電纜間串擾電流的理論建模及仿真測試

張 璐，崔 勇

（北京交通大學電磁兼容實驗室，北京 100044）

電纜間串擾電流的理論建模及仿真測試

張 璐，崔 勇

（北京交通大學電磁兼容實驗室，北京 100044）

電子電氣設備日趨復雜，其內部有限的空間通常布置有大量的強電及弱電電纜，這使得線纜串擾問題成為整個系統電磁兼容性的一個關鍵因素。本文以被干擾電纜上的電流為研究對象，對不同電纜間串擾進行了理論建模及計算。同時搭建了仿真測試平臺，分別測試了電纜間距、屏蔽層接地方式及軟辮線長度等參數對串擾的影響。實驗數據與理論計算結果得到了較好的吻合，驗證了理論模型的有效性。

串擾；電流；電纜間距；接地；軟辮線

隨著電子設備自動化程度的不斷提高，連接網絡也越來越復雜，電磁干擾與電磁兼容性的問題日顯突出。電纜主要用于聯接不同的系統，并實現不同系統之間能量與信息的有效傳輸和交換。在實際布線中，由于便于鋪設和維護的特點，電纜就常集中在一起，這樣做就會使如強電電纜與弱點電纜之間造成不同程度的線間耦合，即串擾。如在動車組內部，因為空間有限，列車上設備之間的電纜布置將是影響列車系統電磁兼容性的一個重要因素，在對車載電纜進行布線設計時，應進行電磁兼容性方面的考慮。由于電子設備及傳輸信號的種類很多，布線不當將造成很大的電磁干擾。

串擾這方面的研究始于20世紀30年代，VANCE建立了電纜傳輸線模型，但是沒有涉及多導體電纜計算問題［1］，而PAUL用傳輸線理論詳細分析了多導體傳輸線間的串擾問題［2］。然而，傳統的計算方法都是以被干擾電路負載上的電壓為研究對象，而在現場通常很難，甚至不允許對設備內部負載的電壓進行測量。此外，對于強電電路，電壓測試有一定的危險性。同時，就測試設備而言，很難使用頻譜儀對強電電路負載上的電壓進行頻域測試。如采用示波器進行時域測量，示波器需使用足夠大的量程以適應負載較高的工作電壓，這樣負載上幅度較低的高頻騷擾就不易被檢測到。因此，本文的理論模型基于電流而非電壓來研究分析電纜間的串擾。同時在測試過程中，采用電流環和頻譜儀來測量電纜上的騷擾電流。這樣就可以解決上述問題，從而對實際工程應用提供參考。

以電流為研究對象，通過理論建模及仿真測試，分析了電纜間距、電纜屏蔽層接地方式對串擾的影響。此外，雖然PAUL研究分析了與芯線平行的接地軟辮線對屏蔽的影響［5］。但實際工程安裝中，軟辮線通常垂直而非平行于芯線。因此，本文還通過測試分析了與芯線相垂直的接地軟辮線對串擾的影響。

1 理論分析

1.1 低頻串擾模型

由導線間感應耦合基本原理可知，電容耦合和電感耦合是同時存在的。在傳輸信號頻率較低時，通常導線的長度l遠小于等于1／10信號波長λ時，可以用集總參數模型來進行分析。以雙線傳輸線為例，如圖1所示。

圖中，LG和CG為源電路的分布參數，LR和CR為受擾電路的分布參數，LM和CM分別為互電感和互電容，其計算過程詳見文獻［2］。

在實際工程測試中，很難得到被干擾電纜終端阻抗上的電壓，通常是通過電流鉗來得到的電纜上的電流值。所以在仿真過程中，定義串擾耦合系數S為通過RNE的電流與源電纜電流之比，即：

圖1 低頻耦合電路

1.2 高頻串擾模型

當電纜信號頻率升高到一定程度，相當于工作在“長線”狀態，由圖1為例建立分布參數模型來進行分析，圖2為Δz線元等效耦合電路：

根據傳輸線理論，可得方程：

圖2 Δz線元高頻耦合電路

Z和Y分別為單位長度的阻抗矩陣和導納矩陣［4］，如下所示：

這里，通過建立鏈參數矩陣A（l）來

建立電纜兩端電壓與電流之間的關系，來求解傳輸線方程，可以寫成如下形式：

引入端接條件

對方程（3）、方程（4）進行求解，可以得到I（0）與IS的關系，

即可得出串擾耦合系數S的值。

與上述模型類似，可建立當被干擾線為屏蔽電纜、雙絞線或者多芯電纜等其他情況下的傳輸線模型［4－7］，只是鏈參數矩陣的構建和最終結果的處理上略有不同，然后結合雙端口網絡理論進行求解。

2 仿真測試

為了研究電纜之間的串擾，在實驗室搭建了仿真測試平臺。利用信號源及功放產生需要的騷擾信號，通過電磁注入鉗將騷擾以感應的方式注入的一條兩端負載為50Ω的非屏蔽導線上，該導線作為干擾源，受擾電纜雙端接50Ω負載并與干擾源平行放置在金屬地板上，電流環探頭用來測量通過導線上的電流，整個實驗布置如圖3所示。實驗中分別對導線間距、屏蔽、接地方式及軟辮線長度等參數對耦合量的影響進行了測量。

