屏蔽線纜在EMC屏蔽方面的參數(shù)特性

提到屏蔽線纜，相信從事硬件行業(yè)的技術(shù)人員并不會(huì)覺(jué)得陌生。但是關(guān)于屏蔽效能、轉(zhuǎn)移阻抗、編織屏蔽、鎧裝、金屬箔等等屏蔽線纜的參數(shù)，相信沒(méi)有多少人了解。線纜作為連接各個(gè)子系統(tǒng)非常重要的橋梁，需要滿足安規(guī)要求，環(huán)境要求，唯獨(dú)電磁特性容易被忽視。從事射頻行業(yè)的朋友一般會(huì)關(guān)注同軸線纜的駐波、插損等特性，而從事EMC行業(yè)的同行則更多的關(guān)注線纜的屏蔽完整性，串?dāng)_等。

本文就系統(tǒng)的介紹屏蔽線纜在EMC屏蔽方面的參數(shù)特性，利用數(shù)學(xué)的手段，借助參考文獻(xiàn)中的大師和前輩的文獻(xiàn)描述和CST線纜工作室，盡量清楚的描述不同制作工藝下的屏蔽線纜特性。希望能夠幫助讀者清晰的認(rèn)識(shí)到線纜設(shè)計(jì)中的一些手段，避免不必要的成本花費(fèi)。

1、線纜屏蔽效能與轉(zhuǎn)移阻抗

1.1、定義

電纜屏蔽效能是從金屬介質(zhì)平板屏蔽效能引申而來(lái)，定義為在芯線電流不變條件下，電纜有無(wú)屏蔽層時(shí)空間某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)比值。

式中，為無(wú)屏蔽層時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)；為有屏蔽層時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。

工程應(yīng)用中，為了能夠方便快捷的得到屏蔽線纜的SE曲線，常常通過(guò)測(cè)試線纜的轉(zhuǎn)移阻抗，轉(zhuǎn)移阻抗主要用于表征外界電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽電纜的電磁耦合能力，定義為單位長(zhǎng)度上有單位電流流過(guò)屏蔽層時(shí)，在電纜芯線與屏蔽層間所形成的開路電壓：

式中，為屏蔽層電流；為單位長(zhǎng)度上的電壓。

1.2、編織屏蔽線纜的轉(zhuǎn)移阻抗

計(jì)算屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的解析方法是通過(guò)分析外部時(shí)變電磁場(chǎng)入射到電纜編織層上的電磁耦合機(jī)理，由電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)獲得轉(zhuǎn)移阻抗的計(jì)算公式。圖1是屏蔽電纜編織層的展開圖。描述編織層的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：（1）內(nèi)絕緣層的直徑；（2）單位長(zhǎng)度上編織層交叉的股數(shù)，即編織節(jié)距p；（3）編織層的編織束數(shù)C；（4）編織束內(nèi)的導(dǎo)線數(shù)N；（5）每根編織線的直徑d。已知上述5個(gè)參數(shù)，即可計(jì)算得到屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗。

Fig1、屏蔽電纜編織層的展開圖

考慮可能的電磁耦合機(jī)理，當(dāng)外部時(shí)變電磁場(chǎng)輻射到交疊不完善的編織層上時(shí)，將在編織層上發(fā)生散射、透射以及繞射。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，編織型屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的傳統(tǒng)理論計(jì)算公式為：

為編織層上感應(yīng)電流發(fā)生散射產(chǎn)生的散射阻抗，描述了瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射到編織層上的低頻特性，?隨頻率的增大而減小。為編織層上小孔耦合引起的孔電感，

為編織束編進(jìn)編出，切割編織層間的間隙力線引起的編織電感。

1.2.1、散射阻抗

Vance耦合理論提出的散射阻抗

其中，為集膚深度：

式中，為頻率，為屏蔽材料的磁導(dǎo)率，為屏蔽材料的電導(dǎo)率。

1.2.2、孔電感

Tyni耦合理論在Vance耦合理論的基礎(chǔ)上改進(jìn)了孔電感

其中

上面?的計(jì)算雖然在低頻段能夠較準(zhǔn)確的描述編織小孔的耦合效應(yīng)，但是在高頻段計(jì)算值通常高于測(cè)量值，有時(shí)差異還很大。這是因?yàn)楫?dāng)輻射到編織層上的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的頻率增加到一定值時(shí)，透射的電磁波遇到有曲率的編織網(wǎng)時(shí)所發(fā)生的衰減將變得不可忽略。為了描述這一效應(yīng)，王小鈴在其文章中提出了編織網(wǎng)曲率系數(shù)Coef對(duì)孔電感?的計(jì)算進(jìn)行修正，且Coef的值在0~1之間。

