电磁兼容(第二章)电缆布线

第二章电缆布线

第一节容性耦合

第二节感性耦合

第三节屏蔽对磁性耦合的影响

第四节磁性耦合的实验数据

第五节

常用电缆本章主要介绍：电缆与电缆的屏蔽。内容包括：电缆与场以及电缆与电缆之间的耦合机理。由于电缆是系统中最长的局部，所以它类似一个拾取和辐射噪声的高效天线。因此电缆布线在电磁兼容设计过程中就变得十分重要。本章主要内容本章的适用范围：本章中，我们作如下假设：1、电缆屏蔽层使用非磁性材料，在感兴趣的频率上其厚度远小于集肤厚度；2、接收器与源的耦合不是很紧密，不会影响负荷能力；3、接收电路的感应电流很小，不会使原来的场失真；4、电缆的长度小于信号的波长；为什么要定义这些呢？

本章的适用范围：电缆信号间的低频感应耦合两导线间的容性耦合：第一节容性耦合1、2间耦合电容1对地电容2对地电容和电阻当我们把导线1上的电压V1当做噪声源，导线2当做敏感电路或接收器时，任何直接连接到源上的电容都可以忽略，电路可等效为：两导线间的容性耦合等效电路利用复阻抗的概念我们不难得出：V1C12RC2GVN12这有什么规律吗？1G212G21212NV)CC(R/1ωj)]CC/(C[ωjV+++=1、当：)CC(ωj1RG212+<<RVCωjV112N=噪声电压直接正比与：噪声源的频率、耦合电容、噪声源电压以及接收电路对电阻电场耦合可以看作是一个连接在接受电路与地之间的电流源RVN12112VCωjRVCωjV112N=I这在大多数情况下，都是正确的。此时：减少噪声电压的方法：

一般噪声源的频率和电压都不能改变，所以我们只能通过小耦合电容或接收电路的电阻来降低噪声电压。

耦合电容的减小可以采用合理放置导线的位置、屏蔽或增加空间距离的方法实现。增加空间距离是常用的方法。

导线间距对电容性耦合的影响

导线间距是导线直径3倍时，耦合为0dB；

当导线被分开距离大于其直径40倍时，就在也得不到有效的衰减。

R呢？

2、接收器输入电阻很大时：

这种情况下：接收器上噪声电压的大小取决于耦合电容和接收器对地电容的分压比。噪声电压与频率无关，并且比接收器输入电阻较小时大得多。

)CC(ωj1RG212+>>此时：1G21212NV)CCC(V+=噪声电压总是小于或等于：3、噪声电压与频率的关系：V1C12RC2GVN12频率噪声电压VN1G21212NV)CCC(V+=RVCωjV112N=ω噪声电压最大值：噪声电压转折频率：)CC(R1ωG212+=RVCωjV112N=1G21212NV)CCC(V+=1、接收器输入电阻无穷大屏蔽对容性耦合的影响V1C1GCSGC1S12VsC2SV1VS12CSGC1SC2S等效环绕导线2放置一个屏蔽层，屏蔽层拾取的噪声电压为：1SGS1S1SV)CCC(V+=因为没有电流流过C2S，导线2拾取的噪声电压为：SNVV=如果屏蔽层是接地的，VS=0，那么导线2上的噪声电压也相应减小为0。我们不难计算出，导线2上的噪声电压为：V1C1GCSGC1S12VNC2SV1VN12CSGC1SC2S等效C2GC12C12C2G等效V1C12C2GVN12C2S1S2G21212NV)CC(CCV++=好似似曾相识哦？

