（机械制造及其自动化专业论文）多芯互连电缆抗干扰技术研究.pdf

摘要 本文依据多导体传输线理论、屏蔽理论、二端阴网络理论和天线理论，系统 遣分褥了多蕊互连毫缆靛鬓效、线阍率扰秘备类芯线辐射发莉。首先介绍了基本 理论，在此綦础上建立了多鼯体传输线模型，确定芯线实赋电流分布，然臌根据 芯线电流的分布提出了多芯瓣蔽电缆屏蔽效能和转移阻抗的计算方法，研究了具 体的测试方法并具体分柝了屏蔽层的备种蠛接方式；接着按照耦合分柝褥毖鲍电 流分布求出了不同芯线的辐射泄漏场；最后用编制的程序对不同电缆的屏效、耦 合积辐射进行了仿真计算芳慰结果徽了较必详缨懿分辑和骏涯，提凌了选趱逛缆 的一般原则和注意事项。 关键谰：多芯互连电缆 辫效串扰辐射发射多导体传输线 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f am u l t i p l e c o r ai n t e r c o n n e c t e dc a b l e ，t h e c r o s s t a l ka n a o n gc o r e sa n dr a d i a t e de m i s s i o no fd i 、, , e r s e c o r e sa r e s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e da c c o r d i n g t ot h em u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e ，t w o - p o r tn e t w o r ka n d a n t e n n at h e o r i e s f i r s t l yt h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sa r ep r e s e n t e da n d m u l t i c o n d u c t o r t r a n s m i s s i o nl i n em o d e lb a s e do nt h e s et h e o r i e si se s t a b l i s h e d ，w i t hw h i c hc u r r e n t d i s t r i b u t i o no ft h ec a b l ec o r e si s d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t oc b r r e n td i s t r i b u t i o na c a l c u l a t i n g m e t h o di s g i v e n o fs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa n dt r a n s f e r i m p e d a n c e o f m u l t i p l e c o r es h i e l d e dc a b l e 。t h e nas p e c i f i ct e s t i n gm e t h o do fs ei sp r e s e n t e da n d v a r i o u st e r m i n a t i o nm o d e l so fs h i e l di sa n a l y z e de s p e c i a l l y s e c o n d l yt h er a d i a t e df i e l d o fd i f f e r e n tk i n d so fc o r e si sd e r i v e db yu s i n gt h ed i s t r i b u t i o no fc u r r e n ta c q u r i e d ， f i n a l l ys e ，t h ec o u p l i n g a n dr a d i a t e de m i s s i o no f d i f f e r e n tk i n d so f c a b l e sa r ee m u l a b l l y