2.1 源－非屏蔽電纜

實驗中，受擾線為裸線，耦合長度為4 m，線徑2.44 mm。在距地面10 cm高度的條件下，對電纜間距分別為0.1 m，0.3 m 和0.5 m 進行了測試，并與基于低頻串擾模型的理論計算結果進行對比，如圖4所示：

可以看出，當l／λ＜1／10時，測試結果與低頻仿真模型非常吻合，頻率較低時，耦合系數以20 d B／10倍頻的速率遞增，而頻率較高時，由于分布參數的影響產生了諧振。同時可以看到，串擾隨著間距的增大而變小，這是因為互電感和互電容都會隨著間距的增加而減小。由此可見，在10 MHz以下時，間距0.5 m可以達到至少40 d B的衰減，足以滿足工程應用。

圖3 頻域測量實驗裝置圖

圖4 不同間距比較

2.2 源－屏蔽電纜

將同軸電纜作為受擾線，距地面10 cm，電纜間距10 cm，電纜半徑5.28 mm，屏蔽層半徑4.19 mm，屏蔽層厚度0.2 mm。實驗中，對同軸電纜屏蔽層不同接地情況以及不同軟辮線長度對串擾的影響分別進行了測試。

2.2.1 不同接地情況針對屏蔽層雙端接地、單端接地和不接地3種方式來進行測試，結果如圖5所示。

圖5 不同接地情況比較

由圖5a）可看出，當屏蔽層單端接地或者不接地時，與無屏蔽層的情況基本相同，可見屏蔽層沒有起到屏蔽作用，這是因為屏蔽層沒有構成回路，芯線的回路面積沒有改變［3］。而圖5b）則可以看出在100 k Hz～50 MHz頻率范圍內，屏蔽層雙端接地起到了很好的屏蔽效果。

2.2.2 不同軟辮線長度

在工程實踐中，電纜屏蔽層需要接地時，都應采取360°環接的方式鏈接，但是實際工程應用中，很難在所有場合下都實現設備與電纜的360°環接，就會產生“豬尾巴”效應，這樣無論是電場屏蔽還是磁場屏蔽都會受到它的影響［3］。所以，測試了當雙端屏蔽層接地時，不同長度的軟辮線對耦合量的影響，并用高頻串擾模型進行了計算［4］，如圖6所示。

圖6 不同軟辮線長度比較

當軟辮線長度為10 cm時（占傳輸線總長度的4%），導致的串擾比0.5 cm的軟辮線大30 dB左右，盡管軟辮線并沒有消除屏蔽層的作用，但是在150 k Hz以上時會很大程度的降低屏蔽層的效果，同時，由于軟辮線的不規則性以及高頻時設備的電磁泄漏，所以與理論值出現了一定偏差，但是總的變化趨勢是吻合的，證明該仿真方法是比較可靠的。由此可見，軟辮線的影響是不容忽視的，所以在工程應用中，如果不能實現屏蔽層與金屬機殼360°環接，也應盡量縮短軟辮線的長度。

3 結 論

采用低頻串擾模型以及傳輸線理論，以傳輸線上的電流為研究對象，對不同線纜間的串擾進行了理論計算和測試，分析了屏蔽、接地和軟辮線等因素對串擾的影響。理論計算和實驗數據表明：在高頻時（大于10 MHz）因分布參數的影響以及實驗裝置的電磁泄漏，基于串擾模型的理論計算結果會與測試結果有一定偏差，但對工程實踐影響不大。實驗結果表明，在有限的空間內，間距0.5 m可以達到至少40 dB的衰減，已經可以滿足工程實踐應用，同時，當被干擾電纜為屏蔽線時，屏蔽層雙端接地比單端接地及不接地好20 d B，起到了很好的屏蔽效果，但是在設備與電纜無法360°環接時，10 cm的軟辮線會使屏蔽效果降低30 dB左右，所以應盡量縮短軟辮線的長度，將“豬尾巴”效應降到最低。

［1］ VANCE E F.Coupling to Shielded cables［M］.NY：John Wiley ＆Sons，1978.

［2］ PAUL C R.Analysis of Multiconductor Transmission Lines［M］.New York：John Wiley Interscience，1994.

［3］ 沙 斐.機電一體化系統的電磁兼容技術［M］.北京.中國電力出版社，2000.

［4］ PAUL C R.Effect of pigtails on crosstalk to braided-shielded cables［J］.IEEE Trans.on EMC，AUGUST 1980，EMC-22（3）：161-172.

［5］ PAUL C R.Applications of multiconductor transmission line theory to the prediction of cable coupling［A］.Multiconductor transmission line theory［C］.New York：Rome Air Development Center，Griffiss AFB，1976.

［6］ VANCE E F.Shielding effectiveness of braided-wire shields［J］.IEEE Trans.on EMC，1975，EMC-17（3）：71-77.

［7］ PAUL C R，Bowles B.A.Symbolic solution of the multiconductor transmission-line equations for lines containing shielded wires［J］.IEEE Trans.on EMC，1991，33（3）：149-162.

TM712

A

1008-1542（2011）07-0164-04

2011-06-20；責任編輯:李 穆

張 璐（1987-），男，山西高平人，碩士研究生，主要從事通信電子系統的電磁兼容（含電波傳播）技術方面的研究。