屏蔽電纜濾波防護研究

李姣

摘 ?要：電纜在電子系統(tǒng)中是連接各個子系統(tǒng)、子模塊的橋梁與紐帶，在整個電子系統(tǒng)的信息傳遞和能量傳輸中起著不可替代的重要作用，它是電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，針對電子系統(tǒng)電磁干擾問題，現(xiàn)階段多采用濾波防護的方法保護電子系統(tǒng)免受外界電磁環(huán)境中強電磁波的干擾。該文將圍繞屏蔽電纜濾波防護研究這一話題，介紹幾種行之有效的屏蔽電纜濾波防護方法。

關(guān)鍵詞：屏蔽電纜;強電磁脈沖;電纜耦合作用;濾波防護

中圖分類號：TM24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

由于在復雜多變的外部電磁環(huán)境中，外界電磁波在對電子系統(tǒng)形成干擾時，最先接觸外包電纜，通過電纜耦合作用，進入電子系統(tǒng)內(nèi)部，降低電子系統(tǒng)的兼容性，從而破壞電子系統(tǒng)功能的正常運行。屏蔽電纜較之于普通的電纜，能夠在一定程度上減小對外界電磁波的耦合作用，但是由于屏蔽電纜多為編織型結(jié)構(gòu)，依然會存在電磁耦合作用。鑒于此，工業(yè)上多采用濾波防護這一保護措施用于抵抗屏蔽電纜電磁耦合作用產(chǎn)生的電磁干擾。

1 屏蔽電纜濾波防護類型

外部復雜的電磁環(huán)境中發(fā)射出來的電磁波，其電磁波的頻譜帶寬一般要寬于工作電波頻率。為了防止工作頻率外的其他干擾性電磁波沿著屏蔽電纜線傳輸至電子系統(tǒng)內(nèi)部，通常會在電子系統(tǒng)的接入端口中加入濾波器過濾到工作頻率外的干擾電磁波，從而確保電子系統(tǒng)免受外界電磁波的干擾。根據(jù)濾波器對電子系統(tǒng)輸入端口的能量處理特性不同，將屏蔽電纜線濾波防護類型分為兩大類，即：反射型濾波防護和吸收型濾波防護。

1.1 反射型濾波防護

反射型濾波防護采用的濾波器是反射型濾波器，一般來說，反射型濾波器是由電容器、電感等無損耗的電抗原件組成的。使用反射型濾波器用于屏蔽電纜的濾波防護，能夠有效地保證工作信號在經(jīng)過輸入端反射型濾波器時，能量損耗降至最低。當工作電波信號攜帶著外界電磁波干擾信號一并進入電子系統(tǒng)輸入端時，在反射型濾波器的過濾作用下，阻帶內(nèi)的電波能量會由于輸入端口失配而返回至信號源發(fā)生處。常用的反射型濾波器有LC集總元件濾波器。

1.2 吸收型濾波防護

吸收型濾波防護在電子系統(tǒng)輸入端口接入的是吸收型濾波器。吸收型濾波器和反射型濾波器工作原理不同，它在濾波電路中加入了有耗元件，是通過將工作頻率以外的電磁波信號在濾波電路中轉(zhuǎn)化為熱能的形式消耗掉，從而實現(xiàn)對干擾電波的去除。工業(yè)上常用的吸收型濾波器常常含有鐵氧體材料，象磁環(huán)等。除此之外，按照電子系統(tǒng)輸入端對輸入電波信號的頻率選擇特性不同，還可以將濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器和帶通濾波器4種。

2 屏蔽電纜濾波防護設(shè)計

2.1 常見濾波器電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于低通濾波器而言，借助于在濾波電路中串聯(lián)電感元件和并聯(lián)電容元件，利用二者之間不同的組合方式實現(xiàn)對工作頻率外的輸入電波信號的攔截。根據(jù)濾波電路中電容元件和電感元件的在電路結(jié)構(gòu)中的分布情況不同，可以將其分為L型、T型、π型3種，其各自的特點見表1。

