電纜上的干擾與對策

（一）　　

 

　　電纜是系統(tǒng)中導致電磁兼容問題的最主要因素。

 

　　因此，在實際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：當將設(shè)備上的外拖電纜取下來時，設(shè)備就可以順利通過試驗，在現(xiàn)場中遇到電磁干擾現(xiàn)象時，只要將電纜拔下來，故障現(xiàn)象就會消失。這是因為電纜是一根高效的接收和輻射天線。另外，電纜中的導線平行傳輸?shù)木嚯x最長，因此導線之間存在較大的分部電容和互電感，這會導致導線之間發(fā)生信號的串擾。

　　

　　解決電纜問題的主要方法之一是對電纜進行屏蔽，但是屏蔽電纜應(yīng)該怎樣端接，怎樣的屏蔽電纜才是有效的，等一系列問題是普遍關(guān)心而模糊的問題。本節(jié)討論電纜的輻射問題、電磁場對電纜的干擾問題、導線之間的信號串擾問題，以及這些問題的對策。

 

1 電纜的輻射問題

 

　　電纜的輻射問題是工程中最常見的問題之一，90%以上的設(shè)備（主要是含脈沖電路的設(shè)備）不能通過輻射發(fā)射試驗都是由于電纜輻射造成的。電纜產(chǎn)生輻射的機理有兩種，一種是電纜中的信號電流（差模電流）回路產(chǎn)生的差模輻射，另一種是電纜中的導線（包括屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射主要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的，共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地（或鄰近其它大型導體）形成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會產(chǎn)生較強的輻射

 

　　共模電流是如何產(chǎn)生的往往是許多人困惑的問題。要理解這個問題，首先明確共模電壓是導致共模電流的根本原因，共模電壓就是電纜與大地（或鄰近的其它大型導體）之間的電壓。從共模電壓出發(fā)，尋找導致共模電流的原因就容易了，而導致一個問題的原因一旦清楚，解決這個問題就不是很困難了。電纜上的共模電流產(chǎn)生的原因有以下幾點：差模電流泄漏導致的共模電流.即使電纜中包含了信號回線，也不能保證信號電流100%從回線返回信號源，特別是在頻率較高的場合，空間各種雜散參數(shù)為信號電流提供了第三條，甚至更多的返回路徑。這種共模電流雖然所占的比例很小，但是由于輻射環(huán)路面積大，輻射是是不能忽視的。

 

　　不要試圖通過將電路與大地“斷開”（將線路板與機箱之間的地線斷開，或?qū)C箱與大地之間的地線斷開）來減小共模電流，從而減小共模輻射。將電路與大地斷開僅能夠在低頻減小共模電流，高頻時寄生電容形成的通路已經(jīng)阻抗很小。共模電流主要由雜散電容產(chǎn)生。當然，如果共模輻射的問題主要發(fā)生在低頻，將線路板或機箱與大地斷開會有一定效果。從共模電流產(chǎn)生的機理可知，減小這種共模電流的有效方法是減小差?；芈返淖杩?，從而促使大部分信號電流從信號地線返回。

 

　　一般信號線與回線靠得越近，則差模電流回路的阻抗越小。一個典型的例子就是同軸電纜，由于同軸電纜的回流電流均勻分布在外皮上，其等效電流與軸心重合，因此回路面積為零，差模阻抗接近為零，幾乎100%的信號電流從同軸電纜的外皮返回信號源，共模電流幾乎為零，所以共模輻射很小。另一方面，由于差模電流回路的面積幾乎為零，差模輻射也很小，所以同軸電纜的輻射是很小的。對于高頻信號，用同軸電纜傳述可以避免輻射。實際上，這與我們傳統(tǒng)上用同軸電纜傳輸高頻信號，以減小信號的損耗的目的具有相同的本質(zhì)。因為信號的損耗小了，自然說明泄漏的成份少了，而這部分泄漏就是電纜的輻射。

 

　　線路板的地線噪聲導致的共模電流。信號地線就是信號的回流線，因此，地線上的兩點之間必然存在電壓，對于高頻電路而言，這些就是高頻噪聲電壓，它作為共模電壓驅(qū)動電纜上的共模電流，導致共模輻射。線路板設(shè)計一章中提供的各種減小地線阻抗的設(shè)計方法，可以用來減小地線上的噪聲，從而減小共模電壓。一種推薦的方法是在電纜端口設(shè)置“干凈地”。所謂干凈地就是這塊地線上沒有可以產(chǎn)生噪聲的電路，因此地線上的局部電位幾乎相等。如果機箱是金屬機箱，將這塊干凈地與金屬機箱連接起來。機箱內(nèi)電磁波空間感應(yīng)導致的共模電流。