当然这是一种理想的状态。实际使用时，中导线通常都会延伸到屏蔽成之外。由于中心导线的延伸，即使将屏蔽层接地，也会有噪声耦合到导线2上。〔1〕最大限度地减小中心导线延伸到屏蔽层之外的长度；屏蔽线的使用方法2、接收导线对地输入电阻有限大小：V1C1GCSGC1S12VNC2SV1VN12CSGC1SC2S等效C2GC12C12C2G等效V1C12C2GVN12C2SRRR当：大多数情况下，都是正确的。此时：RVCωjV112N=)]CC(C[ωj1RS2G212++<<原来特性都一样啊〔2〕为屏蔽层提供一个良好的接地。当电缆长度不超过1/20波长时，单点接地；而对于长电缆，需要多点接地。

当电流I流入一个闭合回路是，会产生磁通量Φ，它与电流的大小成正比，比例常数是自感系数L:

Φ=LI第二节感性耦合1、根底知识

当电流流入一个闭合回路，并在另一个回路中产生磁通量是，回路1和回路2之间存在互感M12:11212IφM=

法拉第定律：磁通密度为B的磁场，在面积为A的闭合回路中产生的感应电压为：∫=BdAdtdVN-如果闭合回路固定不变，而磁通密度随时间呈正弦变化：

θcosBAωjVN=感应噪声与被干扰回路面积的关系：

θcosBAωjVN=磁通量11212IφM=1NMIωjV=磁通量减小感性耦合的方法：为了减小噪声电压，B、A、cosθ都必须减小。可以通过电路的位置分开或采用绞合线的方法减小B。感性耦合的根本公式：θcosBAωjVN=1NMIωjV=两个回路间的磁场耦合：

V1R1VNI1.M.R1R1RR1V1R1I1M12磁场耦合与电场耦合的区别：1、磁场耦合产生的噪声电压，是串联在接收到线之中的；磁场耦合与电场耦合的区分方法：测量电缆一端阻抗上的噪声电压，同时减小电缆另一端的阻抗，如测得的噪声电压减小了，是电场耦合；假设测得的电压增大了，那么是磁场耦合。112NVCωjI=R1VR2R1VR2VNIN电场耦合磁场耦合1NMIωjV=为什么？2、电场耦合噪声电流使在接收导线和地之间产生的。要想求出磁场耦合噪声电压的值，必须要源和接收电路之间的互感。2、互感的计算

我们需要首先确定载流导线的距离对磁通密度大小的影响。根据毕奥-萨伐尔定律：无限长载流导线距离r处的磁通密度为：rπ2IμB=

利用毕奥-萨伐尔定律，可以分别计算每一根载流导线耦合到拾取环路的磁通量，然后叠加所有计算结果，获得总的耦合磁通量来确定互感。例：计算两个嵌套的共面环路之间的互感，假设环路的长遥远远大于其短边〔短边耦合可以不计〕。导线1、2上电流为I1。求：导线3、4构成的闭合回路上的感应电压为VN。解：导线1中电流I1在导线3、4形成的闭合回路上产生的磁通量为：)abln(π2Iμdrrπ2Iμφ1ba112==∫由于回路结构对称，所以导线2也会产生相同大小的磁通量，因此耦合到导线3、4回路中的磁通量为：1I)]abln(πμ[φ=)abln(πμM=1NMIωjV=如果在导线2的周围放置一个未接地的非磁性屏蔽层，由于屏蔽层对导线1和导线2间介质的几何特征或磁特性没有影响，所以它对感应到导线2上的电压也没影响。所以屏蔽层上拾取的电压只决定于导线1中的电流。第三节屏蔽对磁性耦合的影响V1R1VNI1..RR2RR1V1R1I1M1212M1SVS.M12M1S1S1SIMωjV=1S1SIMωjV=如果将屏蔽层的一端接地，情况也不会发生改变。所以，在导线2周围放置非磁性屏蔽层并将屏蔽层的一端接地对导线2上的磁感应电压没有任何影响。但是，如果将屏蔽层的两端接地，屏蔽层上的感应电压就会导致屏蔽层上有电流流动。屏蔽层上的电流将在导线2上产生另一个噪声电压。因此：必须先确定屏蔽层与中心导线间的耦合。

