軟辮線對屏蔽電纜耦合的影響分析與仿真＊

張?zhí)m芳

（湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學院 武漢 430070）

1 引言

隨著電氣電子設(shè)備向集成化綜合化發(fā)展，電纜耦合所帶來的電磁兼容問題日益突出［1～2］。特別是弱信號類線纜，不僅種類繁多、數(shù)量大，而且其敷設(shè)走向錯綜復雜，很容易在周圍其它電力電纜以及較大強度信號電纜作用下，借助空間場的耦合拾取不必要的電磁能量，從而影響信息傳輸質(zhì)量，甚至發(fā)生意外事故。在實際的電纜敷設(shè)時，屏蔽層的接地需要使用軟辮線的方式將屏蔽層與連接器的管腳相連，這些被暴露的軟辮線部分往往會引入電磁耦合。如何降低電纜因屏蔽層采用軟辮線接地而帶來的干擾風險，其途徑就是通過仿真計算來準確預測軟辮線對屏蔽電纜耦合的影響，以便及時判斷潛在問題區(qū)域。以往的研究模型主要集中在非屏蔽電纜，如C.R.Paul、Levin B.M、Pignari S等研究了非屏蔽的多導體傳輸線電纜間串擾的頻域響應(yīng)［3～6］，Bellan等分析計算了非均勻電纜束的耦合影響［7］。關(guān)于軟辮線對屏蔽電纜耦合引起的串擾響應(yīng)研究則涉及甚少。

本文針對工程中的電纜耦合問題，運用三導體傳輸線的理論分析了屏蔽層采用軟辮線接地情況下的屏蔽電纜受鄰近電纜耦合引起的串擾。在此基礎(chǔ)上，仿真分析了因電纜間耦合作用到軟辮線上而在屏蔽電纜上引起的串擾電壓的幅頻響應(yīng)特征，結(jié)果表明：軟辮線一定程度上降低了屏蔽線的屏蔽效能，所產(chǎn)生的耦合干擾要大于屏蔽層3600環(huán)接時的耦合干擾。

2 軟辮線影響分析

考慮如圖1所示的三導體傳輸線等效電路。其中的參考導線（地線）是其它所有導線中的電流的返回線。

圖1 接收電纜屏蔽時的三導體傳輸線橫截面結(jié)構(gòu)

發(fā)射導線和接收導線具有每單位長度的電阻rG和rR。hG是發(fā)射導線距地面的高度，hR為接收導線距地面的高度，rwG為發(fā)射導線的半徑，rwR為接收導線的芯線半徑，rsh是屏蔽層內(nèi)徑。根據(jù)電磁感應(yīng)耦合的基本原理可知，兩線間的互電感會產(chǎn)生磁場耦合，該耦合作用在屏蔽電纜上會對其上的電流、電壓造成一定影響［8～9］。而兩線間的互電容會產(chǎn)生電場耦合，該耦合作用在屏蔽電纜上會對其上的電流、電壓造成一定影響［10～11］。

設(shè)定US為源電壓，RS為源阻抗，RL為負載，RNE為接收導線近端終端負載，RFE為接收導線遠端終端負載。則近端與遠端的感性串擾電壓分別為：

屏蔽層的拐點頻率為

其中，屏蔽層總電阻為RSH＝rSτ，屏蔽層－接地平面回路的總自電感為LSH＝lSτ。

于是近端與遠端的容性串擾電壓分別為

進一步，對容性耦合與感性耦合進行分析如下：

當頻率低于拐點頻率fSH時，SF＝1，屏蔽層兩端接地也不會影響到感性耦合。而當頻率高于拐

在實際的電纜敷設(shè)時，屏蔽層的接地需要使用軟辮線的方式將屏蔽層與連接器的管腳相連。對于電短傳輸線，其終端串擾則是在非屏蔽導線間串擾的基礎(chǔ)上疊加兩段軟辮線部分的串擾以及屏蔽層部分的串擾，即：