 

　　機箱內(nèi)總是充滿了電磁波的，這些電磁波會在電纜上感應(yīng)出共模電壓，另外，電纜端口的附近也會有一些產(chǎn)生高頻電磁場的電路，這些電路與電纜之間存在著電容性耦合和電感性耦合，在電纜上形成共模電壓。電磁感應(yīng)產(chǎn)生的共模電壓。需要注意的是，機箱內(nèi)的電磁波大多由電路的差模輻射所至，在線路板設(shè)計一章，我們討論了脈沖信號差模輻射的頻譜，可知其頻率范圍是很寬的。這導致了共模電壓的頻率往往遠高于我們所預(yù)期的值。  

 
（二）

 

　　電纜長度：在滿足使用要求的前提下，盡量使用短的電纜。但電纜長度往往受到設(shè)備之間連接距離的限制，不能隨意縮短。而且，當電纜的長度不能減小到波長的一半以下時，減小電纜長度也沒明顯效果；增加共模電流環(huán)路的阻抗：目的是減小共模電流，因為在共模電壓一定的情況下，增加共模電流路徑的阻抗可以減小共模電流；減小共模電壓：目的是減小共模電流，當共?；芈纷杩挂欢〞r，減小共模電壓就可以減小共模電流；低通濾波器濾波：目的是減少高頻共模電流成份，這些高頻共模電流的輻射效率很高；電纜屏蔽：目的是為共模電流提供一條環(huán)路面積較小的路徑。下面介紹在實際工程中應(yīng)用上述概念的方法。

 

　　1 增加共模電流回路的阻抗

 

　　設(shè)備組裝完成后，設(shè)備電纜上產(chǎn)生的共模電壓也就一定了。這時，減小電纜上的共模電流的方法就是增加共模電流回路的阻抗。但是怎樣增加共模回路的阻抗是許多工程師困惑的問題。他們往往試圖通過斷開線路板與機箱之間的連接，或者機箱與安全地之間的連接，來增加共?；芈返淖杩梗Y(jié)果往往令人失望。因為這些方法僅對低頻有效，而低頻共模電流并不是輻射的主要原因。

 

　　實用而有效的方法是在電纜上串聯(lián)共模扼流圈，共模扼流圈能夠?qū)材ｋ娏餍纬奢^大的阻抗，而對差模信號沒有影響，因此使用上很簡單，并且共模扼流圈不需要接地，可以直接加到電纜上。將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一個共模扼流圈，根據(jù)需要，也可以將電纜在磁環(huán)上繞幾匝。為了工程方便，很多廠家提供分體式的磁環(huán)，這種磁環(huán)可以很容易地卡在電纜上。 電纜上套了鐵氧體磁環(huán)后，輻射強度的改善量取決于原來共模電流回路的阻抗，從共模輻射的公式容易推導出下面的結(jié)論 （推導中，應(yīng)用共模電壓不變的條件）：

 

　　共模輻射改善 ＝ 20lg（E1 / E2）= 20lg（ICM1 / ICM2）

 

　?。?0lg（ZCM2 / ZCM1）

 

　?。?0lg （ 1 + Z/ZCM1） {{分頁}}

 

　　式中：

 

　　E1＝加鐵氧體前的輻射強度，

 

　　E2＝加鐵氧體后的輻射強度，

 

　　ICM1＝加鐵氧體前的共模電流，

 

　　ICM2＝加鐵氧體后的共模電流，

 

　　ZCM2＝加鐵氧體后的共模環(huán)路阻抗，

 

　　ZCM1＝加鐵氧體前的共模環(huán)路阻抗，

 

　　Z＝共模扼流圈的阻抗。

 

　　例如，如果沒加共模扼流圈時的共模電流環(huán)路阻抗為100W，共模扼流圈的阻抗為1000 W，則共模輻射改善為20dB，而如果原來的共模電流環(huán)路阻抗為1000W，則改善量僅為6dB。 為了獲得預(yù)期的干擾抑制效果，在使用鐵氧體磁環(huán)時，需要注意以下問題：

 

　　a. 鐵氧體材料的選擇：根據(jù)要抑制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導率的鐵氧體材料。鎳鋅鐵氧體材料的高頻特性由于錳鋅鐵氧體材料，并且鐵氧體材料的磁導率越高，低頻的阻抗越大，而高頻的阻抗越小。這是由于導磁率高的鐵氧體材料電導率較高，當導體穿過時，形成電纜與磁環(huán)之間的寄生電容較大。