c a l c u l a t e db yt h ec o m p i l e dp r o g r a m r e s u l t sa l ea n a l y z e da n dv e r i f i e di nd e t a i la n dg e n e r a l p r i n c i p l ea n da t t e n t i o na s p e c t s i sg i v e no f s e l e c t i n ga n d u s i n g c a b l e s k e ) 刑 o r d ：m u l t i p l e - c o r e i n t e r c o n n e c t e dc a b l e s s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s sc r o s s t a l k r a d i a t e de m i s s i o nm u l t i c o n d u c i o rt r a n s m i s s i o nl i n e s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成采。尽我掰知，除了文孛特嗣热潋标注窝致滚中袋罗列熬内容终，论文窜苓惫 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 谴教裔爨梅豹学位或涯书露搜弱过懿毒孝辩。与我一溺工作翡黼恚对零繇究辩骰豹 任何簸献均融在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 串请学像论文与滏辩若鸯不实之楚，本人承担一锈援关爨饪。 本人签名盘穴e 告 关于论文使用授权煞说明 日期：墨翌塞羞，! 丝 本久完全了瑟瑟囊毫子科技大学有关爨蘩彝镬掰学位论文豹圭雯跫，郅：磷究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西发电子科技大学。本人保证毕 鲎离狡嚣，发表论文或镬震论文工佟戏粟霹翟名单位仍然戈蘧安惫予穰技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 帮鼗郄分蠹褰，可以龛诲采粥影印、绫印或其毽复测手段爨存论文。 本入签名：垃 导爆签名：垂聋童h 一 目甥：塑堕：壶：丝 翻期：至竺! 查：! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1多芯互连电缆抗干扰技术的研究背景 随着全球性通信网络事业的迅猛发展，传输宽带化和高速化已成为信息网络 化的最佳途径，但同时也带来了严重的电磁干扰问题。尽管光纤、卫星、无线通 信及移动通信技术已日臻完善，应用也更加广泛，但是，互连电缆作为近距离通 信的主要介质，在信息的传输中，仍具有不可替代的地位。并且，大量的工程实 践已经证明，互连电缆设计的不合理往往是引起系统电磁干扰问题的主要原因。 为了减小干扰，满足高速的信息传输及传输数据的多样化和多功能性，多芯屏蔽 电缆已成为应用最多的一类电缆。 但是，随着多芯屏蔽电缆日益广泛的应用，其固有的弊端也渐渐暴露出来。 首先，由于芯线数目多、种类广，芯线间的相互耦合将难以抑制：其次，屏蔽层 的设计与端接如果处理不好，将会对周围设备及其它连接线缆产生更大干扰；再 次，高速传输所引起的高频信号分量会使连接电缆产生较大的电磁干扰及泄漏。 其中，分布电容、电感引起的线间串扰会导致波形失真，增大误码率，从而限制 信号传输距离：由天线效应产生的辐射发射会干扰其他设备正常工作，同时造成 信息泄漏。这两个问题产生的共同原因是由于电磁耦合及发射。尤其是在高速的 信息传输中，以上这些问题更为突出，直接影响着整个系统的电磁兼容性。 国内对于多芯电缆的研究主要局限于裸线间的耦合，相对于同轴射频电缆而 言，多芯屏蔽电缆的分析、测试有着较大的差异，其难度及复杂程度也要大得多。 尽管如此，互连电缆是否具有良好的电磁兼容性己成为工程上迫切需要解决的问 题。因此，通过对多芯互连电缆电磁耦合和辐射泄漏的定性研究和定量分析，将 有助于解决飞机、导弹、卫星及防信息泄漏的信息技术设备中因互连电缆种类、数 量繁多而出现的电磁兼容性问题。 