1、屏蔽層對(duì)電纜寄生參數(shù)的影響分析 仇亞芳1，杜明星1，竇汝振2，魏克新1（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300 ）摘要：電纜作為連接各種電子設(shè)備必不可少的元件，是電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)題之一，大部分電磁干擾敏感問(wèn)題、電磁干擾發(fā)射問(wèn)題、信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題都是電纜產(chǎn)生的。針對(duì)電纜是否應(yīng)用屏蔽層的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)運(yùn)用Q3D軟件對(duì)電纜的寄生參數(shù)進(jìn)行提取并得到其場(chǎng)分布圖，建立電纜的等效電路模型，使用6500B阻抗分析儀對(duì)于屏蔽電纜和非屏蔽電纜的寄生參數(shù)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，分析了屏蔽電纜的接地原因。研究結(jié)果表明：屏蔽電

2、纜的寄生參數(shù)有所增加，但是其對(duì)輻射干擾有明顯的抑制作用。關(guān)鍵詞：電纜；屏蔽；寄生參數(shù)；傳導(dǎo)干擾；近場(chǎng)干擾 The influence analysis of shielding layer to on cable parasitic parameterQiu Yafang1,Du, Du Mingxing1,Dou, Dou Ruzhen2,Wei, Wei Kexin1（(1.Tianjin key Key laboratory Laboratory of control Control theory Theory & applications Applications in complic

3、ated Complicated systemSystem,Tianjin 300384, China. 2.China Automotive Technology &Research Center (CATARC) , Tianjin 300300, China）)Abstract：: As an absolutely necessary componentsAs an absolutely necessary component to connect all kinds of electronic equipment, cable is one of the key problems of

4、 electromagnetic compatibility design,design, and most problems are produced by the cables such as being sensitive to electromagnetic interference, electromagnetic interference emission, and signal crosstalk.Thiscrosstalk. This paper is aimed at giving the comparative analysis of whether shielding l

5、ayer should exist in cables or not for electromagnetic interference problem, this paper is aimed at giving the comparative analysis of whether shielding layer should exist in cables or not for electromagnetic interference problem. By using Q3D software to extract the parasitic parameters of the cabl

6、e and obtaining geting the field distribution diagram, and establishing the equivalent circuit model of the cable,thencable established. Then using 6500B impedance analyzer to do the measuringmeasure and verifying the parasitic parameters of shielded cable and non-maskableshielded cables,thecables,

7、and the reason of the shielded cable grounding has been analyzed. The result proves that the inhibitory effect on radiated interference is obvious, ，though the parasitic parameters of shielded cable increasesparameters of shielded cable increase. Keyw Words: cables, shielding, parasitic parameters,

8、conducted interference, near field interference0 引言電子設(shè)備向綜合化和集成化發(fā)展使得系統(tǒng)和設(shè)備在有限的敷設(shè)空間內(nèi)分布了各類電纜，電纜之間的耦合現(xiàn)象導(dǎo)致電磁干擾的發(fā)生。研究表明，線束干擾是導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足電磁兼容限值和出現(xiàn)電磁兼容故障的主要原因之一1。需要指出的是，共模干擾電流亦是電路中主要的輻射發(fā)射源2，所以對(duì)于共模干擾的研究必須擴(kuò)展到輻射干擾測(cè)試的頻段（30MHz-1GHz），由于電力電子設(shè)備干擾源幅值在200MHz以后已經(jīng)被衰減得很小，所以本文在共模干擾近場(chǎng)耦合的研究測(cè)試中頻率范圍是100K-200MHz。目前已有大量文獻(xiàn)分析電纜的屏