 

　　b.鐵氧體磁環(huán)的尺寸：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導線。因此，要獲得大的衰減，在磁環(huán)內(nèi)徑包緊電纜的前提下，盡量使用體積較大的磁環(huán)

 

　　c.共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗，但是由于匝間寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤。當需要抑制的干擾頻帶較寬時，可在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。

 

　　例：某設(shè)備有兩個超標輻射頻率點，一個是為40MHz，另一個為900MHz。經(jīng)檢查，確定是電纜的共模輻射所致。在電纜上套一個磁環(huán)（1/2匝），900MHz的干擾明顯減小，不再超標，但是40MHz頻率仍然超標。將電纜在磁環(huán)上繞3匝，40MHz干擾減小，不再超標，但900MHz超標。為了解決這個問題，使用了兩個鐵氧體磁環(huán)，一個1/2匝，另一個3匝。

 

　　d.電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)：增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)，可以增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是因為電纜與磁環(huán)之間的寄生電容增加的緣故。

 

　　e.鐵氧體磁環(huán)的安裝位置：一般盡量靠近干擾源或敏感源。對于屏蔽機箱上的電纜，磁環(huán)要盡量靠近機箱的電纜進出口。 由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于原來共模環(huán)路的阻抗，原來回路的阻抗越低，則磁環(huán)的效果越明顯。因此當原來的電纜兩端安裝了共模濾波電容時，由于其共模阻抗很低，磁環(huán)的效果更明顯。

（三） 電磁場對電纜的影響

 

　　電纜處于電磁場中時，電纜上會感應(yīng)出噪聲電壓。與電纜輻射的情況相對應(yīng)，電磁場在電纜上感應(yīng)出的電壓也分為共模和差模兩種。共模電壓是電磁場在電纜與大地之間的回路產(chǎn)生的，差模電壓是電磁場在信號線與信號地線形成的回路中產(chǎn)生的。當電路是非平衡電路時，共模電流會轉(zhuǎn)換成差模電壓，對電路形成干擾。由于信號線與信號地線形成的回路面積很小，因此噪聲電壓仍以共模為主。

 

　　1. 電磁場在電纜上感應(yīng)出的電壓

 

　　電纜很靠近地面時：電場分量垂直于地面，磁場分量垂直于導線-地面回路時，感應(yīng)最強。

 

　　電纜很遠離地面時：電場分量平行于地面，磁場分量垂直于導線-地面回路時，感應(yīng)最強。 {{分頁}}

 

　　電磁場在導線中感應(yīng)出的電壓是共模形式的，負載上的電壓是以系統(tǒng)中的公共導體或大地為參考點的，一般以系統(tǒng)中參考地線面為參考點。對于多芯電纜，這意味著電纜中的所有導體都暴露在同一個場中，它們上面所感應(yīng)的電壓取決于每根導體與參考點之間的阻抗。

 

　　2.電纜對低頻磁場的抑制

 

　　低頻磁場干擾在實際中是很常見的，例如電源線的附近、馬達或變壓器的附近等。當電纜穿過這種磁場時，電纜所連接的電路中就會產(chǎn)生干擾。這種干擾是由于導體回路面積所包圍的磁通量發(fā)生變化所致。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，導體上感應(yīng)的電壓幅度與它所包圍的磁通變化率成正比。如果回路面積所含的磁通量為j ，則：

 

　　VN＝（d j / dt）

 

　　如果假設(shè)回路面積A中所包圍的磁場是均勻的，也即，回路中各點的磁通密度B是相等的，則 j = A B ，則：

 

　　VN＝ A（dB / dt）

 

　　如果磁場按正弦規(guī)律變化，且表示成：

 

　　B＝B0e-jwt

 

　　則： VN＝ j wA B 

 

　　從公式中，可以看出，感應(yīng)電壓與磁場的頻率、磁通密度、回路面積等成正比。由于外界干擾場的頻率是不受控的，因此為了減小感應(yīng)電壓，應(yīng)盡量減小回路中所包圍的磁通密度和回路的面積。減小磁通密度只能通過增加電纜與磁場輻射源之間的距離來實現(xiàn)。減小回路面積可以通過使用適當?shù)碾娎|和接地方式來實現(xiàn)。克服磁場的干擾有效方法是減小回路的面積，也就是使信號線與其回線盡量靠近

 

　　雙絞線和同軸線在減小磁場干擾方面有很好的效果。雙絞線：雙絞線能夠有效地抑制磁場干擾，這不僅是因為雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積，而且因為雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，因此相互抵銷。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯。

 