1.2.3、編織電感

Tyni首次定義了編織電感

當(dāng)時(shí)，

取負(fù)號(hào)是由于編織帶上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反。

當(dāng)?時(shí)，

式中，

兩個(gè)相鄰編織帶間的距離：

由編織電感進(jìn)行精確建模，即將編織束編進(jìn)編出引起編織層有效厚度的變化考慮進(jìn)的建模中。由上面的計(jì)算可知，既是對(duì)兩個(gè)相交叉的編織帶間的距離h進(jìn)行有效的建模。除此之外，要盡量減小在利用編織層的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算其它二次參數(shù)，如、、時(shí)引入不必要的誤差，影響轉(zhuǎn)移阻抗的計(jì)算精度。目前，大多數(shù)計(jì)算模型要不就是忽略了編織束編進(jìn)編出引起編織層有效厚度的變化，直接用進(jìn)行計(jì)算，要不就是用固定的計(jì)算公式進(jìn)行粗略估算，這兩種計(jì)算方法的計(jì)算精度均較差，甚至?xí)蟠笥绊懹行╇娎|編織電感的計(jì)算精度。Tyni首次提出根據(jù)編織網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)h進(jìn)行建模，公式如下：

然而，由編織網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可知，因此可知，則屏蔽層外徑

然而由圖1可知，編織層編織束重疊區(qū)域，編織束離開重疊區(qū)域，Tyni模型過(guò)高估計(jì)了編織層間的通量面積。于是利用對(duì)分技術(shù)，給出新的表達(dá)式來(lái)獲得和h，修正了這種近似，在減小計(jì)算編織層二次參數(shù)時(shí)所帶來(lái)誤差的同時(shí)獲得更加精確的h值：

Fig2、編織網(wǎng)內(nèi)外層磁通鉸鏈的面積

1.2.4、額外波動(dòng)效應(yīng)項(xiàng)

由圖3可知，現(xiàn)有轉(zhuǎn)移阻抗解析方法在計(jì)算高頻段屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)，計(jì)算結(jié)果普遍高于測(cè)量值。這是因?yàn)?，高頻瞬態(tài)電磁場(chǎng)在編織網(wǎng)上引起的響應(yīng)更加復(fù)雜，編織網(wǎng)內(nèi)外層編織束間的磁場(chǎng)引起的漩渦電流產(chǎn)生的額外衰減變得不可忽略。因此，在計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)必須考慮這部分的額外衰減。這部分相當(dāng)于在編織網(wǎng)上產(chǎn)生切向電場(chǎng)的漩渦電流，其中電場(chǎng)的大小正比于屏蔽層的電流和漩渦電流的電路電阻，而電阻取決于內(nèi)層編織束的表面電導(dǎo)率，同的額外波動(dòng)效應(yīng)項(xiàng)：

因此，獲得新模型計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗的完整表達(dá)式為：

轉(zhuǎn)移阻抗的引入對(duì)研究電磁兼容串?dāng)_和干擾帶來(lái)了很大的方便。但隨著電磁兼容技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，人們不僅關(guān)注電纜的抗干擾性，也關(guān)注電纜的輻射特性。許多電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格規(guī)定了產(chǎn)品的輻射限值，而且大量的電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備輻射超標(biāo)大部分是由于線纜引起。

2、轉(zhuǎn)移阻抗與屏蔽效能間的關(guān)系

2.1、文獻(xiàn)中對(duì)兩者關(guān)系的描述

從兩者的數(shù)學(xué)計(jì)算上可以看出，轉(zhuǎn)移阻抗強(qiáng)調(diào)的是單位長(zhǎng)度上線纜的物理參數(shù)，而屏蔽效能是以整條線纜為計(jì)算對(duì)象，因此兩者間的關(guān)系并不是對(duì)等的。王添文等在《屏蔽電纜屏蔽效能與轉(zhuǎn)移阻抗關(guān)系研究》一文中給出了線纜在0.01~1000MHz的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽效能仿真結(jié)果，下圖中可以看到，屏蔽效能與轉(zhuǎn)移阻抗間在數(shù)學(xué)關(guān)系上不是線性的，但總的來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)移阻抗越低，屏蔽效能則越高。

Fig4、不同參數(shù)屏蔽線纜的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽效能（來(lái)自文獻(xiàn)）