1 2 多芯互连电缆抗干扰技术的发展状况 屏蔽电缆的理论研究早在二十世纪三十年代就已开始，其研究阶段分为两个 阶段：早期研究主要集中于天线、测试仪器用的射频同轴屏蔽电缆。基本方法是 将电缆处理为平行双导体传输线，外界对于电缆的影响用屏蔽层上的电流表示， 屏蔽层对内导体的影响用转移阻抗和转移导纳表示，s c h e l k u n o 一”、v a n c e l 2 等人 深入研究了转移阻抗、转移导纳与屏蔽效能的关系，v a n c e 所著的( c o u p l i n gt o s h i e l d e dc a b l e s ) ) 成为有关屏蔽电缆设计的经典之作。美国的m i l h d b k - 2 8 5 、我 国的g j b - 1 2 1 0 - 9 1 ( 接地、搭接和屏蔽设计的实施) 、g j b z 2 5 9 1 ( 电子设备和设 2童蔓蔓堡皇垄垫王垫垫查婴塞 = l _ 一。 一 施的接地、搭接和屏蔽设计指南) 、电磁兼容性设计手册等都将其：f i - y a , - i - 算 公式、阻抗及导纳的计算图表编入其中。从所等效的平行双导体传输线模型来看， 显然上述方法只适用于同轴屏蔽电缆。从有关的文献可以看出上述方法的研究主 要集中于八十年代以前。同轴电缆除了在设计方面比较成熟外，在工程应用及产 品方面也相当成熟，美国还出版了射频电缆使用手册，详尽地给出了各类电缆的 各种参数。 自七十年代后期至今，屏蔽电缆的研究转向了多芯电缆，与同轴电缆不同的 是前者只涉及内导体与屏蔽层的关系，后者不但要涉及内导体与屏蔽层，还要涉 及内导体间及内导体与屏蔽层外的导体或电缆间的关系。显然，后者的耦合机理 要复杂的多，为此p a u l 3 】在v a n c e 等人研究的基础上提出了多芯屏蔽电缆的分析方 法，这种方法以多导体传输线理论为基本依据，将多芯屏蔽电缆的内导体、屏蔽 层以及屏蔽层外的导体、屏蔽电缆均处理为传输线，建立其控制方程，并通过计 算链参矩阵，引入终端条件等方法，可以求得转移阻抗及屏蔽效能。这种模型研 究的对象要比v a n c e 的方法更为广泛，可以证明，v a n c e 的方法仅仅是p a u l 方法 的一种特例，显然仍然引用v a n c e 的结论来分析多芯屏蔽电缆，是无法确定屏 蔽电缆内芯线间的耦合，二是将会带来较大误差，因此必须采用p a u l 的方法。 出于电磁兼容的需要，对连接线缆的屏蔽性能有了更高的要求，采用两层或 多层屏蔽是改善屏蔽电缆屏蔽性能最直接的方法，所以本文需研究多芯多层屏蔽 电缆的屏蔽特性，这进步加大了计算及研究难度。因为以往对多层屏蔽电缆的 研究都是针对同轴电缆【4 l 【5 l ，关于多芯屏蔽电缆的技术资料和计算公式比较少。而 关于屏蔽电缆的测试方面，国际上的学者主要是针对射频同轴电缆的转移阻抗和 屏蔽效能测试方法进行过详细的研究【6 】【h 【8 】，美国等发达国家也已有专门的标准详 细规范了同轴电缆屏蔽性能的测试方法。近些年，德国的j u n g 9 1 提出了一种改进的 三同轴法测量多芯屏蔽电缆束各屏蔽层的转移阻抗和转移导纳的方法，是非常值 得借鉴的。但由于文献1 9 j 的方法是首次尝试的一种测试方法，还未得到公认，加之 三同轴法固有的缺陷和测试装置难以加工，因此本文仍在同轴电缆研究的基础上， 提出一种多芯多层屏蔽电缆屏蔽效能的计算方法和一种简单的测量多芯屏蔽电缆 屏蔽性能的方法。有关多芯屏蔽电缆的技术资料和计算公式通常仅适用研究其传 播和穿透问题，而对于多芯屏蔽电缆的耦合问题还未进行深入的研究。另外，在 以往的文献中，计算编织屏蔽电缆与外界导体或电缆间的耦合时忽略了屏蔽体上 编织孔缝引起的电场及磁场的影响，而随着频率的增高，孔缝泄漏的影响越来越 大，简化计算( 忽略屏蔽层中孔缝的影响) 带来的误差也越来越大。为此，我们 引入转移电感、转移倒电容来反映孔缝的影响，力图更加准确地反映编织屏蔽电 缆的屏蔽性能。 第一章绪论 目前辐射泄漏的研究主要是针对同轴屏蔽电缆，包括电缆端接形式的变化引 起辐射场的变化：而对于多芯电缆辐射泄漏研究的文献较少。韩放1 1 0 】将多芯电缆 整体辐射场简单地的看作各个平行线对辐射场的总和。此方法未考虑芯线间的串 扰耦合影响，与实际情况有较大偏差。而k a i r e s i lj 通过测试讨论了不同尺寸参考 导体和不同配置结构的平行双线产生的共模电流和辐射场，指出传输线结构对共 模电流和辐射场的影响很大，但是没有提出一种有效的理论分析方法。