　　但是，如果電路的兩端接地，則不再具有上述特征。因為這時每根導線與地平面之間構(gòu)成了一個面積很大的回路，在這個回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于兩根導線是不平衡的，因此會產(chǎn)生差模電壓。同軸電纜：當同軸電纜適當連接時，對磁場干擾的抑制效果是十分理想的。因為同軸電纜上信號電流與回流可以等效為在幾何上重合，其面積為0。

 

　　為了保持同軸電纜的這個特性，在電纜的兩端，非同軸部分，要保持面積盡量小。即屏蔽層的聯(lián)線盡量短。實際的同軸電纜，由于芯線與外層不一定是完全同心，因此會有一定的等效面積，影響其抑制效果。與雙絞線的情況相似，同軸線的兩端也不能接地，否則在芯線與大地的回路中和外層與大地的回路中都會產(chǎn)生電流，由于電路非平衡性，會產(chǎn)生差模噪聲。

 

　　由于天線的對稱原理，上述結(jié)構(gòu)的電纜如果接收效率低，則它們的輻射效率也低，因此，雙絞線電纜和同軸電纜的輻射也較小。利用這個特點，可以減小電纜的磁場輻射。屏蔽電纜的效果與屏蔽層和電路的接地密切相關(guān)。特別是當外界干擾為磁場時，不同的連接方法效果大不相同。這組數(shù)據(jù)是在磁場中針對不同的接地結(jié)構(gòu)試驗獲得的：

 

　　結(jié)構(gòu)A：

 

　　在信號線上套一個非磁性材料的屏蔽套，并且單點接地。對于磁場而言，當非磁性材料的屏蔽層單點接地時，信號回路中的磁場沒有變化，因此磁場感應(yīng)是相同的，即這種結(jié)構(gòu)沒有屏蔽效果。這種情況屏蔽效果定義為0dB，作為參考點。

 

　　結(jié)構(gòu)B：

 

　　將A中的屏蔽層兩端接地。這時就能夠提供一定的屏蔽效能了。因為由屏蔽層與地平面構(gòu)成的環(huán)路中也感應(yīng)了電流，這個電流產(chǎn)生了一個與原磁場相反的磁場，使信號回路中的磁場減弱，感應(yīng)噪聲減小。

 

　　結(jié)構(gòu)C：

 

　　雙絞線本應(yīng)提供較好的屏蔽效果（由于相鄰絞節(jié)中感應(yīng)的電流方向相反，相互抵消），但由于電路兩端接地，實際的感應(yīng)回路并不小，因此效果較差。

　結(jié)構(gòu)D：

 

　　在雙絞線上加了一個單端接地的屏蔽層，由于單端接地的屏蔽層對磁場沒有屏蔽效果，因此并沒有改善雙絞線的屏蔽效能。

 

　　結(jié)構(gòu)E：

 

　　將屏蔽層兩端接地后，同B一樣，屏蔽層中的電流產(chǎn)生的反磁場削弱了原磁場，屏蔽效能有所提高。說明：結(jié)構(gòu)C是一種常見的錯誤，在實踐中要避免。

 

　　結(jié)構(gòu)F：

 

　　電路只在單點接地，利用電纜的屏蔽層作為回流路徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同軸電纜回路面積為0，不會感應(yīng)上任何噪聲電壓。實際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差。 {{分頁}}

 

　　結(jié)構(gòu)G：

 

　　雙絞線由于具有很小的感應(yīng)回路，并且相鄰絞節(jié)中的感應(yīng)電流對消，因此表現(xiàn)出較高的磁場屏蔽效果。實際的抑制效果比55更高，因為這里有些電場感應(yīng)了進來。這從結(jié)構(gòu)H可以看出。在結(jié)構(gòu)H中，單端接地的屏蔽層抑制了電場感應(yīng)，是屏蔽效果提高到70。

 

　　結(jié)構(gòu)H：

 

　　在G的基礎(chǔ)上增加一個單端接地的屏蔽層，消除了（實驗裝置產(chǎn)生的附加）電場的影響。這里的屏蔽效果沒有F高，是因為雙絞線的回路面積沒有同軸電纜的小。增加絞節(jié)密度可以進一步提高抑制效果。

 

　　結(jié)構(gòu)I：

 

　　將H中的屏蔽層兩端接地后，導致屏蔽效能下降。這是因為屏蔽層兩端接地后，在屏蔽層上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這個電流在雙絞線上感應(yīng)出電流，由于電路不是平衡的，導致產(chǎn)生差模電壓。

 

　　結(jié)構(gòu)J：

 