2.2、線纜屏蔽效能和轉(zhuǎn)移阻抗的實(shí)際計(jì)算

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)同軸線纜的數(shù)據(jù)比較容易獲得，于是我們采用RG58線纜對(duì)上面的結(jié)果進(jìn)行模擬，得到類似的結(jié)果，下面為RG58線纜的電氣特性參數(shù)，從中可以看出其屏蔽效能在1GHz以內(nèi)不小于40dB。

Fig5、某廠家提供的RG58線束參數(shù)

采用CST建立一根長(zhǎng)度為1m的RG58線纜，距離接地平面高度為100mm。下圖為該線纜屏蔽層參數(shù)，可以看到RG58采用編織屏蔽層，編織層線徑0.122mm，7根為1股，共有16股。

Fig6、RG58屏蔽層參數(shù)

分別獲取這段線纜的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽效能，如下圖所示，在1MHz以下，編織屏蔽層可以視為一個(gè)整體，該段頻率下的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽效能保持穩(wěn)定不變，轉(zhuǎn)移阻抗主要取決于屏蔽層的散射阻抗。當(dāng)1MHz~10MHz時(shí)，編織屏蔽層的孔洞帶來(lái)的影響變得不可忽略，孔電感隨頻率增加迅速增加，轉(zhuǎn)移阻抗開始變大，屏蔽效能逐漸降低。當(dāng)頻率高于180MHz，由于長(zhǎng)線效應(yīng)屏蔽效能開始按照震蕩下降。

Fig7、RG58線纜的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽效能曲線

同軸電纜對(duì)于磁場(chǎng)的屏蔽效能，可以通過(guò)比較電纜有屏蔽和無(wú)屏蔽的情況來(lái)了解。圖8-b表示電纜無(wú)屏蔽的情況。這里，由于磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電流流過(guò)信號(hào)源阻抗，并在負(fù)載上產(chǎn)生干擾電壓。如圖8-c所示，在有屏蔽連接的情況下，屏蔽層中的電流就像圖8-a所示的共模電流一樣在屏蔽層電阻上產(chǎn)生噪聲電壓，噪聲電壓也等于。若假定環(huán)路中由磁場(chǎng)感應(yīng)的電流與屏蔽電纜和無(wú)屏蔽電纜中相同，且假定所有信號(hào)電流都在屏蔽層中返回，那么電纜的屏蔽效能等于負(fù)載電阻與屏蔽電阻之比。于是，若負(fù)載電阻為1000Ω，全部的屏蔽電阻為20mΩ，則屏蔽效能為。在低頻時(shí)，屏蔽層的DC電阻越低，電纜的屏蔽效能就越高。編織線屏蔽層的DC電阻比金屬箔屏蔽的更低；屏蔽編織層越厚或編織的越多，則DC電阻就越小。

Fig8、（a）屏蔽電纜中共模感應(yīng)電流的路徑 （b）在磁場(chǎng)中電纜無(wú)屏蔽的情況

（c）在磁場(chǎng)中電纜有屏蔽的情況

2.3、不同的計(jì)算方式對(duì)比

通常在遇到關(guān)于屏蔽設(shè)計(jì)的實(shí)際案例時(shí)，我們會(huì)采用一種不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆抡娣椒▉?lái)評(píng)估對(duì)象的屏蔽效能，即有無(wú)屏蔽下空間同一位置的輻射能量對(duì)比。比如2.2節(jié)中的RG58線纜，我們?cè)谶@根線纜上方1m位置放置一個(gè)電磁場(chǎng)探針，接收該段線纜在有無(wú)屏蔽時(shí)產(chǎn)生的空間輻射，因?yàn)樘结樈邮盏降哪芰糠謩e以磁場(chǎng)和電場(chǎng)表示，所以單獨(dú)計(jì)算電場(chǎng)和磁場(chǎng)的屏蔽效能。計(jì)算后得到屏蔽效能如下，從中可以看出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的SE曲線并不一致，這是因?yàn)樘结標(biāo)幬恢迷诮鼒?chǎng)區(qū)域，該區(qū)域的空間波阻抗是變化的，若需得到近場(chǎng)區(qū)域的SE曲線，需要獲得對(duì)應(yīng)位置的功率密度，即波印廷矢量。在時(shí)變場(chǎng)內(nèi)，波印廷矢量的計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的。因此，通常用plane wave（即2.2節(jié)方法）來(lái)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)下的屏蔽曲線，通過(guò)plane wave獲得的屏蔽效能曲線是不受空間位置變化影響的。而采用2.3節(jié)方法，空間不同位置獲得的屏蔽效能曲線是不一致的，這種方法只有在固定對(duì)象（如特定產(chǎn)品的金屬外殼，屏蔽罩等），固定測(cè)試位置和測(cè)試方法下才會(huì)有使用價(jià)值。

