電纜分布電容對(duì)航天器低頻交流信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治?/h1>
2012-11-28 02:22:14陳曉光
航天器環(huán)境工程 2012年5期
丁 凱，陳曉光，溫 源
（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）
0 引言
在航天器低頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了抑制信號(hào)的共模干擾，常使用雙絞線；有時(shí)為了避免電磁干擾，還采用屏蔽電纜。航天器中較為常見(jiàn)的低頻信號(hào)除了包括常用的指令脈沖、數(shù)字通信信號(hào)、圖像信號(hào)等直流信號(hào)外，還包括話音附載波信號(hào)等正弦波調(diào)制信號(hào)。前者對(duì)導(dǎo)線的分布電容不敏感，因此對(duì)電纜的連接方式?jīng)]有特殊要求；而后者在航天器中較為常見(jiàn)的都是高頻信號(hào)（頻率通常在1 MHz以上），一般選用高頻同軸電纜傳輸信號(hào)。對(duì)于頻率較低（低于1 MHz）的正弦波調(diào)制信號(hào)，在一般的電纜選用規(guī)范中沒(méi)有專門的選用標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，通常使用非同軸電纜進(jìn)行傳輸；但由于該類信號(hào)對(duì)電纜的分布電容較為敏感[4]，在選用電纜時(shí)，應(yīng)注意電纜的雙絞及屏蔽方式。
本文針對(duì)載人航天器中話音附載波等低頻正弦波調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)，分析了分布電容對(duì)交流信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，并提出了一種使用雙絞線傳輸交流信號(hào)的方法。
1 電纜間耦合電容模型
由于交流信號(hào)能夠通過(guò)電容傳輸，電纜間的分布電容對(duì)信號(hào)會(huì)造成較大的干擾。本節(jié)先介紹2種耦合電容模型[5]，在后續(xù)章節(jié)中，將根據(jù)這2種模型進(jìn)行信號(hào)傳輸影響分析。
1.1 平行電纜間的耦合電容模型
圖1所示的電路中，U0為交流信號(hào)源，R1為負(fù)載電阻，C1為2根導(dǎo)線之間的耦合電容。
圖1 存在分布電容的電路模型Fig. 1 Circuit model with distributed capacitance
設(shè)2根導(dǎo)線間距離為D1，導(dǎo)線直徑為d，電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)，2根平行導(dǎo)線之間每米的分布電容值按照
進(jìn)行計(jì)算，其中，ε0＝8.85×10-12F·m-1，為真空介電常數(shù)。
由于交流信號(hào)源的峰-峰值電壓大小恒定，信號(hào)源電阻R0和負(fù)載電阻R1恒定，則負(fù)載端電壓U1的大小取決于耦合電容的大小。耦合電容越大，其交流對(duì)地阻抗1/(jωC1)就越小，U1的值也就越小。
1.2 同軸電纜間的耦合電容模型
設(shè)同軸電纜的外導(dǎo)體直徑為D2，內(nèi)導(dǎo)體直徑為d，電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電纜絕緣層的介電常數(shù)為εr，則同軸電纜的分布電容C2可按照
進(jìn)行計(jì)算。
2 電纜耦合電容對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治?/h2>
在工程應(yīng)用中，常使用雙絞線、雙絞屏蔽線來(lái)傳輸交流信號(hào)。使用屏蔽線時(shí)，分屏蔽皮接地與不接地2種情況。現(xiàn)分別對(duì)幾種不同模式下電纜分布電容對(duì)信號(hào)的影響進(jìn)行分析。
2.1 模式1——信號(hào)線與地線雙絞，屏蔽皮接地
這種模式是航天器中傳輸?shù)皖l信號(hào)最為常用的方式，但該方式對(duì)交流信號(hào)的衰減最為嚴(yán)重。在這種模式下，信號(hào)線與地線可等效為平行線，存在分布電容 C1；同時(shí)信號(hào)線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在分布電容C2。等效電路如圖2所示。
圖2 模式1的信號(hào)傳輸模型Fig. 2 Circuit model of case 1
在模式1下，由于分布電容C1、C2與負(fù)載電阻為并聯(lián)關(guān)系，使負(fù)載總阻抗Z減小，從而降低了信號(hào)到達(dá)負(fù)載端的電壓值，即信號(hào)衰減最嚴(yán)重。