我们首先来看均匀轴向电流的管状导体所产生的磁场，如果管内的孔与管的外侧是同心的，那么管内空腔无磁场。1、屏蔽层和内导线间的磁性耦合腔内没有场Ф电流流入纸面管状导体Ф电流流入纸面管状导体中心导线磁力线

现在我们将一导线放在该管中，构成同轴电缆，那么管状电流IS所产生的磁通量Ф将都环绕在管状导体之外，所以屏蔽层的电感为：SSIΦL=

屏蔽层与内导线的互感为：SIΦM=

因为所有磁通量都是由环绕中心导线的屏蔽层上的电流产生的，磁通量Ф是相同的，所以屏蔽层与中心导线的互感等于屏蔽层的自感。M=LS这是一个非常重要的结论，它说明：屏蔽层与中心导线的互感等于屏蔽层的自感；根据互感的互易性，那么中心导线与屏蔽层之间的互感也等于屏蔽层的自感。这个结论只有在空腔内没有磁场的条件下才是正确的，条件就是管为圆柱形，管壁的电流密度是均匀的，而和导体在管中的位置没有关系。

有了这个结论，现在我们就可以计算因屏蔽层上的电流IS而感应到中心导体上的噪声电压VN了。2、屏蔽层感应到中心导体上的噪声电压设屏蔽层上的电压为：VS，那么屏蔽层上的电流为：)L/Rωj1(LVISSSSS+=

那么中心导线上的噪声电压为：SNMIωjV=即：所以：)L/Rωj1)(LMVωj(VSSSSN+=MLS=SSSNV)L/Rωjωj(V+=

直流时，感应到中心导体的噪声电压为0，当频率为转折频率的5倍时，中心导线上的噪声电压等于屏蔽层上的电压。

转折频率为：SSLRω=SSLRω=ω5中心导线2的磁性耦合噪声为：

3、裸线与屏蔽导线间的磁性耦合V1R1I1VSLSRSISV2VC1源导线S屏蔽体2中心线M1SM12MS2C2NVVV=-导线1耦合到中心导线的噪声为：

1S1SIMωjV=导线1耦合到屏蔽层的噪声为：1122IMωjV=屏蔽层耦合到中心导线的噪声为：

SSSCV)L/Rωjωj(V+=由于屏蔽层和中心导线的空间位置相同，所以：12S1MM=1122SIMωjVV==由此可得：)L/RωjL/R(IMωjVSSSS112N+=

屏蔽层电缆中心导线的磁性耦合噪声为：)L/RωjL/R(IMωjVSSSS112N+=如果噪声源的频率ω很小，那么括弧中的局部将为1。那么中心导线上的噪声电压将与为屏蔽电缆相同；如果噪声源ω很大，VN可化简为：)LR(IMVSS112N=即：频率大于ω=RS/LS〔屏蔽层截至频率〕是，中心导线上的噪声电压将不再增加，保持为某一数值不变。实际中，为衡量屏蔽电缆噪声的抑制能力，将未屏蔽电缆的曲线与屏蔽电缆曲线之差，称为电缆的屏蔽效能。屏蔽电缆噪声与频率的关系及屏蔽效能屏蔽电缆的磁耦合等效电路

实际中，我们可以将屏蔽层两端接地的屏蔽电缆等效为耦合不是很紧密地变压器，那么我们可以看出，屏蔽层的作用就像变压器中的一个用于短路中心导线上噪声电压的短路匝。为了防止辐射，我们可以对干扰源进行屏蔽。4、防磁性辐射的屏蔽自由空间中载流导线单点接地屏蔽线两端接地屏蔽线空间中存在电场和磁场电力线终止在屏蔽层上，对磁场影响很小屏蔽层上电流如果和中心导线上电流大小相等方向相反，屏蔽层外没有场