Fig9、兩種方式獲得的屏蔽效能曲線

3、線纜屏蔽效能的影響因素分析

3.1、屏蔽的種類

目前市場(chǎng)上常見的線纜屏蔽方式和工藝主要有：銅/鋁管的固體鎧裝、銅/鋁的編織屏蔽層、單/雙面導(dǎo)電金屬箔的縱向包裹或者螺旋纏繞等單一或者復(fù)合屏蔽。整體上屏蔽效能是依次降低的（如下圖），但是從設(shè)計(jì)角度講，不同的編織方式，或者金屬箔的不同纏繞方式都將會(huì)影響線纜的屏蔽效能。

Fig10、銅、不銹鋼管等各種屏蔽材料的轉(zhuǎn)移阻抗

3.2、影響線纜屏蔽效能的參數(shù)

第一章中詳細(xì)介紹了編織屏蔽線纜的轉(zhuǎn)移阻抗計(jì)算過(guò)程，屏蔽線纜的屏蔽層除了采用金屬編織材料，也有采用金屬箔或者金屬管。采用金屬管制作的硬質(zhì)鎧裝線纜，其屏蔽效能主要與金屬材料相關(guān)。這里需要對(duì)金屬箔的屏蔽方式進(jìn)行介紹，金屬箔的材質(zhì)、厚度、單面或者雙面導(dǎo)電、壓接方式、壓接面積、編織角度等等都直接影響線纜的屏蔽效能。

3.2.1、編織角度對(duì)編織線屏蔽效能的影響

從第二章中的RG58線纜出發(fā)，改變線纜屏蔽層編織角度，觀察轉(zhuǎn)移阻抗的變化。RG58的默認(rèn)編織密度為93.41%，編織角度為26Deg。因?yàn)樵诓桓淖兙€徑、單股屏蔽層線束數(shù)量、股數(shù)的前提下，編織角度與編織密度是相互關(guān)聯(lián)的。所以當(dāng)改變編織角度，編織密度隨著變化。下表中統(tǒng)計(jì)出這一變化規(guī)律。

表1、編織角度與編織密度間的關(guān)系

下圖為兩者間的關(guān)系，可以看出在0.1MHz以下，轉(zhuǎn)移阻抗隨編織角度增加而增加，而編織角度越小，孔隙越長(zhǎng)，孔電感越大。所以此時(shí)影響轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)鍵因素為散射阻抗和編織電感，當(dāng)頻率在0.1~70MHz，孔電感的影響開始占據(jù)主要因素。當(dāng)頻率繼續(xù)增加，此時(shí)開始出現(xiàn)長(zhǎng)線效應(yīng)，轉(zhuǎn)移阻抗開始受諸多因素影響。從這一結(jié)果可以看出，采用單層屏蔽的線纜，無(wú)法滿足較高頻率的屏蔽需求。此時(shí)，需要加入第二層屏蔽，當(dāng)在10deg的編織角度基礎(chǔ)上，加入單面導(dǎo)電銅箔，寬度10mm，纏繞角度56.67deg，重疊寬度2mm。此時(shí)的轉(zhuǎn)移阻抗在1MHz~1000MHz都低于單層屏蔽處理的線纜。

Fig11、不同編織角度與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系

Fig12、雙層屏蔽線纜中外層金屬箔參數(shù)

Fig13、在10deg編織角基礎(chǔ)上加入金屬箔的轉(zhuǎn)移阻抗對(duì)比

從上面結(jié)果中可以看出，采用何種屏蔽方式對(duì)線纜的不同頻段的屏蔽性能影響很大。產(chǎn)品的屏蔽線纜設(shè)計(jì)應(yīng)該沖分考慮到所需屏蔽的頻率成分，以最大程度上滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，降低后期整改的成本。Anatoly Tsaliovich在其著作中詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了最佳編織角，最小成本與轉(zhuǎn)移阻抗和線徑等的關(guān)系，如下圖所示。