2.2 模式2——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮接地
在這種模式下，信號(hào)線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在耦合電容 C2。由于負(fù)載電阻并聯(lián)了電容C2，使負(fù)載總阻抗減小，降低了負(fù)載端的電壓值；但由于沒(méi)有信號(hào)線與地線之間的雙絞，不存在分布電容 C1，負(fù)載總阻抗大于模式 1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式2的信號(hào)衰減小于模式1。
2.3 模式3——信號(hào)線與地線雙絞，不使用屏蔽線
在這種模式下，信號(hào)線與地線之間成為平行線，存在耦合電容 C1，使負(fù)載總阻抗 Z小于負(fù)載電阻R1，降低了負(fù)載端的電壓值。但由于沒(méi)有屏蔽皮，不存在信號(hào)線與屏蔽皮之間的分布電容C2，負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式3的信號(hào)衰減小于模式1。
2.4 模式4——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，不使用屏蔽線
這種模式類似于模式3，均沒(méi)有分布電容C2，因此負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗，電纜對(duì)信號(hào)的衰減小于模式1。由于信號(hào)線與地線沒(méi)有雙絞，信號(hào)線與地線之間的距離較模式 1中的距離大，分布電容C1的值遠(yuǎn)小于模式1中分布電容C1的值。即模式4下分布電容對(duì)信號(hào)的衰減遠(yuǎn)小于模式1。
2.5 模式5——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮不接地，信號(hào)線屏蔽皮與地線屏蔽皮隔離
在這種模式下，由于屏蔽皮不接地，不存在信號(hào)線與屏蔽皮的分布電容 C2。同時(shí)由于屏蔽皮的存在，信號(hào)線和地線間的分布電容 C1被分離為C21、C22和C3這3個(gè)電容的串聯(lián)，如圖3所示。其中 C21是屏蔽皮與信號(hào)線間的耦合電容，C22是屏蔽皮與地線間的耦合電容，C3是信號(hào)線屏蔽皮和地線屏蔽皮間的耦合電容。這 3個(gè)電容串聯(lián)使C1電容要小于模式4中的分布電容C1，即模式5的連接方式對(duì)信號(hào)的衰減最小，使負(fù)載端電壓 U1達(dá)到最大。
圖3 模式5的信號(hào)傳輸模型Fig. 3 Circuit model of case 5
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證上述 5種電纜連接方式對(duì)信號(hào)的影響，本文選用55/1822號(hào)電纜進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。從廠家資料中可以知道，d＝0.44 mm，D1＝1.4 mm， D2＝2.2 mm，εr＝2.7×8.85×10-12F·m-1。試驗(yàn)中選取L＝8.1 m，U0＝2.83 V（峰-峰值），R0＝510 ?，R1＝51 k?，選取信號(hào)頻率為384 kHz，即ε＝2π×384 kHz。
模式1信號(hào)傳輸模型如圖2所示，根據(jù)公式(1)、公式(2)計(jì)算得到 C1＝3.23×10-10F，C2＝7.6×10-10F，Z1＝1/(ωC1)=1 280 ?，Z2=1/(ωC2)＝243 ?，總阻抗Z＝204 ?。由于 U0＝2.83 V（峰-峰值），且 R0＝510 ?，所以 U1＝2.83×204/(204+510)＝0.81 V。實(shí)測(cè)電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為 0.817 V，與計(jì)算值基本一致，可見(jiàn)負(fù)載電壓U1已被嚴(yán)重衰減。
模式 2測(cè)得電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為0.89 V，雖然高于模式1中電纜的輸出端峰-峰值電壓，但遠(yuǎn)小于信號(hào)源峰-峰值電壓，信號(hào)衰減量仍較大。
模式 3測(cè)得電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為1.23 V，信號(hào)衰減量較模式2有所減小。
