屏蔽電纜的屏蔽效能和轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系分析

南京全信傳輸科技股份有限公司 劉永青 王 杰 郭玉林

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在5G時(shí)代下通信信號(hào)頻率逐漸提升，電磁兼容逐漸引起人們的研究重視，在設(shè)備中互連電纜通常作為導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生超標(biāo)電磁輻射的關(guān)鍵原因，所以設(shè)計(jì)屏蔽電纜，運(yùn)用金屬材料包裹信號(hào)線，不僅能阻擋外部環(huán)境下電磁信號(hào)對(duì)電纜傳輸造成耦合干擾，還可降低電纜在信號(hào)傳輸中向外界輻射電磁干擾，但也增加了信號(hào)成本投入[1]。

對(duì)考慮到應(yīng)用環(huán)境不同，對(duì)電纜屏蔽效能的需求也各有不同，諸多研究者展開對(duì)屏蔽電纜的屏蔽效能量化評(píng)估研究。轉(zhuǎn)移阻抗作為目前學(xué)術(shù)界對(duì)電纜屏蔽性能廣泛應(yīng)用最有效的評(píng)估指標(biāo)，提出三同軸法、四同軸法、電流探針法、線注入法等測(cè)試方法[2]，本文提出應(yīng)用三同軸法是因?yàn)榇朔N測(cè)試方法較其他方法低成本，操作簡(jiǎn)單。接下來本文將對(duì)屏蔽電纜的屏蔽效能與轉(zhuǎn)移阻抗關(guān)系展開研究分析。

1 轉(zhuǎn)移阻抗三同軸測(cè)量方法

1.1 AS 理論模型

三同軸測(cè)量法自上世紀(jì)60年代便被用于空間電磁場(chǎng)、屏蔽線纜耦合問題研究中，泄露射頻信號(hào)不僅有關(guān)于線纜小孔耦合，同軸電纜編織層磁通互聯(lián)同樣作為泄露問題的發(fā)生原因。在此基礎(chǔ)上Vance簡(jiǎn)化了小孔電磁耦合與編織層電磁互聯(lián)模型[3]，推導(dǎo)得出屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗與轉(zhuǎn)移導(dǎo)納計(jì)算公式，Sali對(duì)該理論模型改進(jìn)提高有效性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作大量分析，進(jìn)一步考慮電纜編織層磁場(chǎng)渦流作用，之后運(yùn)用小參數(shù)近似指數(shù)模型對(duì)任意長度屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗進(jìn)行描述[4]。

1.2 修正因子

假若電學(xué)中短電纜滿足條件fmax≤40/L，于是存在[exp(ax)-1]/x～a 和exp(-bx)～1，可 忽 略低頻波段公式如下：Zt=(VL/VsY01L)×[4(1-ρuρ22)(1-ρ2ρu)/(1+ρ22)(1-ρ11)(1-ρ12)(1-ρ21)]。

式中：由驅(qū)動(dòng)線看向信號(hào)源端、接收機(jī)端的兩個(gè)反射系數(shù)分別用ρ11、ρ21表示；在匹配端、接收機(jī)兩端測(cè)試線的兩個(gè)反射系數(shù)分別用ρ12、ρ22表示；信號(hào)源開路電壓用Vs表示；驅(qū)動(dòng)線導(dǎo)納用Y01表示。

在實(shí)際測(cè)試過程中，通常是在儀器由外至內(nèi)測(cè)試獲得反射系數(shù)，因此在ρ12=ρin、ρ22=-ρout基礎(chǔ)上，引入饋如內(nèi)部電路功率P1，外部電路功率P2，可得[5]：P1=Vs2ZD/(ZD+Zg)2、P2=VL2/ZD、1/Y01=Z01=Zg(1-ρu)/(1+ρ11)。其中修正因子如下[6]：F=4(1+ρ12ρ22m)(1+ρ22ρ11m)/(1-ρ11m)(1-ρ22m)(1-ρ12)(1-ρ21)。

根據(jù)上述功能公式能發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際測(cè)試過程中所獲P2、P1兩值，在固定信號(hào)源Zg與接收機(jī)阻抗ZD條件下，一旦確定被測(cè)試樣長度，所得轉(zhuǎn)移阻抗便相關(guān)于修正因子F。

2 屏蔽電纜屏蔽效能

在屏蔽電纜中某一電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)值，經(jīng)傳輸線理論對(duì)各點(diǎn)電流計(jì)算，電偶極子計(jì)算線上各點(diǎn)輻射，之后積分可得整根電纜輻射。為了方便分析簡(jiǎn)化無屏蔽與有屏蔽兩種條件下的電纜輻射情況（圖1）。