濾波電路特點 在濾波電路中串聯(lián)一個電感元件，再并聯(lián)一個電容元件。 在濾波電路中串聯(lián)2個電感元件后，再并聯(lián)一個電容元件。 在濾波電路中串聯(lián)一個電感元件后，再并聯(lián)2個電容元件。

目前多采用插入損耗法來設(shè)計濾波器，插入損耗法基于電路網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)，由于綜合考慮了對電子系統(tǒng)中輸入電波信號的整體頻帶響應效果，設(shè)計的濾波器濾波功能更精確，能夠最大限度地濾去工作電波頻率以外的干擾電波頻帶。插入損耗法通過轉(zhuǎn)移函數(shù)來確定濾波器電路網(wǎng)絡(luò)中所需要的電感元件、電容元件的相關(guān)特性參數(shù)，用于指導電路中無耗元件的使用。在濾波器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計中用到的轉(zhuǎn)移函數(shù)有切比雪夫函數(shù)、巴特沃斯函數(shù)、橢圓函數(shù)、貝塞爾函數(shù)等，使用不同的轉(zhuǎn)移函數(shù)設(shè)計得到的濾波器，對電子系統(tǒng)輸入電波信號的頻率響應特性也有所差異。

2.2 濾波器的設(shè)計流程

濾波器的設(shè)計一般包括3個步驟，即：混合算法、濾波防護設(shè)計、電路仿真測試。其中，混合算法主要是用來分析無附加濾波器時，屏蔽電纜線路中的負載時域響應特征。線路空載時域響應特征的分析常用時域混合算法來完成。在濾波防護設(shè)計中，通過分析電子系統(tǒng)中輸入電信號的頻譜，進而確定濾波防護的設(shè)計目標，運用插入損耗法，通過轉(zhuǎn)移函數(shù)確定濾波電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中電容、電感元件的特性參數(shù)。電路仿真要基于傳輸線方程建立屏蔽電纜耦合模型，根據(jù)仿真軟件的模擬結(jié)果來確定是否滿足設(shè)計要求。如果仿真模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求，需要運用時域混合算法分析有濾波器負載時的濾波電路時域響應特征。如果仿真模擬結(jié)果不滿足濾波器的設(shè)計要求，則要重新調(diào)整設(shè)計目標，重新搭建屏蔽電纜耦合仿真模型。

3 屏蔽電纜濾波防護應用實例分析

以一根長度L=1 m，半徑r=1.52 mm，架設(shè)高度h=3 cm的屏蔽電纜為研究對象，并在其芯線兩端分別接一個電阻值大小為50 Ω的固定電阻，干擾電磁波為標準核電磁脈沖，為強電磁脈沖，使之垂直輻射屏蔽電纜。先在空載（電纜線輸入端口不接任何濾波器）條件下，測定其時域響應電壓變化曲線和無濾波防護下的輸入電波頻譜分布。再分別在電纜輸入端接入π型濾波器（L=7.96nH，C1=C2=1.59nf）和T型濾波器（L1=L2=7.96nH，C3.18nf），測定其S參數(shù)變化曲線、時域響應電壓變化曲線、頻譜分布變化曲線，用以表征其濾波防護性能。

通過仿真模擬分析結(jié)果可知，經(jīng)過T型、π型的濾波作用，只有0 MHz～2 MHz的干擾信號通過率濾波器，其他的輸入電波信號全部被濾除。

4 結(jié)語

作為電子系統(tǒng)常用的后門耦合路徑，屏蔽電纜很容易耦合強電磁脈沖。強電磁脈沖由于能夠產(chǎn)生短時間、高頻率、寬頻帶、高能量密度的一類電磁波，使電子系統(tǒng)所處的環(huán)境中電磁干擾性極強。強電磁脈沖產(chǎn)生的高干擾性電磁波在屏蔽電纜耦合作用下，進入電子系統(tǒng)內(nèi)部，導致電子系統(tǒng)的輸入輸出因無法承受瞬間的高能、高壓變化而損壞。濾波防護由于能夠濾除工作頻率以外的干擾電磁波，在電子系統(tǒng)防護上應用較為廣泛，值得大力推廣。

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