为了防止电路进行磁场辐射，屏蔽层必须进行两端接地。两端接地电缆的防辐射屏蔽

那么，电流是如何在地与屏蔽层中分配的呢？沿着地环路A-RS-LS-B-A的网孔电压方程为：

Ｍ为屏蔽层与中心导线间的互感，Ｍ=LS所以：

由此可以看出，由于屏蔽层与中心导线间互感的存在，同轴电缆相当于一个共模扼流圈，在高频情况下屏蔽层提供了一个总电路电感小于地平面的回流路径。当频率下降到低于5ωc时，因为有越来越多的电流流过地平面，所以电缆屏蔽层中的电流也就越来越少。是不是有些眼熟呢？单端接地电缆的防辐射屏蔽原理与两端接地电缆完全相同。但是如果电路只有一端接地，另一端不接地，那么屏蔽层的另一端也不能接地。这是因为防辐射屏蔽要求回流电流应当全部留过屏蔽层。在频率小于屏蔽层截止频率时尤其如此。假设将屏蔽层两端接地，那么会因为局部电流经过地平面而导致屏蔽效能下降。总结：为了防止磁场辐射，屏蔽层应当两端接地。当频率远大于屏蔽层截止频率时，屏蔽层能提供一个良好的磁场屏蔽。磁场辐射的减少不是因为屏蔽层的磁屏蔽特性的奉献，而是因为屏蔽层上的回流电流产生的磁场抵消了导线的磁场。我感到有点乱单端接地电缆的防辐射屏蔽

接收电路防磁场干扰的最好方法是减小接收环路的面积。这里说的面积是指接收电路中流动的电流所封闭包围起来的面积。需要特别注意的是电流回到源所走的路径。5、接收器的磁场屏蔽通常，实际的电流回流与设计师想的路径并不完全相同，所以环路面积也会改变。如果环绕导体周围的非磁性屏蔽层导致电流回流路径包围的面积很小，那么屏蔽层将能提供一些磁场保护。然而，这种保护是环路面积的减小提供的，与屏蔽层的任何磁屏蔽特性无关。屏蔽层对电路环路面积的影响无屏蔽层时环路面积屏蔽层单端接地环路面积不变屏蔽层两端接地环路面积变小屏蔽层两端接地时的接收器磁场屏蔽

频率大于5倍的屏蔽层截止频率时，电流回流只经过屏蔽层，回路面积减小，可以提供一定的接收器磁场屏蔽；当频率小于屏蔽层截止频率时，屏蔽层两端接地也不能提供接收器磁场屏蔽。屏蔽层两端接地时的对接收器的其它影响：

1、因为屏蔽层也是电路中的导体之一，其中的任何噪声电流都会在屏蔽层上产生IR压降，并在电路中形成为噪声；2、如果屏蔽层两端的地电位不同，也会在电路中引入噪声电压〔第三章中将对屏蔽电缆两端接地进行研究〕。两端接地时屏蔽层中电流对接收器的影响电路中，电流IS是由于地电位差或外界噪声耦合而产生的屏蔽层上的噪声电流。假设沿着输入环路将电压加起来，可有：SSSSSINIRILωjMIωjV++=-所以：

由此可见：任何时候只要屏蔽层上有噪声电流，都会在接收器上产生噪声电压。即便是屏蔽层只有一端接地，由于屏蔽层的容性耦合屏蔽层上仍可能有噪声电流流动。因此，为了在低频是最大限度地防止噪声，屏蔽层不应作为信号导线之一，并且电路的一端必须与地隔离。高频是，同轴电缆包含3个孤立的导体：中心线、内屏蔽层和外屏蔽层。由于集肤效应的存在，屏蔽层内外外表彼此隔离，因此以上噪声不会发生，因为信号在屏蔽层内外表上，噪声电流在外外表上，他们之间没有公共阻抗。屏蔽转移阻抗