圖1 電纜輻射

如圖1所示，無屏蔽電纜輻射公式為E1=KeI1，式中：對(duì)地回路共模輻射因子用Ke表示，長度用l表示，離地高度用h 表示，頻率用Fu表示，距離觀測(cè)點(diǎn)用D 表示；有屏蔽電纜輻射中公式為[7]E2= Kel2+KDI1，式中：對(duì)地回路共模輻射因子用Ke表示，差?；芈份椛湟蜃佑肒D表示。

在較小電纜半徑較大電纜離地高度情況下，因?yàn)檩^小的差模輻射回路面積，等同的差模電流大小，相反方向下KD結(jié)果較小，較大的共模輻射回路面積，相應(yīng)的獲得較大Ke值，這時(shí)可得到屏蔽電纜屏蔽效能如下，可發(fā)現(xiàn)屏蔽電纜的屏蔽效能約為屏蔽表層電流與芯線電流比值。

3 轉(zhuǎn)移阻抗與屏蔽效能關(guān)系測(cè)試

3.1 測(cè)試設(shè)計(jì)

以VANCE 編制電纜轉(zhuǎn)移阻抗計(jì)算公式，計(jì)算可得屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗值，代入公式（1）可得屏蔽電纜的屏蔽效能。選取某四芯數(shù)據(jù)電纜為本次測(cè)試試樣，該屏蔽電纜的單絲直徑1mm、用d 表示，每一股電纜分別9根單絲，共計(jì)16股、26mm 節(jié)距，1～50MHz 的測(cè)試頻率范圍。使用雙短路法對(duì)比電阻饋電法的兩種測(cè)試結(jié)果（表1），能發(fā)現(xiàn)在2次測(cè)試中，雙短路法獲得結(jié)果一致性較好，電阻饋電法相比之下不如雙短路法，尤其在電纜曲線左右兩端更加明顯。

表1 不同測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.2 測(cè)試結(jié)果

在10kHz～10MHz 范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移阻抗所受屏蔽電纜散射所致轉(zhuǎn)移阻抗，與頻率呈負(fù)相關(guān)，頻率遞增轉(zhuǎn)移阻抗遞減，屏蔽效能則與頻率呈正相關(guān)隨之上升。在107頻率點(diǎn)之后，轉(zhuǎn)移阻抗值則與小孔耦合所致轉(zhuǎn)移阻抗相關(guān)，在20dB 轉(zhuǎn)移阻抗的10倍頻增加情況下，108頻率點(diǎn)之后屏蔽電纜的屏蔽效能逐漸振蕩式減少。

在一致電纜編織參數(shù)下，設(shè)計(jì)10cm 屏蔽電纜離地高度，分別為0.1m、0.5m、1m 電纜長，根據(jù)圖示能發(fā)現(xiàn)：三條曲線在10MHz 頻率點(diǎn)并未發(fā)生變化，100MHz 頻率點(diǎn)與長度呈負(fù)相關(guān)，長度越短100MHz 頻率點(diǎn)越大。在10MHz 頻率點(diǎn)之前屏蔽電纜的屏蔽效能幾乎不變，但在10MHz 頻率點(diǎn)之后屏蔽效能隨著長度逐漸變短隨之增大，在100MHz頻率點(diǎn)之后三條屏蔽電纜的屏蔽效能均有所下降，呈20dB 每10倍頻率下降趨勢(shì)。

在一致電纜編織參數(shù)下，1m 電纜長度、10cm與100cm 的電纜離地高度，根據(jù)圖示能發(fā)現(xiàn)，在10MHz 頻率點(diǎn)與100MHz 頻率點(diǎn)獲得同樣結(jié)果，這一情況反映屏蔽電纜長度并未改變。屏蔽電纜越高的離線高度屏蔽效能就會(huì)越大，并且根據(jù)上文公式也可發(fā)現(xiàn)，隨著屏蔽電纜離地高度的逐漸增加，會(huì)增大對(duì)地單位長度電感，減少對(duì)地回路共模輻射電流，屏蔽電纜的屏蔽效能有效提升。

在一致的電纜編織參數(shù)中，35股與24股電纜均為1m 電纜、10cm 電纜離地高度，發(fā)現(xiàn)隨著逐漸增加的股數(shù)1MHz 逐漸增加轉(zhuǎn)移阻抗遞減，二者呈負(fù)相關(guān)。在1MHz 之后屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗同樣呈20dB 每10倍頻率下降趨勢(shì)，基本達(dá)到大約60dB的轉(zhuǎn)移阻抗差值。屏蔽電纜的股數(shù)越大屏蔽效能則越小，因?yàn)楸敬螠y(cè)試并未改變電纜長度，所以在100MHz 轉(zhuǎn)移阻抗基本不變。