p e r e z t l 2 1 把 双绞线的辐射场用许多孤立的磁偶极子辐射场的叠加来等效，这种模型较详细地 模拟了双绞线的辐射，但忽略了绞环之间的电连续性，与双绞线实际情况有较大 差异。 1 3 本文所做的工作 本文在以往研究的基础上，针对不同系统中普遍采用的多芯互连电缆，综合 应用多导体传输线理论、孔耦合理论、屏蔽理论，天线理论等，全面分析了多芯 互连电缆的屏蔽、耦合及辐射特性。具体分析步骤如下： 1 对互连电缆传输的常见信号进行频谱分析，确定了泄漏源模型： 2 建立了适用分析多芯屏蔽电缆屏效的广义多导体传输线模型； 3 对多芯屏蔽电缆的屏蔽效能测试方法进行了研究，提出了适应我国国情的测试 方法，研制了相应的测试装置； 4 建立了工程中电缆屏蔽层常用的端接模型，提出了较好的接地方式： 5 建立了适用于分析多种芯线类型的多芯电缆互耦计算的广义多导体传输线模 型； 6 根据多芯电缆芯线电流的实际分布，提出了多芯电缆辐射的一般计算方法； 7 对各种多芯电缆的屏效、耦合、辐射进行仿真计算，并与测试结果和国外结果 进行了对比，得出影响电缆电磁干扰和辐射泄漏的主要因素，为电缆电磁兼容 性设计和选用提供了理论依据； !圭堇至垄皇丝垫王塑垫查堑壅 第二章多芯电缆抗干扰分析的基本理论 2 1 干扰源的频谱分析 2 1 1 电缆电磁耦合的干扰因素 多芯电缆电磁干扰耦合的影响因素主要有：信号类型、传输方式、频谱特性： 电缆长度、布线形式、屏蔽类型和接地方式等传输特性以及源端和负载端的阻抗 特性。 激励信号的振幅、周期、脉宽、上升下降时间等时域特性直接决定了频域中 干扰强度及带宽。在满足信号传输速率及信噪比要求的同时，适当减小信号 电平、增加信号上升时间，可以显著降低干扰耦合的功率及带宽。 传输电缆的长度、距地高度、布线形式、屏蔽类型及接地方式等结构因素也 是影响电缆电磁干扰耦合的重要因素。电缆的长度、距地高度的选择往往受 信号传输距离和整体布局设计的限制，而采取适当的布线、屏蔽和接地设计， 将显著提高系统的电磁兼容性能。 源端和负载端的阻抗特性决定了电缆网络与端口阻抗匹配状态，通过分析匹 配状态，可以确定电缆应用于不同终端连接情况下的电磁干扰耦合情况，以 便于确定电缆的最佳应用对象。 本文采取的研究步骤为：针对典型的数字传输激励信号进行频谱特性分析， 确定多芯互连电缆干扰源的强度及带宽；通过对干扰机理的定性分析及定量研究， 确定各种因素对电缆电磁干扰的影响程度，从而对电缆的电磁兼容设计提出理论 依据。 2 1 2 干扰源的频谱分析 为了确定辐射源的强度，需要对传输信号进行幅频特性分析。信号的各次谐 波分量值即为计算电缆的耦合发射各频率点的激励源幅值。多芯互连电缆中传输 的数字信号不外乎周期信号和非周期信号两种。下面以最常见的矩形波信号为例 进行分析。 由傅立叶变换的理论1 1 ，周期信号f ( t ) 的傅立叶级数为 f ( 1 ) = r e 姗 ( 2 1 ) 式中q = 2n t 为基波角频率，t 为复傅立叶系数 1j t = l ：f ( t ) c j o d t ( 2 2 ) 第二章多芯电缆抗干扰分析的基本理论 有 对于幅值为a ，脉宽为t ，周期为t 的矩形波信号( 如图2 1 所示电压信号) ， 膏：a x s i n ( n q x 2 ) ”tn q t 2 对式( 2 - 1 ) 两端取傅立叶变换，得 ) = 意茸e j ( b t a - t d t - 2 丌妻茸6 ( 一n q ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 上式表明，周期信号频谱是离散的窄带谱，仅含“o = i q q 的各谐波分量，相邻谱 线间距为q 。 图2 2 为计算机视频电缆传输的一种典型黑白点阵信号的幅频特性曲线图。其 中v o = 4 2 1 m v ，t = 1 0 0 0 n s ，t = 5 0 0 n s 。 v ( t ) v o 厂 厂 一 主划 1 图2 1 周期方波信号 图2 2 黑白点阵信号的幅频曲线 对于非周期信号，由于信号周期趋于无穷大，相邻谱线间距趋近于无穷小， 信号的频谱成为连续的宽带谱，其趋势与周期信号的幅频曲线完全一致。 2 1 3 干扰源的功率谱分析 为确定信号带宽，需对传输信号作功率谱分析。 