电缆的屏蔽效能也可以用屏蔽转移阻抗来表示。屏蔽转移阻抗是电缆屏蔽层的特性，它表示中心导线和屏蔽层之间单位长度的开路电压与屏蔽层电流之间的关系，可以表示为：

ZT为转移阻抗，用Ω/m表示；IS为屏蔽层电流；V是中心导线与屏蔽层之间感应的开路电压；l是电缆长度。低频时，转移阻抗等于屏蔽层的直流电阻高频时由于集肤效应，转移阻抗下降，电缆的屏蔽增大。频率继续增加后，屏蔽层电流只在外外表流动，消除了两个电流间的公共阻抗耦合实芯屏蔽层转移阻抗归一化曲线第四节磁性耦合的实验数据下面是对各种不同电缆配置的磁场屏蔽性进行的测试比较，测试装置如下：

对于所有被测电缆来说，频率50kHz都大于其5倍的屏蔽层截止频率。以两端接地电路，屏蔽层不接地电缆，中心导线的噪声电压为参考电平〔0dB〕。两端接地电路实验测量：

屏蔽层一端接地，电流回流面积不变，无衰减

屏蔽层两端接地，因噪声频率大于屏蔽层截止频率，可以提供磁场防护。如果不受电路两端接地形成的地环路影响，这种保护作用更大。

使用双绞线，可以更大程度地降低磁场噪声。由于电路两端接地形成的地环路影响，削弱了它的效果。

屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地，没有比直接使用双绞线取得更大的噪声衰减。

屏蔽双绞线，屏蔽层两端接地，由于低阻抗屏蔽层可将一些磁感应地环路电流从信号线中分流，所以与双绞线相比，取得15dB的附加衰减。单端接地电路实验测量：

由于没有了地回路噪声地，屏蔽电缆比双端接地电路，取得53dB的附加衰减。

去除地回路噪声地，双绞线也取得53dB的附加衰减。

我们希望双绞线能有更大的衰减，双绞线屏蔽效能的降低是因为此时出现了一些电场耦合，通过在双绞线上放置屏蔽层，可以获得15dB的附加衰减。

这种连接方式虽然也能去除电场耦合，但是屏蔽层地回路噪声会产生噪声影响，可以看出屏蔽性能降低了7dB。

这种连接方式提供了更好的磁衰减效果，取得了7dB的附加衰减。但是由于屏蔽层上的任何噪声都能进入信号线，所以一般不采用。把屏蔽层和信号线单点接地几乎总会有最好的效果，这是因为屏蔽层上的噪声电流不必经过信号线就可以回到地。第五节常用电缆一、同轴电缆和屏蔽双绞线从信号传输的观点来看，在频率低于100kHz时，屏蔽双绞线是最有用的，在一些应用中，它的使用频率也可到达10MHz，但在1MHz以上，屏蔽双绞线上的损耗会显著增加；

另一方面，同轴电缆就有更加一致的特性阻抗和更低的损耗。所以，从0Hz到VHF频段，同轴电缆都很有用，有些应用甚至可以延伸到UHF频段。但在几百兆赫以上时，同轴电缆的损耗增大，波导变得更适用。由于屏蔽双绞线比同轴电缆具有更大的电容，所以不宜在高频或高阻电路中使用。同轴电缆单点接地能够在很大程度上减小容性耦合的噪声，但是如果噪声电流在屏蔽层中流动，就会产生噪声电压，噪声电压的大小等于屏蔽层电流乘以屏蔽层电阻。由于屏蔽层是信号线的一局部，所以这个噪声会窜入输入信号表现为噪声形式。双层屏蔽电缆〔有两个屏蔽层且层间绝缘〕能够消除因屏蔽电阻产生的噪声。此时，噪声电流在外屏蔽层上流动，信号电流在内屏蔽层上流动，两个电流不流经公共阻抗。

但双层屏蔽电缆即昂贵使用难度又大，高频时由于集肤效应，可将同轴电缆看作是双层屏蔽电缆。对于一个典型的屏蔽电缆，频率大于1MHz集肤效应就开始变得十分重要了。

屏蔽双绞线也具有类似的双层屏蔽电缆的特性，而且不像双层屏蔽电缆那么昂贵难用。屏蔽双绞线信号流入两根导线，所有噪声电流流入屏蔽层，这样就不存在公共阻抗耦合。除非电路终端是平衡的，否那么双绞线对容性耦合几乎没什么保护作用，但是它对磁场耦合的保护却非常好。屏蔽双绞线对低频信号提供了最好的屏蔽，双绞线的屏蔽效果随单位长度内绞合次数的增加而增大。二、编织屏蔽层