Fig14、雙層螺旋屏蔽線纜的最佳編織角度和轉(zhuǎn)移阻抗（左）低頻編織屏蔽的最小成本與線徑和編織角、

3.2.2、金屬箔縱向包裹參數(shù)的影響

金屬箔屏蔽線纜根據(jù)包裹方式不同大體分為箔縱向包裹和螺旋纏繞，縱向包裹方式中，金屬箔在平行于線纜長(zhǎng)度方向上相互壓接在一起。對(duì)于單面導(dǎo)電的金屬箔，壓接部分不導(dǎo)電。下面采用單面導(dǎo)電金屬箔，一面為金屬鋁，一面為PE，查看壓接部分長(zhǎng)度變化與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系，初始?jí)航硬糠珠L(zhǎng)度為0，即屏蔽箔寬度與線纜內(nèi)徑相等，然后每次增加1mm。我們看到，在低于10MHz部分，轉(zhuǎn)移阻抗與散射阻抗，直流阻抗相關(guān)，此時(shí)增加金屬箔寬度，可以有效降低散射阻抗與直流阻抗。而當(dāng)頻率高于10MHz，屏蔽箔寬度的變化對(duì)轉(zhuǎn)移阻抗的影響非常小，主要為長(zhǎng)線效應(yīng)和不導(dǎo)電縫隙的泄露。

Fig15、單面導(dǎo)電金屬箔壓接寬度與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系

為了處理高頻的這種電磁泄露，Anatoly Tsaliovich提出了幾種處理方式，如下圖所示，下圖中的三種處理方式均是為了抑制高頻時(shí)屏蔽層縫隙的泄露，確保線纜在高頻有良好的屏蔽效能。

Fig16、金屬箔屏蔽層縱向包裹交疊出的壓接處理

3.2.3、金屬箔螺旋纏繞參數(shù)的影響

作為金屬箔屏蔽類型的另一種屏蔽方式，螺旋纏繞屏蔽與縱向包裹獲得的轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)差異較為明顯。同樣采用RG58的截面尺寸，保證特征阻抗為50R不變。螺旋纏繞方式的尺寸由金屬箔的寬度和纏繞角度決定，纏繞角度與重疊寬度參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。這里的金屬箔仍然為單面導(dǎo)電鋁材質(zhì)。因?yàn)樽銐蛄畠r(jià)，足夠普通。初始寬度設(shè)定為10mm，重疊寬度為1mm，固定金屬箔寬度，調(diào)整重疊寬度，每次增加1mm到重疊寬度為5mm，此時(shí)線纜等效為兩層金屬箔屏蔽。

下圖為計(jì)算結(jié)果，對(duì)比縱向纏繞方式，可以看出相較于縱向纏繞方式，螺旋纏繞獲得的轉(zhuǎn)移阻抗是要大一些的。在低于3MHz的頻段，決定轉(zhuǎn)移阻抗大小的參數(shù)依然是散射阻抗和直流阻抗，重疊寬度越大，需要的金屬箔越長(zhǎng)，散射阻抗和直流阻抗越大。當(dāng)頻率在3MHz~80MHz，1mm壓接寬度下的轉(zhuǎn)移阻抗依舊最小，其余寬度的轉(zhuǎn)移阻抗值幾乎相等。當(dāng)頻率繼續(xù)增加，縫隙泄露變得嚴(yán)重，有更大重疊寬度的線纜縫隙的深度增加，所以可以獲得更小的轉(zhuǎn)移阻抗。

Fig17、金屬箔螺旋纏繞重疊寬度與轉(zhuǎn)移阻抗

當(dāng)控制重疊寬度為1mm，改變金屬箔寬度，從10mm開始每隔2mm遞減，查看轉(zhuǎn)移阻抗變化情況。下面結(jié)果中可以看出，在減小金屬箔寬度后，轉(zhuǎn)移阻抗在低于30MHz時(shí)都有明顯差異，當(dāng)寬度為4mm時(shí)，轉(zhuǎn)移阻抗在30MHz以下甚至高于1Ω，這是不允許的。實(shí)際產(chǎn)品屏蔽層直流阻抗要求小于50mΩ，低頻轉(zhuǎn)移阻抗接近直流阻抗，所以低頻阻抗要求盡量接近50mΩ，并非所有產(chǎn)品都需要滿足這一要求，因?yàn)槠帘涡Ч胶玫木€纜其成本越高，所以需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求考慮具體選擇何種方式。