　　將H中的屏蔽層非接地的一端接到電路公共端，進一步提高了屏蔽效能，但沒有達到F的水平，因為F中的電纜是同軸電纜，具有很小的感應(yīng)回路。問題：結(jié)構(gòu)H的屏蔽效能比結(jié)構(gòu)G提高了一些，這是因為單端接地的屏蔽層消除了實驗裝置產(chǎn)生的附加額外的電場，為什么結(jié)構(gòu)D的屏蔽效能沒有比結(jié)構(gòu)C的屏蔽效能提高？

平衡電路：

 

　　平衡電路中的兩個導體及與其連接的所有電路對地或其它導體有相同的阻抗。

 

　　平衡電路對電磁場的響應(yīng)：平衡電路中的兩個導體幾何尺寸相同，并且靠得很近，因此可以認為是處于同一個場強。由于它們相對于任何參照物體的阻抗都相等，因此它們上面感應(yīng)的電流是相同的，在導體兩端相對于參考點的電壓也是相同的。因此兩根導體之間的電壓為0V。

 

　　若這兩個導體連接在電路的輸入端，為電路提供輸入信號電壓，由于它們之間沒有噪聲電壓，因此外界電磁場對電路的輸入沒有影響。理想的平衡電路能夠抵抗任何強度的電磁場干擾。

 

　　平衡電路性能的評估：平衡電路的平衡程度用共模抑制比來描述。共模抑制比定義為共模電壓與它所產(chǎn)生的差模電壓之比，常用分貝來表示。

 

　　CMRR＝20lg（VC/VD）dB 

 

　　例如，如果電路的共模抑制比為60dB，則1000V的共模電壓在電路的輸入端只能產(chǎn)生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等產(chǎn)生的共模干擾的性能很好。

 

　　設(shè)計良好的電路，其共模抑制比可以達到60-80 dB。但在高頻時，由于寄生參數(shù)的影響，電路的平衡性很難作得很好。所以，平衡電路對高頻的共模干擾也沒有很好的抑制效果。

 

　　注意1：

 

　　在使用平衡電路時，不僅要選用平衡電路，而且，在布線時也要保證兩根線的對稱性，這樣才能保證高頻的平衡性。

 

　　注意2：

 

　　雙絞線是一種平衡結(jié)構(gòu)雙絞線是一種平衡結(jié)構(gòu)，因此在平衡系統(tǒng)中經(jīng)常使用雙絞線。同軸電纜則不是平衡結(jié)構(gòu)，在平衡系統(tǒng)中使用時要注意連接方法。同軸電纜只能做一根導體使用，其外層作為屏蔽層使用。

 

　　平衡電路對空間和地線的電磁干擾具有很好的抑制作用，因此在通信電纜上得到廣泛的應(yīng)用。當平衡電路的共模抑制比不能滿足要求時，可以用屏蔽、共模扼流圈等方法來進行改善。但屏蔽的方法僅適合于空間電磁場造成共模干擾的場合。共模扼流圈的方法可以適合于任何共模干擾的場合，如地線電位差造成的共模干擾

 

　　屏蔽：將電路的輸入電纜屏蔽起來，屏蔽層按照規(guī)范進行連接，可以起到屏蔽電磁場的作用，它的抑制效果與電路平衡性對空間電磁場的共模干擾的抑制效果是相加的。例如，屏蔽提供的共模抑制效果是30dB，平衡電路的共模抑制比是60dB，則總的共模抑制效果是90dB。電纜屏蔽層的屏蔽效果在很大程度上決定于屏蔽層的端接方式，端接不好的話（不是360度搭接方式），高頻的屏蔽效能會下降。

 

　　共模扼流圈：共模扼流圈的特殊繞制方法決定了它僅對共模電流有 抑制作用，而對電路工作所需要的差模電流沒有影響。因此，共模扼流圈是解決共模干擾的理想器件。理想的共模扼流圈低頻的共模抑制作用小，而隨著頻率的升高，抑制效果增加。這與平衡電路低頻的共模抑制比高，隨著頻率升高，平衡性變差，共模抑制比降低的特性正好相反，因此具有互補性。所以，在平衡電路中使用了共模扼流圈后，電路在較寬的頻率范圍內(nèi)能保持較高的共模抑制比。

 

　　說明1：實際共模扼流圈的頻率特性與磁芯的材料，線圈的繞法等因素有關(guān)，在實際使用時，要根據(jù)具體情況進行參數(shù)的調(diào)整。

 

　　說明2：共模扼流圈的特性與許多共模抑制器件的特性都有互補性，例如，隔離變壓器，由于初次級之間寄生電容的影響，對于高頻共模干擾抑制效果很差，與共模扼流圈一起使用后，就改善了這個缺陷。共模扼流圈的另一個好處是，不需要接地。這為設(shè)計提供了很大方便。