，并且根据上文公式也可发现，随着屏蔽电缆离地高度的逐渐增加，会增大对地单位长度电感，减少对地回路共模辐射电流，屏蔽电缆的屏蔽效能有效提升。

在一致的电缆编织参数中，35股与24股电缆均为1m 电缆、10cm 电缆离地高度，发现随着逐渐增加的股数1MHz 逐渐增加转移阻抗递减，二者呈负相关。在1MHz 之后屏蔽电缆的转移阻抗同样呈20dB 每10倍频率下降趋势，基本达到大约60dB的转移阻抗差值。屏蔽电缆的股数越大屏蔽效能则越小，因为本次测试并未改变电缆长度，所以在100MHz 转移阻抗基本不变。