Fig18、金屬箔寬度與轉(zhuǎn)移阻抗關(guān)系

4、線纜對(duì)EMC的影響

4.1、線纜對(duì)EMC造成影響的頻段

EMC標(biāo)準(zhǔn)要求中對(duì)產(chǎn)品的外接線纜進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，同樣地，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試整改中我們不難發(fā)現(xiàn)，線纜線束對(duì)EMC測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。Anatoly Tsaliovich在Cable Shielding for Electromagnetic Compatibility一書中詳細(xì)的介紹了這方面影響。其中作者對(duì)電子產(chǎn)品中線纜和PWB（PCB）影響的頻段和模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如下圖。

Fig19、電子產(chǎn)品最高發(fā)射頻率的累積分布

設(shè)計(jì)電力電纜的目的是為了減少導(dǎo)線中直接和回流電流路徑形成的回路。這些導(dǎo)線通常需要滿足絕緣要求，并且是雙絞或者屏蔽的。因此，差模下的線纜發(fā)射并不像普通模式下的傳輸那樣突出（除非使用了不當(dāng)?shù)慕拥睾推帘谓K止技術(shù)）。另一方面，PCB和背板在設(shè)計(jì)不佳的情況下，具有比電纜小得多的線性尺寸，并可能產(chǎn)生非常大的回路面積。這就是為什么在更高的頻率范圍內(nèi)，差模輻射占據(jù)電子系統(tǒng)發(fā)射量的大部分。

4.2、信號(hào)傳輸中線纜的輻射

自由空間中，線纜的不同擺放方式，其充當(dāng)天線對(duì)外輻射的方向性系數(shù)、波瓣圖等參數(shù)是不同的。Cable Shielding for Electromagnetic Compatibility一書中，對(duì)不同發(fā)射模型的輻射模式進(jìn)行了對(duì)比分析，包括線型、方形回路、圓形回路等等。EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中要求了產(chǎn)品線束的擺放方式，基本上限定了發(fā)射源的模型。為了直觀的認(rèn)識(shí)電力電子產(chǎn)品中線纜的電磁場(chǎng)分布，作者按照EMC測(cè)試的要求建立了三維仿真模型。如下圖所示，將左側(cè)機(jī)箱內(nèi)部放置發(fā)射源頭，右側(cè)機(jī)箱內(nèi)對(duì)線束進(jìn)行端接50Ω負(fù)載，為了降低仿真資源，提升效率，這里屏蔽線纜長(zhǎng)度為500mm。

Fig20、屏蔽線纜仿真模型

筆者選取了四個(gè)頻率下線纜的電磁場(chǎng)分布圖，從結(jié)果中可以看出，從0.1GHz開始，線纜中可以看到明顯的行波，線纜的空間電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最大的位置分布隨頻率的變化而變化。然而磁場(chǎng)在四個(gè)頻率下的分布情況表明，線纜中間位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.3GHZ以下總是小于兩側(cè)，當(dāng)頻率為0.5GHz時(shí)，線纜長(zhǎng)度大于0.5GHz的1/4波長(zhǎng)，線纜空間電磁場(chǎng)的分布開始明顯的受內(nèi)部傳輸信號(hào)的相位影響。

Fig21（a）、屏蔽線纜的電場(chǎng)發(fā)射

Fig21（b）、屏蔽線纜的磁場(chǎng)發(fā)射

當(dāng)這段線纜的長(zhǎng)度改為EMC測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，也就是兩米時(shí)，其電尺寸對(duì)應(yīng)的四倍波長(zhǎng)的頻率為37.5MHz。從EMI設(shè)計(jì)的宗旨來(lái)看，有效降低EMI的措施既是在噪聲最大的位置（有源電路中的源頭）進(jìn)行處理。因此，筆者相信針對(duì)線纜上低于37.5MHz的噪聲頻率，在靠近連接器端口位置進(jìn)行處理是最為有效的方式，這也是多數(shù)產(chǎn)品選擇在連接器位置放置共模電容或者電感的原因所在。當(dāng)噪聲頻率高于37.5MHz時(shí)，EMI抑制措施不論是放置在靠近連接器位置還是線纜上的其它位置都沒(méi)有多大變化。

4.3、端口位置采用EMC措施的必要性

從4.2節(jié)中可以看到，即使是理想搭接下的線纜，也會(huì)在屏蔽層端接位置產(chǎn)生明顯的電磁泄露，因此有必要對(duì)接口位置加強(qiáng)EMC措施。比如磁環(huán)，加強(qiáng)屏蔽等。下面在原有模型的基礎(chǔ)上，在接口位置加了一段鐵磁性的彈簧，在0.3GHz下的磁場(chǎng)對(duì)比中可以看到端口位置的噪聲強(qiáng)度有了明顯降低。該彈簧的靈感來(lái)自于下圖中的BNC連接器。