周期信号f ( t ) 在一个周期内的平均功率为 p = 睾如t ，1 2 a t ( 2 - 5 ) 周期信号的功率谱为离散谱，按谐波幅度降低到其包络线的最大值的1 1 0 来 定义信号带宽，此时带宽内的功率占总功率的9 7 以上。图2 3 给出了黑白点阵信 号7 0 次谐波的功率谱曲线。 非周期信号功率谱为连续谱，也是按功率幅度降低到最大值的1 1 0 来定义带 宽。 从图2 3 中可以看出，矩形波信号强度主要集中在低频段和中频段，随频率 上升，强度逐渐衰减。尽管矩形波的高次谐波强度很小，但是与梯形波的高次谐 皇童苎兰垄皇垄垫王垫垫查笪壅 p 图2 3 黑白点阵信号的功率谱曲线 图2 4 矩形波功率谱特性 波相比，它将产生更强的辐射【1 0 】。我们对多芯互连电缆中不同的传输信号进行了 分析，确定其干扰频带为l o k h z i g h z 。以后各章的理论模型分析均在此频段内进 行。 2 2 多芯电缆的电磁泄漏机理分析 2 2 1 多芯电缆类型简介 多芯互连电缆包括多芯非屏蔽电缆( 普通多芯电缆) 和多芯屏蔽电缆，它们 都是由多种形式的芯线束组合而成，这是控制设备中用得最广泛的电缆之一，可 以集中连接多个属于同一种类的控制回路或信号回路，它们的芯线有一定扭绞( 称 图2 5 多芯电缆示意图 为同心绞) 但绞距太大对抗干扰并没有明显作用【1 ”。图2 5 为一种常用的三芯电 源线。有时在普通的信号回路中芯线并不扭绞。 多芯屏蔽电缆若按电缆的结构划分，有下面几种： 总屏蔽电缆：即最普通的屏蔽电缆，只有一个外屏蔽层，内部由多根芯线组 成。多芯使用于成组传送的信号线路。 总屏蔽对绞电缆：芯线为一对或多对双绞导线，外有一层屏蔽层。这种电缆 既能抑制磁场干扰，又能抑制电场和电磁场干扰，所以多用它传送要求较高 的信号。 内屏蔽( 对绞) 电缆：每对芯线( 或双绞导线) 都有各自的屏蔽，有时外面 还有一总屏蔽层。这种电缆价格很贵，只用于成组地传送不同性质而且要求 很高的信号，不仅能抑制外部干扰，还能抑制信号线间的串扰。 图2 6 ( a ) 是一种四层屏蔽的多芯屏蔽屏蔽电缆，芯线为两对双绞线和两根 直导线组成。图2 6 ( b ) 是一种有8 对双绞芯线的单层屏蔽双绞线。屏蔽双绞线 第二章多芯电缆抗干扰分析的基本理论 ( b ) 图2 6 多芯屏蔽电缆示意图 7 ( s t p ) 的抗干扰能力很强，不易发生信号衰减，但由于成本很高，安装困难，加 之普通双绞线( u t p ) 的使用足以满足通信电子设备对电磁兼容性的要求，因此 s t p 的应用非常有限，仅被少数大公司如i b m 采用为网络传输线。s t p 无论从材 料、加工工艺、安装方式、物理结构等方面都能保证有良好的屏蔽性能和抑制干 扰、降低辐射泄漏的性能，它所产生的辐射场在屏蔽体和绞环的双重作用下得到 相当大的衰减。 从上面的介绍可以看出，多芯电缆的芯线类型多种多样，常见的均为不同类 型的组合，主要包括平行双线、双绞线、同轴线等，各类芯线结构及电路形式如 图2 7 所示。 r 一ih i 卜i 一 ( a ) 平行双线结构电路图 ( b ) 双绞线结构电路图 卜一j 一 ( c ) 同轴线结构电路图 图2 7 多芯电缆芯线结构 8多芯互连电缆抗干扰技术研究 平行双线( 又称双裸线) 是最简单的传输介质，但由其构成的线路线间串扰 现象非常严重，导致这种线路传输距离很短，传输速率低，所以现在已很少采用。 双绞线也称双纽线，仍是现在应用最广泛的传输介质之一b 】。把两根互相绝 缘的铜导线用规则的方法扭绞起来就构成了一对双绞线，采用这种结构是为了减 小相邻导线之间的串扰。双绞线既可以传输模拟信号也可传输数字信号。由于它 的传输速率低，故一般用于小型局域网中各计算机间的连接。 双绞线一个主要的缺点是存在较强的趋肤效应，所以在低频传输时损耗较小， 高频传输时衰减大，使得传输距离受到限制，最远只可传输十几公里。 在计算机网络中应用最广泛的传输介质是同轴电缆。同轴线由单股实芯或多 股绞合的铜质芯线( 内导体) 、绝缘层、网状编织或金属箔屏蔽层( 外导体) 以及 保护外层所组成。因内导体和外导体有一个共同的轴而得名。 由于外导体的作用，外来的电磁干扰被有效的屏蔽了，因此同轴电缆具有很 好的抗干扰特性，并且因趋肤效应所引起的功率损失也大大减小了。