模式4信號(hào)傳輸模型如圖1所示，2根導(dǎo)線間的距離增大為 D1＝3 mm。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到C1＝8.6×10-11F，Z1＝1/(ωC1)=4.8 k?，總阻抗 Z 約為 4.8 k?，U1＝2.83×4 800/(4 800+510)＝2.6 V(rms)。實(shí)測(cè)電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為2.63 V，信號(hào)衰減量已得到極大減小。
模式 5和模式 4對(duì)信號(hào)衰減量的改善基本一致，但模式5使用了屏蔽電纜，增加了電纜的重量及成本。如果實(shí)際應(yīng)用中對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求不是很嚴(yán)格，采用模式4的連接方式同樣可獲得較好的傳輸效果。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了 5種使用雙絞線傳輸?shù)皖l交流信號(hào)的方式，其中采用信號(hào)線與信號(hào)線雙絞、地線與地線雙絞的方式傳輸交流信號(hào)，能夠有效減小電纜耦合電容對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的衰減。如果應(yīng)用中對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求嚴(yán)格，同時(shí)允許增加電纜重量時(shí)，可以選用屏蔽線，并采用信號(hào)線的屏蔽皮與地線的屏蔽皮相互隔離且不接地的連接方式。若對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求不嚴(yán)格，可采用非屏蔽電纜，在保證良好的傳輸效果的同時(shí)，可有效降低電纜重量和成本。
（References）
[1]中國(guó)航天科技集團(tuán)公司. QJ 1312—87 衛(wèi)星布線設(shè)計(jì)制造及驗(yàn)收技術(shù)條件[S], 1987-09-24
[2]中國(guó)航天科技集團(tuán)公司. QJ 2176—91 航天器布線設(shè)計(jì)和試驗(yàn)通用技術(shù)條件[S], 1991-02-01
[3]中國(guó)空間技術(shù)研究院. Q/W 1236—2010 航天器布線束設(shè)計(jì)、制造及驗(yàn)收技術(shù)要求[S], 2010-01-27
[4]杜建華, 王長(zhǎng)水. 控制電纜分布電容對(duì)控制回路的影響分析及處理[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 28(9):120-122 Du Jianhua, Wang Changshui. Effect analysis and processing of the distributed capacitance for control cable on control loop[J]. Techniques of Automation and Applications, 2010, 28(9): 120-122
[5]何宏. 電磁兼容原理與技術(shù)[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008
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丁 凱，陳曉光，溫 源
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0 引言
在航天器低頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了抑制信號(hào)的共模干擾，常使用雙絞線；有時(shí)為了避免電磁干擾，還采用屏蔽電纜。航天器中較為常見(jiàn)的低頻信號(hào)除了包括常用的指令脈沖、數(shù)字通信信號(hào)、圖像信號(hào)等直流信號(hào)外，還包括話音附載波信號(hào)等正弦波調(diào)制信號(hào)。前者對(duì)導(dǎo)線的分布電容不敏感，因此對(duì)電纜的連接方式?jīng)]有特殊要求；而后者在航天器中較為常見(jiàn)的都是高頻信號(hào)（頻率通常在1 MHz以上），一般選用高頻同軸電纜傳輸信號(hào)。對(duì)于頻率較低（低于1 MHz）的正弦波調(diào)制信號(hào)，在一般的電纜選用規(guī)范中沒(méi)有專門的選用標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，通常使用非同軸電纜進(jìn)行傳輸；但由于該類信號(hào)對(duì)電纜的分布電容較為敏感[4]，在選用電纜時(shí)，應(yīng)注意電纜的雙絞及屏蔽方式。