Fig22、0.3GHz線纜磁場(chǎng)分布

Fig23、BNC連接器

肯定會(huì)有人提到，實(shí)際產(chǎn)品中經(jīng)常遇到外接線纜上不允許加裝磁環(huán)或者鐵合金材料。是否可以將抑制措施放置在產(chǎn)品內(nèi)部。答案是肯定的，下面為將噪聲抑制材料放入屏蔽機(jī)箱內(nèi)部（右側(cè)機(jī)箱內(nèi)）的整體磁場(chǎng)情況?？梢钥吹剑涌谖恢玫拇艌?chǎng)分布較之前小了很多。

Fig24、將噪聲抑制措施（磁環(huán)）放入右側(cè)機(jī)箱內(nèi)部時(shí)整體的磁場(chǎng)分布情況

4.4、不當(dāng)屏蔽方式的后果

多數(shù)產(chǎn)品在連接器上選擇節(jié)省成本，將屏蔽更為完整的金屬連接器更換為塑料連接器。此時(shí)的屏蔽線纜屏蔽層不得不通過(guò)一根單獨(dú)的線纜連接到產(chǎn)品內(nèi)部或者鎖在機(jī)箱上。在EMC要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，這種處理方式會(huì)增加EMC成本，最終得不償失。我們將上面模型的一端改成這種方式，屏蔽層一端通過(guò)幾根單獨(dú)的線直接連接在機(jī)箱上，剩余部分暴露在外面。這種方式無(wú)疑增加了屏蔽線纜的轉(zhuǎn)移阻抗，在屏蔽不完整位置，屏蔽層感應(yīng)電流無(wú)法和芯線的噪聲電流相互抵消，此時(shí)屏蔽層成為一個(gè)新的噪聲源頭，開始向外輻射噪聲能量。如下圖所示，對(duì)比上一節(jié)結(jié)果，此時(shí)整個(gè)空間的磁場(chǎng)增加，屏蔽完整性整體上變差。

Fig25、屏蔽不完整的設(shè)計(jì)得到的空間磁場(chǎng)分布

注意：在前面部分中，作者一直在談?wù)撏S線，貌似忽略了多芯屏蔽線，這里需要解釋的是，多芯線由于各芯線之間由于存在互電感和互電容，單根線上的噪聲信號(hào)會(huì)由于其它線束的鏡像電壓和電流作用而不同程度上被削弱。芯線參數(shù)的隨機(jī)性導(dǎo)致最終結(jié)果不具有說(shuō)服力。如上一篇關(guān)于串?dāng)_的文章中，作者在文章后面部分列出的USB和屏蔽網(wǎng)線，由于芯線中的雙絞，單線和同軸，采用不同類型芯線作為分析對(duì)象，得到的結(jié)果會(huì)存在較大差異。因此，文章不用多芯屏蔽線作為案例。上面同軸線的結(jié)論在多芯屏蔽線上依舊適用。

5、線纜屏蔽效能的測(cè)試

5.1、理論模型中的轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試方法

測(cè)量轉(zhuǎn)移阻抗的基本方法有兩種，如下圖第二個(gè)實(shí)驗(yàn)配置，由連接在屏蔽層的發(fā)生器產(chǎn)生的電流，模擬了由于入射的電磁波產(chǎn)生的電流或由于共模電流在外層屏蔽層流動(dòng)的情況。

Fig26、轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)試方法

上述測(cè)量方法在工程應(yīng)用上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)會(huì)引入大量的雜散參數(shù)，最終導(dǎo)致無(wú)法接受的測(cè)量誤差產(chǎn)生。

5.2、工程應(yīng)用中的測(cè)試方法

在轉(zhuǎn)移阻抗概念出現(xiàn)的幾十年時(shí)間里，測(cè)量法一直是獲得屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的主要方法。由于它能夠較真實(shí)的模擬屏蔽電纜實(shí)際應(yīng)用中所處的復(fù)雜的電磁環(huán)境，把場(chǎng)投射入屏蔽體的復(fù)雜性基本全面的包含在測(cè)量結(jié)果中，因此測(cè)量法是目前最可靠的檢測(cè)電纜屏蔽性能的方法。測(cè)量法的原理主要是以轉(zhuǎn)移阻抗的定義為基礎(chǔ)，進(jìn)行改進(jìn)或延伸，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都是建立在二傳輸線系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上。目前，屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的常用測(cè)量方法有三同軸法、四同軸法、線注入法、電流探針?lè)ā⒔饘倨桨宸ǖ?。不同測(cè)量方法的特點(diǎn)及適用范圍不同，他們的比較如下表所示。