9、蔽效能：文獻(xiàn)3提出了一種用于計(jì)算屏蔽電纜的共模干擾電壓和電流的時(shí)域解的方法；文獻(xiàn)4根據(jù)有限元電磁仿真的計(jì)算原理，利用 Ansoft HFSS 軟件建立裸線串?dāng)_的仿真模型；也有文獻(xiàn)介紹不同屏蔽層及不同線束布置時(shí)接收導(dǎo)線的近端電壓和遠(yuǎn)端電壓的頻響特性以及針對(duì)屏蔽層不同接地方式以及不同介質(zhì)的電磁干擾情況等。這些文獻(xiàn)從多個(gè)角度介紹了電纜的電磁干擾情況，在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)電纜寄生參數(shù)進(jìn)行了提取，對(duì)屏蔽電纜和非屏蔽電纜的輻射干擾進(jìn)行了分析比較，為進(jìn)一步研究線束干擾問(wèn)題提供數(shù)值基礎(chǔ)。1 電纜參數(shù)提取及建模1.1電纜寄生參數(shù)的提取通過(guò)建立元件的三維模型，并設(shè)置相關(guān)的材料屬性，使用Ansoft公司的Q3D Ex

10、tractor提取出所需的寄生參數(shù)。帶有屏蔽層的電纜結(jié)構(gòu)是內(nèi)層銅r是4.72mm，內(nèi)絕緣層（聚氯乙烯）厚度0.8mm，屏蔽層（鋁）厚度0.31mm，外絕緣層（聚氯乙烯）厚度0.5mm5不帶屏蔽層的電纜結(jié)構(gòu)是內(nèi)層銅r是4.72mm和絕緣層（聚氯乙烯）厚度0.8mm。兩根電纜之間的距離時(shí)3.5cm。在Q3D環(huán)境下建立的電纜的三維模型如圖1（a,b）所示。 (a)帶屏蔽層電纜 (b)不帶屏蔽層電纜 圖1 電纜的三維模型圖 Fig.1 threeThree-dimensional model of cable對(duì)于電纜而言，寄生參數(shù)主要是寄生電阻，寄生電感和寄生電容，設(shè)置相關(guān)的仿真參數(shù)，并進(jìn)行仿真，對(duì)仿

11、真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪圖如下。 (a)帶屏蔽層電纜 (b)不帶屏蔽層電纜圖2 電纜的寄生參數(shù) Fig.2 parasitic Parasitic parameter in cable仿真的結(jié)果顯示，無(wú)論電纜屏蔽與否，其寄生電感和互感的大小基本不變（屏蔽電纜寄生電感在427nH上下，非屏蔽電纜寄生電感在423nH上下），寄生電阻的值變化也很小，對(duì)于寄生電容而言，由于電纜內(nèi)芯與屏蔽層構(gòu)成電容的兩極，這是非屏蔽電纜所沒(méi)有的，因此寄生電容的值相差較大（屏蔽電纜的寄生電容能達(dá)到616pF上下，而非屏蔽電纜的寄生電容僅在60pF上下），圖2所示為屏蔽電纜和非屏蔽電纜的寄生電容和寄生電感參數(shù)曲線。1.2 電纜的

12、建模 (a)電纜等效電路模型(b)Saber電纜耦合模型圖3 電纜的模型Fig.3 the mModel of cable 圖3a是單根電纜的等效電路模型6，其中R，L，g，C分別是電纜上的寄生參數(shù)，而n表示電纜的分段數(shù)，圖3b是兩根電纜近場(chǎng)耦合的Saber仿真圖，其中寄生參數(shù)值按照之前仿真分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，其中C12是電纜之間的耦合電容。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4電纜共模干擾頻譜圖 Fig.4 commonCommon-mode interference spectrum of cable CM1和CM2分別是帶屏蔽電纜和不帶屏蔽電纜的共模干擾頻譜圖，從仿真圖中可看出共模干擾先是隨著頻率的增

13、加而增加，在電纜的共模干擾頻譜范圍內(nèi)（100K-200MHz），4MHz之前CM1基本上與CM2相比至多大3dB，而在4MHz之后二者的差異明顯增大，帶屏蔽的電纜共模干擾明顯小于非屏蔽電纜。1.3 電纜場(chǎng)的觀測(cè)（1）模型的建立在Q3D的環(huán)境下，搭建兩根電纜的場(chǎng)模型如圖4所示。圖5 場(chǎng)模型圖Fig.5 field Field model帶有屏蔽層的線纜的場(chǎng)模型與不帶有屏蔽層的場(chǎng)模型建立方式是一樣的，區(qū)別只是在于線纜的結(jié)構(gòu)不同，而場(chǎng)分布圖如圖6所示。 a 不帶屏蔽層的場(chǎng)分布圖 b 帶屏蔽層的場(chǎng)分布圖 圖6 電纜的場(chǎng)分布圖 Fig.6 field Field distribution diagram