本文針對(duì)載人航天器中話音附載波等低頻正弦波調(diào)制信號(hào)的特點(diǎn)，分析了分布電容對(duì)交流信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，并提出了一種使用雙絞線傳輸交流信號(hào)的方法。
1 電纜間耦合電容模型
由于交流信號(hào)能夠通過(guò)電容傳輸，電纜間的分布電容對(duì)信號(hào)會(huì)造成較大的干擾。本節(jié)先介紹2種耦合電容模型[5]，在后續(xù)章節(jié)中，將根據(jù)這2種模型進(jìn)行信號(hào)傳輸影響分析。
1.1 平行電纜間的耦合電容模型
圖1所示的電路中，U0為交流信號(hào)源，R1為負(fù)載電阻，C1為2根導(dǎo)線之間的耦合電容。
圖1 存在分布電容的電路模型Fig. 1 Circuit model with distributed capacitance
設(shè)2根導(dǎo)線間距離為D1，導(dǎo)線直徑為d，電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)，2根平行導(dǎo)線之間每米的分布電容值按照
進(jìn)行計(jì)算，其中，ε0＝8.85×10-12F·m-1，為真空介電常數(shù)。
由于交流信號(hào)源的峰-峰值電壓大小恒定，信號(hào)源電阻R0和負(fù)載電阻R1恒定，則負(fù)載端電壓U1的大小取決于耦合電容的大小。耦合電容越大，其交流對(duì)地阻抗1/(jωC1)就越小，U1的值也就越小。
1.2 同軸電纜間的耦合電容模型
設(shè)同軸電纜的外導(dǎo)體直徑為D2，內(nèi)導(dǎo)體直徑為d，電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電纜絕緣層的介電常數(shù)為εr，則同軸電纜的分布電容C2可按照
進(jìn)行計(jì)算。
2 電纜耦合電容對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治?/h2>
在工程應(yīng)用中，常使用雙絞線、雙絞屏蔽線來(lái)傳輸交流信號(hào)。使用屏蔽線時(shí)，分屏蔽皮接地與不接地2種情況。現(xiàn)分別對(duì)幾種不同模式下電纜分布電容對(duì)信號(hào)的影響進(jìn)行分析。
2.1 模式1——信號(hào)線與地線雙絞，屏蔽皮接地
這種模式是航天器中傳輸?shù)皖l信號(hào)最為常用的方式，但該方式對(duì)交流信號(hào)的衰減最為嚴(yán)重。在這種模式下，信號(hào)線與地線可等效為平行線，存在分布電容 C1；同時(shí)信號(hào)線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在分布電容C2。等效電路如圖2所示。
圖2 模式1的信號(hào)傳輸模型Fig. 2 Circuit model of case 1
在模式1下，由于分布電容C1、C2與負(fù)載電阻為并聯(lián)關(guān)系，使負(fù)載總阻抗Z減小，從而降低了信號(hào)到達(dá)負(fù)載端的電壓值，即信號(hào)衰減最嚴(yán)重。
2.2 模式2——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮接地
在這種模式下，信號(hào)線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在耦合電容 C2。由于負(fù)載電阻并聯(lián)了電容C2，使負(fù)載總阻抗減小，降低了負(fù)載端的電壓值；但由于沒(méi)有信號(hào)線與地線之間的雙絞，不存在分布電容 C1，負(fù)載總阻抗大于模式 1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式2的信號(hào)衰減小于模式1。
2.3 模式3——信號(hào)線與地線雙絞，不使用屏蔽線
在這種模式下，信號(hào)線與地線之間成為平行線，存在耦合電容 C1，使負(fù)載總阻抗 Z小于負(fù)載電阻R1，降低了負(fù)載端的電壓值。但由于沒(méi)有屏蔽皮，不存在信號(hào)線與屏蔽皮之間的分布電容C2，負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式3的信號(hào)衰減小于模式1。
2.4 模式4——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，不使用屏蔽線
這種模式類似于模式3，均沒(méi)有分布電容C2，因此負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗，電纜對(duì)信號(hào)的衰減小于模式1。由于信號(hào)線與地線沒(méi)有雙絞，信號(hào)線與地線之間的距離較模式 1中的距離大，分布電容C1的值遠(yuǎn)小于模式1中分布電容C1的值。即模式4下分布電容對(duì)信號(hào)的衰減遠(yuǎn)小于模式1。