其中的每一個分量都是容性耦合與感性耦合分量之和。

綜合上述分析，如果屏蔽層至少一端接地，那么容性耦合將為零。只有當屏蔽層兩端都接地且頻率大于屏蔽層的拐點頻率，即f＞fSH時，感性耦合才會受到屏蔽層的影響，此時串擾為常數(shù)，與頻率無關(guān)。事實上，由于終端屏蔽層“軟辮線”的影響，當頻率往上增加的同時串擾也會開始增加。

3 仿真分析

通過設(shè)計發(fā)射導線對帶軟辮線的接收導線的電磁耦合數(shù)值仿真系統(tǒng)，考察屏蔽層兩端接地時因軟辮線作用所帶來的串擾影響。

仿真中設(shè)置發(fā)射導線長1m，終端電阻50Ω；接收導線屏蔽層兩端接地。為考察接收導線軟辮線的長度對耦合情況的影響，分別設(shè)定接收導線兩端的軟辮線長度為2cm，4cm以及8cm，三種情況下近端耦合的結(jié)果如圖2所示。

圖2 軟辮線的長度對耦合情況的影響

可以看到，軟辮線越長，所帶來的耦合干擾就越大。在屏蔽層拐點頻率以上，由于屏蔽線部分的耦合曲線變平，而軟辮線的耦合繼續(xù)以20dB／10倍頻的速度增加，并逐漸超過屏蔽線部分的耦合，于是耦合干擾繼續(xù)增加，并呈現(xiàn)一定震蕩現(xiàn)象。

由此而言，軟辮線的存在降低了屏蔽線的屏蔽效能，屏蔽層通過軟辮線連接后所產(chǎn)生的耦合干擾要大于屏蔽層3600環(huán)接時的耦合干擾。軟辮線越長，則耦合程度就越大。除非在屏蔽線兩端都進行3600環(huán)接，才能保證屏蔽線的良好性能。

4 結(jié)語

如何降低電纜因屏蔽層采用軟辮線接地而帶來的干擾風險，其途徑就是通過仿真計算來準確預測軟辮線對屏蔽電纜耦合的影響。本文著重探討了軟辮線對屏蔽電纜耦合的影響，分析了屏蔽層采用軟辮線接地情況下的屏蔽電纜受鄰近電纜耦合引起的串擾。仿真結(jié)果表明：軟辮線的存在一定程度上降低了屏蔽線的屏蔽效能。只有在屏蔽線兩端都進行3600環(huán)接，才能保證屏蔽線的良好性能。

［1］畢季明，黃小華.海軍艦船電磁兼容控制技術(shù)與措施［J］.艦船電子工程，2007，27（2）：201～203

［2］Kodali V Prasad.Engineering Electromagnetic Compatibility［M］.IEEE Press，1996

［3］Levin B.M.Calculation of Crosstalks in Multiple-Conductor Cables［C］／／Proceeding of DIPED'07，2007：211～214

［4］Paul C.R.Analysis of Multiconductor Transmission Lines［M］.New York：John Wiley Interscience，1994

［5］Pignari S，Canavero F.G.A Transmission Line Simulator for EMC in Complex Electronic Systems［J］.International Journal of Numerical Modelling：Electronic Networks，Devices and Fields，1997（10）：13～34

［6］Clayton R.Paul.Solution of the Transmission-Line E-quations Under the Weak-Coupling Assumption［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2002，44（3）：413～423

［7］Bellan D，Pignari S.A.Estimation of Crosstalk in Nonuniform Cable Bundles［C］／／Proc.2005IEEE Int.Symp.on Electromagn.Compat，Chicago，IL，USA，Aug.8-12，2005：336～341

［8］陳窮，等.電磁兼容性工程設(shè)計手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1993

［9］Savage J.S，Smith W.T.Capacitance Calculations for Cable Harnesses using the Method of Moments［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1995，37（1）：131～137

［10］Gavrilakis A.，Al-Asadi M.M.，Duffy A.P.Method for Prediction of Capacitance of Shielded Transmission Lines［J］.IEEE Electronics Letters，2001，37（23）：1424～1425

［11］Sadiku M.N.O.Numerical Techniques in Electromagnetics［M］.Boca Raton，F(xiàn)L：CRC Press，1992