同軸電纜串?dāng)_的測(cè)試與分析

王錢礬 ，王國(guó)棟

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044）

在車載系統(tǒng)中，電纜主要用于聯(lián)接不同的系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間能量與信息的有效傳輸和交換。電纜作為傳輸有用信號(hào)的重要途徑，干擾信號(hào)也通過(guò)各種耦合進(jìn)入系統(tǒng)或分系統(tǒng)中的連接電纜。串?dāng)_是指相互靠近的導(dǎo)線之間的電磁耦合，串?dāng)_嚴(yán)重會(huì)使設(shè)備遭受干擾而導(dǎo)致性能下降或功能不正常。因此，在對(duì)車載電纜進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮電磁兼容性。

1 電纜的耦合機(jī)理

串?dāng)_是一個(gè)近場(chǎng)耦合問(wèn)題，即r<λ/2π（λ為干擾波波長(zhǎng))時(shí)，它使一條線中的信號(hào)耦合至另一條線中產(chǎn)生干擾信號(hào)。近場(chǎng)耦合有電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合。電場(chǎng)耦合也叫電容耦合,一根導(dǎo)線上的能量通過(guò)2導(dǎo)線之間的耦合電容耦合到另一根導(dǎo)線上。電容耦合的條件是源回路導(dǎo)線中的電壓高，電流小，導(dǎo)線間的耦合主要通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行。磁場(chǎng)耦合也叫電感耦合，當(dāng)源電路導(dǎo)線中的電流大，但電壓較低時(shí)，源電路對(duì)接收電路的騷擾耦合主要通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行，可以用2個(gè)電路之間的互感來(lái)分析。2導(dǎo)線間的耦合量與干擾信號(hào)的頻率、電纜間距、電纜離地高度以及屏蔽層接地方式等因素有關(guān)。

2 同軸電纜串?dāng)_的測(cè)試

為了對(duì)電纜間串?dāng)_作進(jìn)一步的研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，在抗干擾度實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制定實(shí)驗(yàn)裝置，分別在頻域和時(shí)域上測(cè)量各相關(guān)參數(shù)對(duì)串?dāng)_的影響。

在頻域上測(cè)量時(shí)，我們采用射頻場(chǎng)感應(yīng)的方法，但由于電磁鉗使用頻率（9 kHz ~13.2 GHz）的限制，而且在9 kHz ~150 kHz頻率范圍內(nèi)來(lái)自射頻發(fā)射機(jī)的電磁場(chǎng)所引起的感應(yīng)騷擾不要求測(cè)量，所以只測(cè)量150 kHz ~30 MHz電纜間的串?dāng)_情況。對(duì)于150 kHz以下低頻情況下電纜間的串?dāng)_情況，我們采用在時(shí)域上測(cè)量再通過(guò)作FFT變換進(jìn)行比較的方法。在時(shí)域上測(cè)量時(shí)，我們采用注入浪涌信號(hào)的方法，用來(lái)模擬開(kāi)關(guān)或雷電瞬變過(guò)電壓引起的單極性浪涌（沖擊）對(duì)電纜的干擾情況。

2.1 頻域測(cè)試

在金屬地板上水平放置2根相互平行的同軸電纜，如圖1，電纜長(zhǎng)分別是10 m和4 m。10 m長(zhǎng)的電纜（用電纜G表示）用作模擬騷擾源，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器再通過(guò)10 dB衰減器進(jìn)入電磁鉗，將信號(hào)耦合到電纜G上，電纜G雙端接50Ω負(fù)載，并且屏蔽層雙端接地。4 m長(zhǎng)的電纜（用電纜R表示）用作模擬受擾電纜，電纜R一端接50Ω負(fù)載，另一端接入頻譜分析儀，測(cè)量終端串?dāng)_電壓。線槽用來(lái)模擬機(jī)車上電纜鋪設(shè)的實(shí)際串?dāng)_情況，線槽緊貼金屬地面，每個(gè)槽的寬度是10 cm。

圖1 頻域測(cè)試裝置圖

圖中，信號(hào)發(fā)生器為E8257C 250 kHz ~20 GHz，功率放大器為MODEL 2 5 0 L-CE 0.01~220 MHz 50 WATTS，頻譜分析儀為E7404A 9 kHz ~13.2 GHz，同軸電纜型號(hào)為KSR 400，特征阻抗為50 Ω，電流鉗用來(lái)測(cè)量電纜G上的電流。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為-3 dBm，功率放大器性能≥47 dB。

（1） 移走線槽，將2根電纜緊貼地面，電纜G固定，移動(dòng)電纜R分別至間距5 cm、10 cm、20 cm處，電纜R屏蔽層雙端接地，分別測(cè)量不同電纜間距時(shí)的串?dāng)_電壓，見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，隨著電纜間距的增大，串?dāng)_電壓逐漸減小。這是因?yàn)殡S著間距的增大，互電感和互電容都減小，所以串?dāng)_減小。

（2）移走線槽，將2根電纜放置間距20 cm處，電纜R屏蔽層雙端接地，分別測(cè)量2根電纜在緊貼地面和離地10 cm 2種情況下的串?dāng)_電壓，見(jiàn)圖3。可以看出，隨著電纜離地高度的增大，串?dāng)_電壓也增大。這是因?yàn)榛ル姼信c受干擾電路的面積有關(guān)，離地高度越高，回路面積越大，互電感也就越大，所以串?dāng)_也增大。