2.5 模式5——信號(hào)線與信號(hào)線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮不接地，信號(hào)線屏蔽皮與地線屏蔽皮隔離
在這種模式下，由于屏蔽皮不接地，不存在信號(hào)線與屏蔽皮的分布電容 C2。同時(shí)由于屏蔽皮的存在，信號(hào)線和地線間的分布電容 C1被分離為C21、C22和C3這3個(gè)電容的串聯(lián)，如圖3所示。其中 C21是屏蔽皮與信號(hào)線間的耦合電容，C22是屏蔽皮與地線間的耦合電容，C3是信號(hào)線屏蔽皮和地線屏蔽皮間的耦合電容。這 3個(gè)電容串聯(lián)使C1電容要小于模式4中的分布電容C1，即模式5的連接方式對(duì)信號(hào)的衰減最小，使負(fù)載端電壓 U1達(dá)到最大。
圖3 模式5的信號(hào)傳輸模型Fig. 3 Circuit model of case 5
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證上述 5種電纜連接方式對(duì)信號(hào)的影響，本文選用55/1822號(hào)電纜進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。從廠家資料中可以知道，d＝0.44 mm，D1＝1.4 mm， D2＝2.2 mm，εr＝2.7×8.85×10-12F·m-1。試驗(yàn)中選取L＝8.1 m，U0＝2.83 V（峰-峰值），R0＝510 ?，R1＝51 k?，選取信號(hào)頻率為384 kHz，即ε＝2π×384 kHz。
模式1信號(hào)傳輸模型如圖2所示，根據(jù)公式(1)、公式(2)計(jì)算得到 C1＝3.23×10-10F，C2＝7.6×10-10F，Z1＝1/(ωC1)=1 280 ?，Z2=1/(ωC2)＝243 ?，總阻抗Z＝204 ?。由于 U0＝2.83 V（峰-峰值），且 R0＝510 ?，所以 U1＝2.83×204/(204+510)＝0.81 V。實(shí)測(cè)電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為 0.817 V，與計(jì)算值基本一致，可見(jiàn)負(fù)載電壓U1已被嚴(yán)重衰減。
模式 2測(cè)得電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為0.89 V，雖然高于模式1中電纜的輸出端峰-峰值電壓，但遠(yuǎn)小于信號(hào)源峰-峰值電壓，信號(hào)衰減量仍較大。
模式 3測(cè)得電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為1.23 V，信號(hào)衰減量較模式2有所減小。
模式4信號(hào)傳輸模型如圖1所示，2根導(dǎo)線間的距離增大為 D1＝3 mm。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到C1＝8.6×10-11F，Z1＝1/(ωC1)=4.8 k?，總阻抗 Z 約為 4.8 k?，U1＝2.83×4 800/(4 800+510)＝2.6 V(rms)。實(shí)測(cè)電纜輸出端信號(hào)峰-峰值電壓為2.63 V，信號(hào)衰減量已得到極大減小。
模式 5和模式 4對(duì)信號(hào)衰減量的改善基本一致，但模式5使用了屏蔽電纜，增加了電纜的重量及成本。如果實(shí)際應(yīng)用中對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求不是很嚴(yán)格，采用模式4的連接方式同樣可獲得較好的傳輸效果。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了 5種使用雙絞線傳輸?shù)皖l交流信號(hào)的方式，其中采用信號(hào)線與信號(hào)線雙絞、地線與地線雙絞的方式傳輸交流信號(hào)，能夠有效減小電纜耦合電容對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的衰減。如果應(yīng)用中對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求嚴(yán)格，同時(shí)允許增加電纜重量時(shí)，可以選用屏蔽線，并采用信號(hào)線的屏蔽皮與地線的屏蔽皮相互隔離且不接地的連接方式。若對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求不嚴(yán)格，可采用非屏蔽電纜，在保證良好的傳輸效果的同時(shí)，可有效降低電纜重量和成本。
（References）
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