同时，与双 绞线相比，同轴电缆具有更宽的带宽和更快的传输速率，可以支持大量的设备， 并且传输的距离相对较远。同轴电缆的价格介于双绞线和光缆之间，并且安装方 便，适用于各种大型计算机网络设备连接。 2 2 2 多芯电缆泄漏机理分析 普通多芯电缆泄漏机理 普通多芯电缆的耦合机理如图2 8 所示。每根导线上的电流引起的电场在其 它导线上产生感应电流，形成互电容耦合；同样，导线上的电流在周围引起的磁 场与其它导线回路相交链，形成互电感耦合；由于导线上的电流是随时间变化的， 引起的电场、磁场也是时变场，从而在其它导线上感应出随时间变化的电流。同 时，载有时变电流的导线也将产生时变电磁场，由天线效应向外辐射电磁能。 图2 8 普通多芯电缆的泄漏 图2 。9 管状屏蔽电缆的泄漏 多芯屏蔽电缆的泄漏机理 电缆屏蔽体根据结构形式的不同可以分为两大类：无孔缝的管状屏蔽体( 如 热缩管、波纹管、铝箔包带等) 及有孔缝的屏蔽体( 如编织网等) 。 第三童墨蔓皇丝垫王垫坌堑塑茎查里垒 一9 _ _ _ 一一 管状屏蔽电缆是用铝带或其它金属带包绕芯线构成金属全密封屏蔽层，其 电磁泄漏模型如图2 9 所示。管状屏蔽体在高频时屏蔽效果好，低频时如果屏蔽 体很薄，则会以扩散方式向外耦合。芯线电流在屏蔽层上所产生的感应电场、 磁场会与其它导线形成电容、电感耦合，产生感应电流；屏蔽体表面电流也将 产生辐射场。 函2 替n 。 图2 1 0 编织屏蔽体的特性参数 编织屏蔽电缆是用带镀层的细铜丝编织层构成的屏蔽层，制造简单，缆体柔 软，是最普通和最常用的屏蔽电缆。这种屏蔽体的结构特性参数有屏蔽层半径a 、 编织体内的编柬数b 、截面数p 、编束内的导线数n 、导线直径d 及编织角0 ，如 图2 1 0 所示。 编织角 填充部分： 0 ：t g 4 + + a p 。 b f ：p n d n d ：望塑 s i n 0w4 r t a c o s 0 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 投影覆盖率( 编织密度) ： k = 2 f f 2( 2 8 ) ( a ) 磁场泄漏不意图( b ) 电场泄漏示意图 图2 1 i 编织型屏蔽电缆的泄漏 编织屏蔽电缆的屏蔽效果随投影覆盖率( 编织密度) 的增加而提高，这将会 在后面的算例中以得到验证。但是由于编织层随时间的增加而逐渐氧化，编织导 线间的接触电阻变大，屏蔽效果随之减少。编织屏蔽电缆的电磁泄漏主要是由编 织孔缝所引起的1 1 6 1 ( 图2 1 1 ) ，芯线电流在周围引起的磁场有一部分穿过编织孔缝， 1 0 多芯互连电缆抗干扰技术研究 与其它导线回路相交链，引起互电感耦合，由芯线电位引起的电场会穿过编织孔 缝与其它导线产生电容耦合；同时，芯线和屏蔽层会由天线效应向外辐射电磁能。 2 3 传输线理论分析模型 2 3 1 经典传输线方程 对于图2 1 2 所示的正弦激励均匀平行双导体传输线，由传输线理论【1 7 】可知， 在导线上有分布电阻和分布电感，导线间存在分布电容和由于绝缘不完善而有分 图2 1 2 传输线方程推导模型及其等效电路 布电导。所以为了推导其传输线方程，需用分布参数理论，选取一无限小线元d z ， 可将其视为集总参数电路。利用k i c h h o f f 定律可导出如下均匀传输线方程 豪一( r + l 蚤i ( 2 - 9 a ) 夏o i = 一( g + c o ) v ( 2 9 b ) 对于无耗传输线，忽略电阻r 及电导g 的影响，上两式变为 夏2 叱一a t ( 2 1 0 a ) ? i 一加 夏2 叫一o t ( 2 1 0 b ) 以上推导是基于双导线传输线系统，可以将其推广至三导体传输线系统，就 得到下一节的结果。 2 。3 2 本文采用的芯线模型 ( 1 ) 裸线传输线 以裸线传输线为例，考虑图2 1 3 ( a ) 所示的地面上方水平放置的两根裸线， 其中有正弦激励源的为发射导体，另一根为接收导体，图中的地面在本文中统称 为参考导体，可以将其看作是两芯屏蔽电缆的屏蔽外导体或三线传输线的参考大 髂= 章秽芯电缀抗干扰分辑驹基零蠼论 地，该静考导体强其它两根搀输凌提供了一个低阻抗的麓共蛾酾路。豳于传输线 姆建嚣瀚存在努瘴参数，建既霹德逢鬻每蘸蕊徐绫蕾箨三导傣镣辕线。 鑫) 溉嚣土方簿誓簿譬瓣绫祷羧壤嬉 燃2 + 1 3 浚发簿线土壤霞长魔鳃壹魄隧，叁窀惑器裁噬容癸黪隽、。