14、distributing of cable圖6所示為同一頻率下不帶有屏蔽層與帶屏蔽層的場(chǎng)分布圖，從結(jié)果中可以看出，帶有屏蔽層的兩根電纜的場(chǎng)分布顯然要比不帶屏蔽層的電纜的場(chǎng)分布弱得多。對(duì)于大部分電力電子設(shè)備而言，由于其敷設(shè)空間有限，線與線之間分布緊湊，輻射干擾會(huì)通過(guò)空間場(chǎng)干擾到鄰近的電纜及電子設(shè)備7，影響其正常使用，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)安全隱患。而從它的場(chǎng)分布圖可以看出，屏蔽電纜能有效的防止電磁輻射干擾，這與共模干擾頻譜圖顯示的結(jié)果一致。2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析使用實(shí)驗(yàn)室6500B阻抗分析儀對(duì)于線纜的阻抗值進(jìn)行測(cè)量，線纜的寄生電阻和寄生電感可以直接測(cè)量，但是對(duì)于寄生電容而言，無(wú)屏蔽層的線纜只有內(nèi)芯這樣一個(gè)極

15、，無(wú)法進(jìn)行電容測(cè)量，要對(duì)寄生電容進(jìn)行測(cè)量，需要在絕緣層外面繞包一層銅箔或鋁箔等金屬箔構(gòu)成電容的另一極，測(cè)量?jī)?nèi)導(dǎo)體和金屬箔之間的電容8。測(cè)試結(jié)果用origin 軟件進(jìn)行匯總得到如圖7所示曲線。 (a)測(cè)量寄生電容 (b)帶屏蔽層電纜 (c)不帶屏蔽層電纜 圖7 電纜電感電容的測(cè)量圖Fig.7 the mMeasurement diagram of inductance and capacitance in cable 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真值有一定的差異，帶屏蔽層的線纜寄生電感值分布在460-504之間，去掉一個(gè)諧振點(diǎn)，平均值465.67nH，寄生電容值分布在,603-698pF（去掉了偏離值很大的點(diǎn)

16、）之間，平均值為629.67pF,不帶屏蔽層的線纜寄生電感值分布在440-480nH，去掉一個(gè)諧振點(diǎn)，平均電感值為455.27nH，寄生電容值分布在50-69pF（去掉了偏離值很大的點(diǎn)）之間，平均值為60.39pF,但是有無(wú)屏蔽層線纜的寄生參數(shù)變化趨勢(shì)是一致的，數(shù)值上寄生電容相差不超過(guò)4%，寄生電感相差不超過(guò)8%。3結(jié)束語(yǔ)屏蔽是電磁兼容控制的重要手段之一，屏蔽電纜的屏蔽原理不同于雙絞線的平衡抵消原理，電纜的屏蔽層是一層或兩層鋁箔/銅箔，由于金屬對(duì)電磁波的反射、吸收和趨膚效應(yīng)原理，能夠有效的降低電纜內(nèi)傳輸信號(hào)對(duì)外的電磁輻射，干擾其它設(shè)備的工作，同時(shí)也能很好地抑制外部電磁干擾進(jìn)入電纜9。文章對(duì)電纜

17、的寄生參數(shù)進(jìn)行了提取，建立了電纜的等效電路模型10，結(jié)果表明雖然屏蔽層導(dǎo)致電纜寄生參數(shù)會(huì)有所增加，但從它的共模干擾頻譜圖及場(chǎng)分布圖也可以看出，屏蔽電纜能有效的防止電磁輻射干擾。參考文獻(xiàn)1 馬喜來(lái). 汽車電磁兼容性預(yù)估計(jì)的研究D. 吉林大學(xué), 2008. Ma Laixi. Research on the Pre-assessments of Electromagnetic Compatibility in AutomobileD.HYPERLINK javascript:void(0);Jilin HYPERLINK javascript:void(0);University.2008.2 陳

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