（3）移走線槽，將2根電纜緊貼地面，放置間距20 cm處，改變電纜R的屏蔽層的接地方式，測(cè)量不同情況下的串?dāng)_電壓，見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，低頻時(shí)，屏蔽層雙端接地情況下的串?dāng)_電壓明顯大于單端接地情況下的串?dāng)_電壓，而在高頻時(shí)，屏蔽層雙端接地情況下的串?dāng)_電壓則要小于單端接地的情況。這是因?yàn)?，屏蔽層雙端接地雖然有磁屏蔽作用，但在低頻時(shí)由于地環(huán)路的影響，實(shí)際效果并不理想，相反單端接地則可以避免地環(huán)路的影響；而當(dāng)頻率比較高時(shí)，由于高頻集膚效應(yīng)地環(huán)路的噪聲電流在屏蔽層的外表面流動(dòng)，屏蔽層雙端接地的磁屏蔽作用將大大增強(qiáng)。

（4）將2根電纜分別置于線槽第1、2個(gè)槽中，緊貼底板，電纜R屏蔽層雙端接地，測(cè)量出電纜R上的串?dāng)_電壓，并將其與在沒(méi)有線槽的情況下進(jìn)行比較，見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，電纜放置在線槽內(nèi)時(shí)的串?dāng)_電壓明顯小于沒(méi)有線槽時(shí)的串?dāng)_電壓。這是由于將線槽緊貼金屬板地面，就等于在2根電纜外面分別又套上了一個(gè)屏蔽層，屏蔽效果自然增強(qiáng)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們還注意到，隨著頻率的升高，串?dāng)_有震蕩趨勢(shì)，這是因?yàn)殡娎|的分布電感與分布電容產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。

圖2 不同間距下的串?dāng)_情況

圖3 不同離地高度下的串?dāng)_情況

2.2 時(shí)域測(cè)量

圖4 屏蔽層不同接地方式下的串?dāng)_情況

圖5 有無(wú)線槽時(shí)的串?dāng)_情況

在金屬地板上水平放置2根相互平行的同軸電纜，電纜長(zhǎng)分別是10 m和4 m。10 m長(zhǎng)的電纜（用電纜G表示）用作模擬騷擾源，通過(guò)抗擾度綜合測(cè)試儀發(fā)出一個(gè)浪涌信號(hào)，電纜G雙端接50 Ω負(fù)載，并且屏蔽層雙端浮地。4 m長(zhǎng)的電纜（用電纜R表示）用做模擬受擾電纜，電纜R一端接50Ω負(fù)載，另一端接入數(shù)字示波器，測(cè)量終端串?dāng)_電壓。

實(shí)驗(yàn)中，抗擾度綜合測(cè)試儀為KeyTek的EMC Pro，數(shù)字示波器為Tek DPO 3052，抗擾度綜合測(cè)試儀發(fā)出的浪涌信號(hào)幅值為2 kV。

（1）將2根電纜放置間距5 cm處，電纜R屏蔽層雙端接地，分別測(cè)量2根電纜在緊貼地面和離地10 cm 2種情況下的串?dāng)_電壓，見(jiàn)圖6。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，電纜緊貼地面時(shí)，串?dāng)_電壓幅值為123 mV；電纜離地高度為10 cm時(shí)，串?dāng)_電壓的幅值為392 mV。對(duì)上述時(shí)域波形分別作FFT變換并進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)在3 kHz ~150 kHz范圍內(nèi)，電纜距離地面10 cm時(shí)的串?dāng)_響應(yīng)明顯大于電纜緊貼地面的情況。

（2）將2根電纜緊貼地面，放置間距5 cm處，改變電纜R屏蔽層的接地方式，測(cè)量不同情況下的串?dāng)_電壓，見(jiàn)圖7。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，屏蔽層雙端接地時(shí)。串?dāng)_電壓幅值為123 V；而當(dāng)屏蔽層單端接地時(shí)，串?dāng)_電壓的幅值為18.4 mV。對(duì)上述時(shí)域波形分別作FFT變換，并進(jìn)行比較。可以發(fā)現(xiàn)在3 kHz～150 kHz范圍內(nèi)，屏蔽層雙端接地時(shí)的串?dāng)_響應(yīng)明顯大于屏蔽層單端接地的情況，這是由于低頻時(shí)地環(huán)路影響比較嚴(yán)重造成的。

圖6 不同離地高度的串?dāng)_情況

圖7 屏蔽層不同接地方式下的串?dāng)_情況

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果，可以得出：串?dāng)_隨著電纜間距的增大而減小，隨著電纜離地高度的增加而增大；在高頻時(shí)，串?dāng)_呈震蕩趨勢(shì)；在低頻時(shí)屏蔽層單端接地屏蔽效果比較好，在高頻時(shí)屏蔽層應(yīng)雙端接地。這與理論分析結(jié)果一致，說(shuō)明該測(cè)試方法是可靠的。依此得出減小串?dāng)_的措施，為在實(shí)際中的電纜布線提供一定的幫助。

[1]Clayton R. Paul and Betty A. Bow les. Symbolic Solution of the Multi-conductor Transm ission-Line Equations for Lines Containing Shielded Wires. IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility[J]. 1991（8）: 149-162.

[2]王天順. 電磁場(chǎng)對(duì)飛機(jī)電纜耦合的預(yù)測(cè)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，1996（1）.

[3]Tim Williams 著. 李 迪，等譯. EMC for Product Designers,Fourth Edition[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008（3）.

[4] 沙 斐. 機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，1999.