藉岛虢羧线上挚 健长袋麴自电凇、鑫魄感和囊魄容分别搀r 曩、l r 承i c r ，灏线渊豹互魄感和互魄露 羚褰蕊k 嚣c 燃，经取一涎蹑小淡遣z ，镣效邀鼹懿整莹+ 1 3 b 瓣暴。 巢嬲k i c h h o f f 电援粮电流蹴律，萄褥传翰绒方程； 下d r ( z ) 。- ( r 十j 畦0 羲母 n z 掣。- j 耱c v ( z ) a z 遵孛羲 努爨淹糕毫菠鬻穗邀滚海蓑，r 、l 、嵇黪蘩斑藕链蕞缀邀鏊、壤戆、瞧餐 矩蓐。 ( 2 ) 瓣薮奄缆 辩于管状遐轴瓣漱魄缆；懿踅2 。1 4 ( a ) 燧示地粼上方嫩警敷鼗懿嶷导搭蛰 蒜一 磊 榭i 冀宁? 冀磅i 黾 乙+ 瓣銎| 三鬻：j 篷支一l 舻蠲 a ) 越强土骞瓣轴电缆 拯肉融蹲等簸瞧骚 胬2 - 1 4 状黪薮奄缝，雀终都壤瓣捧爨下，在鬓耥表蘑感建逡穗滤澄穗嚣送遥。 掰戳屏蔽诱凌辘辩总电流海k 魄毗，英审j 。为屏蔽层肉黼路电流，i 伽l 为屏 簸藤努鼷鼹电滚，粼鬯滚l 蒋在瓣蘸痞煞斑耱铡努粼感藤蹬辘囊戆邀饔蕊鼗 嚣o 。英糕踅关蘸帮表兔； ) ) 糠 q o 袍 忿 兰童垄三垄皇塑垫王垫垫查堑塞 吲= 臣驯瑚 ( 2 1 2 ) 式e e z ；为屏蔽体单位长度表面自阻抗，z 。为屏蔽体单位长度表面转移阻抗。 表面转移阻抗反映了电缆屏蔽层一个表面上的电流和其在另一个表面上感 应电场的关系。管状屏蔽体的表面转移阻抗z ，称作扩散阻抗，记为： z d = z t 。 图2 1 4 ( b ) 为内回路在d z 段上的等效电路图，图中z 为芯线的单位长 度阻抗，l 、c 分别为单位长度电感和电容，电流i i 。沿屏蔽层内表面产生一 个电压降z 。d z i ，。，等效电压源z t i o 。d z 表示了外回路的影响。分别利用 k i c h h o f f 定律中的电压和电流定理，可得内回路的传输线方程为： 旦：! 型= 一( z 。+ z 。+ j c o l ) i 。( z ) + z t i 。( z ) ( 2 1 3 a ) d l i ( z ) ：一j c o c v ( z 、 d z 。 ( 2 1 3 b ) 对于编织屏蔽电缆，透过屏蔽体上的编织孔缝将产生附加的电感、电容耦 合。可用转移电感p ，转移倒电容s t 反映这种通过孔缝的耦合。对于管状 ( a ) ( b ) 图2 1 5 传输线方程推导截面图 屏蔽电缆p ，为零，而对于编织屏蔽电缆，由于屏蔽体上的编织小孔以及屏 蔽体上有并不沿着z 轴的传播方向，从而使得，不为零。转移倒电容s ，是 由于电力线穿过屏蔽体而产生的。编织屏蔽体的f ，、s ，由屏蔽体上编织孔 的磁极化率和电极化率来决定的。关于z ，和s t 的定义及计算公式见1 1 6 j 。 假设编织屏蔽电缆的内导体和屏蔽体都是良导体，取- - 4 段电缆，如 图2 1 5 所示，在内导体和屏蔽体间取造一长为z 的截面( 图2 1 5 ( a ) ) ， 蔓三整堑堇袅整垫王热熊堑塑燕查里垦 一旦 _ m m _ 一 。 在诧截蔼内国f a r a d a y 定理和k i c h h o f f 电压煮疆可得： v ( z + a z ) 一v ( z ) = - j ( l a z i c - t a z i s ) ( 2 - 1 4 ) 式中i 。为芯线上的电流，i s 为屏蔽体上的总电流t l 为同轴电缆单位长度 雏爨感。 间样，如图2 1 5 ( b ) 所派，在屏蔽体和内导体之间沿内导体蹬周构造个 l l 台亵辕嚣，在这个嚣疆嚣土崮a m p e r e 定理翻殛e h 酗霞毫流定理霹褥： t c ( z + z ) 一l c = j q c ( z ) ( 2 一1 5 ) 式中q 。是内鼯体z 暾上的总电荷量，q s 魁屏蔽体上的电荷缀，且确 v a z = s q c 一是镳 2 一t 6 ) s 为网轴电缆单位长发的例电容，对予匿桂瓣蔽体崔 s = 1 n ( 生) 2 群 r w 1 5 0 d b ) 时的功率放大器 标准单步衰减器 ( 2 ) 信号接收机 低噪声放大器频谱分析仪 ( 3 ) 磁环 ( 4 ) 屏蔽连接器 ( 5 ) 5 0 q 同轴负载 ( 6 ) 网络分析仪 ( 7 ) 被测电缆试样，长为1 米。 ( 二) 测试装置 测试装置同注入线法，测试装置见图3 6 。 