表2、不同測(cè)量法特點(diǎn)的比較

目前行業(yè)中已經(jīng)形成較為成熟的測(cè)試平臺(tái)的方法為線注入法和電流探針?lè)?。在?biāo)準(zhǔn)IEC 96-1中，注入線通常是扁平銅編織層，將它包扎在受試電纜上，注入線測(cè)試方法的顯著優(yōu)點(diǎn)在于能測(cè)量很高頻率（1GHz以上）時(shí)的表面轉(zhuǎn)移阻抗。

注釋：n，f：近端和遠(yuǎn)端

1,2：初級(jí)（即注入），次級(jí)電路

電路1和2特性阻抗

G 信號(hào)發(fā)生器

V 電壓表，接收機(jī)

E 同軸儀器通常接地點(diǎn)

Fig27、線注入測(cè)試配置的原理圖

x 受試電纜（CUT）

d 屏蔽室壁

G 信號(hào)發(fā)生器（合成器或跟蹤發(fā)生器等）

f 測(cè)試接收機(jī)（頻譜分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀等）

g 注入導(dǎo)線的發(fā)生器

h CUT額外屏蔽的銅管

i 注入導(dǎo)線的饋電電纜（低損耗，約0.5m）

k 信號(hào)發(fā)生器的饋電電纜

m 鐵氧體環(huán)（長(zhǎng)度約100mm）

A 屏蔽室和CUT之間連接的額外屏蔽

B CUT端接電阻的額外屏蔽

q 注入導(dǎo)線

Fig28、導(dǎo)線注入測(cè)試法使用的配置圖

5.3、可以提供測(cè)試服務(wù)的機(jī)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)可以提供相關(guān)測(cè)試服務(wù)的機(jī)構(gòu)有很多，如下方RELIABLE ANALYSIS (Shanghai)公司提供的資料，資料中采用的是線注入法，該方法可以測(cè)試到較高的頻率，在耦合長(zhǎng)度為50cm的情況下，注入電路和受試電纜中的相速足以很好的匹配以至容許測(cè)試的頻率高達(dá)3GHz。當(dāng)耦合長(zhǎng)度為10cm時(shí)，可以測(cè)量到20GHz，然而，在頻率高出1GHz時(shí)，對(duì)于過(guò)渡以及在與源和電纜末端負(fù)載匹配方面都必須非常小心。推薦在受試電纜和注入導(dǎo)線的遠(yuǎn)、近端都使用鐵氧體平衡-不平衡變換器來(lái)較少由導(dǎo)線輻射引起的共模電流。

Fig29、RELIABLE ANALYSIS (Shanghai)公司線注入法測(cè)試系統(tǒng)

線注入法測(cè)試結(jié)果為線纜的轉(zhuǎn)移阻抗，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為E16-9999-S01，下圖為某一被測(cè)樣品的測(cè)試結(jié)果和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

Fig30、Delta Transfer impedance all Positions

中汽研公司采用電流環(huán)直接測(cè)試產(chǎn)品有無(wú)屏蔽層下的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算直接得到線纜在測(cè)試位置的屏蔽效能。相較于注入法，該方法對(duì)測(cè)試配置精度要求不高，同時(shí)由于測(cè)試配置引入過(guò)多的雜散參數(shù)，導(dǎo)致測(cè)試頻率低于線注入法。

Fig31、中汽研公司電流環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

Fig32、被測(cè)樣品測(cè)試結(jié)果

中汽研公司的蔣莉、吳在園等在《新能源汽車高壓電纜的屏蔽效能測(cè)試》中提到，電流探頭法在實(shí)際樣品測(cè)試中，由于樣品線束在20Mhz產(chǎn)生駐波，導(dǎo)致高于20Mhz以上測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，下圖為文章數(shù)據(jù)。

Fig33、原文結(jié)果

參考：

1、Anatoly Tsaliovich-Cable Shielding for Electromagnetic Compatibility

2、王添文、李子森-屏蔽電纜屏蔽效能與轉(zhuǎn)移阻抗關(guān)系研究

3、蔣莉、吳在園-新能源汽車高壓電纜的屏蔽效能測(cè)試

4、陳淵碩-電纜屏蔽效能的評(píng)估與分析

5、王小鈴-屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量與仿真方法研究

6、David A.Weston-電磁兼容原理與應(yīng)用