论文部分内容阅读
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，试验布置接近线缆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
Shielding Effectiveness Testing Method for
Shielding Sheath of Cables Based on Crosstalk Theory
SONG Shiqian
Abstract：A shielding effectiveness testing method based on crosstalk theory is designed for shielding sheath， which provides a measurement of sheath shielding effectiveness in real working conditions with more accuracy. The influence of different sheath grounding method on inductive coupling and capacitive coupling between cables is analyzed according to the test results. Testing and analysis of the conclusions provided the basis for the inhibition of the cable crosstalk in the actual engineering.
Key words：Crosstalk； Shielding effectiveness； Testing
引言
现有的大型机电设备上上，电气、电子设备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。因此列车上的各设备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测试时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]。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]进行说明。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。因此设计本实验旨在测试线缆屏蔽护套在实际工作状况下的性能。
1 测试原理
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。串扰被认为是两线间的感性耦合与容性耦合的叠加。对于低阻抗负载（高电流、低电压）感性耦合与容性耦合相比占主导地位；对于高阻抗负载（低电流、高电压）容性耦合与感性耦合相比占主导地位[4]。
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1。
从上述结果可以看出，以屏蔽护套浮地时的测试结果为基准，将护套单点接地即可一定程度上抑制容性耦合；而感性耦合必须通过双点接地进行抑制。容性耦合通过线缆之间的互电容进行耦合，外包裹的屏蔽护套至少有一点接地时，回路之间的电场线从发射回路开始终止于屏蔽层，而不是接收回路。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，从而抑制感性耦合，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。
感性耦合的测试结果（图5和图7）也证明，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；而双点接地能有效消除感性耦合，故串扰降低到了-70dB以下。同时，从屏蔽效能曲线上也能看出，双点接地屏蔽感性耦合的效能在低频段呈现约20dB/10倍频程的关系。屏蔽效能曲线存在拐点（图7中为20MHz处），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[4]。
容性耦合的测试结果（图6和图8）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的测试曲线都接近仪器底噪声。而当频率升高时，单点接地的屏蔽效能急剧下降，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。随着电长度的增加，必须增加接地点。测试结果中，容性耦合的曲线在高频段出现较大的振荡即与接地点数较少有关。
这一问题，可用图9的结果说明，采用类似的实验装置，测量四个接地点时的容性耦合，与双点接地的结果进行比较：
可以看出，四点接地较两点接地对容性耦合的屏蔽效能有一定提升。
仅从测试结果看出，屏蔽护套多点接地对于抑制线缆间串扰有明显的优越性，这是由于多点接地时要求屏蔽电压为零这一前提在实验室内较易得到保证。但实际工程中由于电磁环境复杂，意外状况（脉冲、过流、雷击等）较多，这一前提很难满足。另一方面实际的串扰为感性和容性成分的混合，单点接地虽然不能抑制感性耦合，但能抑制实际串扰中的容性耦合成分。因此对于电长度并不是很长（以十分之一波长为限）的屏蔽线缆，现有布线规范仍有相当一部分规定屏蔽护套应单点接地。
小结
本文介绍一种模拟实际工作状态的测量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。
参考文献：
[1] 郑军奇，EMC电磁兼容设计与测试案例分析（第二版）[M].电子工业出版社，2010.1.80-81.
[2] GB/T12190-2006 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法[S].2006.
[3] MIL-DTL-83528C[S].2001.
[4] Clayton.R.Paul，電磁兼容导论[M].机械工业出版社.2006.8.381-388.
[5] 高印寒，王瑞宝，马玉刚，等. 汽车线束导线间寄生电容及串扰的解析预测模型[J]. 吉林大学学报（工学版）. 2011（S1）： 144-149.
[6] 唐丽娟等， 单导体传输线与屏蔽电缆串扰问题的研究. 科学技术与工程， 2013（36）： 第10913-10916页.
关键词：串扰；屏蔽效能；测试
Shielding Effectiveness Testing Method for
Shielding Sheath of Cables Based on Crosstalk Theory
SONG Shiqian
Abstract：A shielding effectiveness testing method based on crosstalk theory is designed for shielding sheath， which provides a measurement of sheath shielding effectiveness in real working conditions with more accuracy. The influence of different sheath grounding method on inductive coupling and capacitive coupling between cables is analyzed according to the test results. Testing and analysis of the conclusions provided the basis for the inhibition of the cable crosstalk in the actual engineering.
Key words：Crosstalk； Shielding effectiveness； Testing
引言
现有的大型机电设备上上，电气、电子设备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。因此列车上的各设备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测试时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]。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]进行说明。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。因此设计本实验旨在测试线缆屏蔽护套在实际工作状况下的性能。
1 测试原理
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。串扰被认为是两线间的感性耦合与容性耦合的叠加。对于低阻抗负载（高电流、低电压）感性耦合与容性耦合相比占主导地位；对于高阻抗负载（低电流、高电压）容性耦合与感性耦合相比占主导地位[4]。
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1。
从上述结果可以看出，以屏蔽护套浮地时的测试结果为基准，将护套单点接地即可一定程度上抑制容性耦合；而感性耦合必须通过双点接地进行抑制。容性耦合通过线缆之间的互电容进行耦合，外包裹的屏蔽护套至少有一点接地时，回路之间的电场线从发射回路开始终止于屏蔽层，而不是接收回路。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，从而抑制感性耦合，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。
感性耦合的测试结果（图5和图7）也证明，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；而双点接地能有效消除感性耦合，故串扰降低到了-70dB以下。同时，从屏蔽效能曲线上也能看出，双点接地屏蔽感性耦合的效能在低频段呈现约20dB/10倍频程的关系。屏蔽效能曲线存在拐点（图7中为20MHz处），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[4]。
容性耦合的测试结果（图6和图8）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的测试曲线都接近仪器底噪声。而当频率升高时，单点接地的屏蔽效能急剧下降，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。随着电长度的增加，必须增加接地点。测试结果中，容性耦合的曲线在高频段出现较大的振荡即与接地点数较少有关。
这一问题，可用图9的结果说明，采用类似的实验装置，测量四个接地点时的容性耦合，与双点接地的结果进行比较：
可以看出，四点接地较两点接地对容性耦合的屏蔽效能有一定提升。
仅从测试结果看出，屏蔽护套多点接地对于抑制线缆间串扰有明显的优越性，这是由于多点接地时要求屏蔽电压为零这一前提在实验室内较易得到保证。但实际工程中由于电磁环境复杂，意外状况（脉冲、过流、雷击等）较多，这一前提很难满足。另一方面实际的串扰为感性和容性成分的混合，单点接地虽然不能抑制感性耦合，但能抑制实际串扰中的容性耦合成分。因此对于电长度并不是很长（以十分之一波长为限）的屏蔽线缆，现有布线规范仍有相当一部分规定屏蔽护套应单点接地。
小结
本文介绍一种模拟实际工作状态的测量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。
参考文献：
[1] 郑军奇，EMC电磁兼容设计与测试案例分析（第二版）[M].电子工业出版社，2010.1.80-81.
[2] GB/T12190-2006 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法[S].2006.
[3] MIL-DTL-83528C[S].2001.
[4] Clayton.R.Paul，電磁兼容导论[M].机械工业出版社.2006.8.381-388.
[5] 高印寒，王瑞宝，马玉刚，等. 汽车线束导线间寄生电容及串扰的解析预测模型[J]. 吉林大学学报（工学版）. 2011（S1）： 144-149.
[6] 唐丽娟等， 单导体传输线与屏蔽电缆串扰问题的研究. 科学技术与工程， 2013（36）： 第10913-10916页.