图中： a ，b 被测电缆与接收机及终端负载的连接屏蔽盒 c ，d 同轴连接器 x 被测电缆：d 屏蔽室的壁面； g 信号发生器；f 测试接收机 g 注入线的支撑装置；h 屏蔽被测电缆的铜管； i 注入线的馈电电缆( 厶+ 2 工) ；k 从信号发生器出来的馈电电缆： 蔓三塞垒苎皇堡丝墨蔓熬堕墨基塑堇查鎏一2 5 m 磁环( 长度i 黩似为5 0 m m ) ；q注入线 在安装测试装置时，要注意： ( 1 ) 将被测电缆测试长度外的部分应用铜镣加以屏蔽，铜餐和线缆应保持凫好 的电滚接，铺管和醐 被铡部分韵连接应避免属服威力，以防机械损坏。 ( 2 ) 对多芯屏蔽电缆连接器作“单芯”处理，即把所有芯绒在两端都连接起来， 将其姿作一个“雨轴窀缆”，终端受裁接5 0 q 。 ( 兰) 测试原理 莱耀潮络分辑纹溺密霹藏电藐在羧测颓段上静驻波毙v s w r 。稠糟所测得的驻 波比v s w r 可计算出被测电缆网路的特性阻抗 z = z j v s w r( 3 - 3 1 ) 然后，出式( 3 - 3 2 ) 测试出系统的耀合损耗a t ，进两搬据( 3 - 6 2 ) 获褥屏蔽 层的转移阻抗z t 。 a t = 2 0 1 9 ( v m v ”)( 3 - 3 2 ) z ，= ( 2 硒zo l z n 21 0“t船。(3-33) 其中；v ”一藕舍戮技铡隧鼹孛戆毫篷 v ，”一进入淀入线的实际电压 厶l 一注入线静特性辍挠5 0 q z ”一被测电缆的特性阻抗 ( 四) 测试步骤： ( 1 ) 测试注入线的特征阻抗，对注入回路进行阻抗既配 ( 2 ) 测试被涮电缆驰驻波魄； ( 3 ) 按图3 6 装配测试装鬣# 2 6 一一 童蔓至垄皇堕垫王鲨婴塞 一一一 _ - _ _ _ _ - _ 。”。一一 ( 4 ) 连接信号发生器的输出和接收机的输入，建立参考电平； ( 5 ) 连接信号发生器和终端c ，接收机和终端d ，测量并记录注入回路插入损耗； ( 6 ) 连接信号发生器和终端b ，接收机和终端a ，测量并记录被测电缆的插入损 耗： ( 7 ) 将信号发生器和终端c 连接，用适当的阻抗分别与终端b 、d 连接t 测量近 端传输函数： ( 8 ) 将信号发生器和终端d 连接，用适当的阻抗分别与终端c 连接，测量远端 传输函数； ( 9 ) 测试低的传输函数时，对终端a 、b 应进行屏蔽。 测试时应注意在进行低频( 几k h z ) 远端测试时，由于地线的分流，导致注入电 流变小，影响到测量精度，为此须采取下列任种措施加以解决： 不做远端测量； 在注入线的同轴馈线上加共模扼流圈： 对信号发生器及接收机的电流线采用隔离变压器； 具体测试时，根据频率范围进行以下测试： 当频率小于1 m h z ( f 1 m h z ) 时，采用近端测试； 当频率介于l m h z 和1 0 m h z 之间时( i m h z r ，端接阻抗主要取决r j 乙 高频：很大，x ， r ，端接阻抗主要取决于c ； 在一定频段内，x c 与r 的数量级可以比拟，则端接阻抗由r 、c 共同决定。 因此接地时应注意在不同频率范围需主要控制的因素。 4 2 2 压接旋接方式的端接模型 这两种方式一个共同之处是屏蔽层与连接器之间几乎完全接触，在端接处能- 够保证芯线3 6 0 。的完整屏蔽。我们也可将其等效为电阻与电容的并联( 图4 1 ) ， 与卡接不同的是，由于接触较为完全，压接和旋接方式在高频时能保证连接器与 地之间的电容很小，因此，在高频尤其是射频同轴电缆屏蔽层的接地中，广泛采 用压接和旋接方式，至于具体采用哪一种，视射频同轴连接器的类型而定。 目前，由于压接式安装方法工作效率高、端接性能可靠，且专用压接工具的 设计确保生产出来的每一个连接器都是相同的，所以随着低造价安装工具的发展， 焊接中心导体，压接屏蔽层应用最为广泛。 4 2 3 焊接方式的端接模型 焊接方式的屏蔽层与连接器在端接处是通过几点焊接在一起的，可将其等效 为电阻与电感的串联( 图4 2 ) 。 ar l b o t n l o ( 屏蔽层)( 莲接器) 图4 2 a b 两点端接阻抗 r a b = r + j c o l ( 4 2 ) 式中，l 由屏蔽层接地自电感和高频时直流阻抗演变为高频阻抗中虚部等两部 分构成。高频时，由于终端不能完全屏蔽，将会产生较大的接地阻抗和泄漏，目 前已很少采用。因此，这种端接