实际中，大多数电缆都采用编织的屏蔽层而不是实心的导体屏蔽层。编织屏蔽层的优点在于它的弹性、耐久性、强度和长的弯曲寿命。但是编织屏蔽层只有60%―98%的覆盖率，因此比实心导体屏蔽层的屏蔽效果差。通常，使用编织的屏蔽层对电场来说，屏蔽的效果减少的比较小；但对于磁场来说屏蔽效果那么要减少很多。主要原因在于编织屏蔽层破坏了屏蔽层上电流的均匀性。编织屏蔽层对磁场的保护效果比实心导体屏蔽层要低5―30dB高频时，编织屏蔽层的效果会进一步下降。这是因为随着频率的增加，编织层上的空隙与波长相比变得越来越大。多重屏蔽那么能提供更多的保护但本钱较高，弹性也会降低。双重甚至三重屏蔽电缆仅用于一些高要求的应用中。

薄的实芯铝箔屏蔽电缆有很强的实用性，能提供100%的覆盖率，并且对电场屏蔽更有效。不过它没有编织屏蔽层那么结实，因为具有较大的电阻所以截止频率更高，也很难恰当的端接。将箔屏蔽和编织屏蔽结合使用，能够利用好各自最好的特性，编织屏蔽层能提供360°的屏蔽端接，而箔可以覆盖编织层上的孔。三、“端接〞效应屏蔽层的屏蔽效果，取决于屏蔽层上电流分布的一致性，而靠近电缆终端的磁屏蔽效能取决于编织层的端接方式。错误的端接方法，虽然只占整个电缆长度的一小局部，但对总噪声的耦合却有很大的影响，这种现象称为：“端接效应〞。错误的端接方式，改变了屏蔽层上电流分布的一致性，从而导致“端接效应〞。合理的端接方式，没有改变了屏蔽层上电流分布的一致性，不会产生“端接效应〞。四、扁平电缆扁平电缆的优势在于它允许低本钱的多重端接，这也是它被广泛应用的主要原因；扁平电缆的另一个优点是它的可控性，扁平电缆中导线和方位都是固定的。这就防止了由于导线位置的随机性而导致的噪声从一个单元到另一个单元的耦合变化。扁平电缆信号线安排和接地导线的排列方式：1、集中接地

使用这种结构的优点是导线的数量最少，但是存在一些问题。首先，信号线和地之间形成了很大的环路面积，这将导致辐射和敏感度问题；其次信号线用同一个地回流路径，会产生共阻抗问题；最后信号线之间存在串扰问题。所以这种结构要小心使用，而且使用时地线应当分配到中间位置，以尽量减少环路面积。2、独立接地因为每根导线都紧挨着一个别离的地回流线，所以这种结构环路面积很小，而且也消除了公共阻抗耦合，导线的串扰也被减到最小。这是一种很好的结构，但是它需要导线的数量是信号线的两倍。3、分组接地线如果信号线是属于不同电路单元的，我们可以按照信号的功能，或者是信号的大小、频率的上下以及电路的敏感程度进行分组，不同的组采用不同的接地方式。辐射比较小的和抗干扰度强的电路，我们可以集中接地。辐射强和抗扰度低的信号线每根导线都有自己的地。这样做往往可以取得比较好的效果，同时也可以节省大量的导线。

对于性能完全相同的信号线也可以采用每两根或三根信号线进行一次接地的方法，这样也可以大量的减少导线。但仍会有接地和信号串扰问题。4、平面接地线

平面接地是通过在扁平电缆的下面放置导电的金属箔而实现的，信号线在整个电缆宽度范围