（交通运输工程专业论文）多芯屏蔽电缆的抗干扰研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 捅要 舰艇、飞机、运载火箭、飞船上、军用通信互联网络、雷达系统等复杂电子系 统已大量采用了多芯互连电缆。由于电缆束传输的信号特性不同，电缆束之间所存 在的分布参数将产生线间的干扰和串扰，再加上复杂电子系统所处的电磁环境非常 恶劣，致使多芯电缆受到外界干扰的影响也就越严重。大量的理论及工程实践表明， 多芯互连电缆是复杂系统中电磁兼容性最为薄弱的环节之一，是一个各行业都遇到 的共性问题。本文针对多芯屏蔽电缆进行了深入的研究。 基于对典型时域信号的频谱特性研究，本文建立了多层多芯屏蔽电缆内部不同 芯线问的耦合分析与优化设计模型：引入转移电感、转移倒电容来计算屏蔽体中编 织孔缝的影响，弥补了过去多芯电缆研究中忽略孔缝引起的内导体与外界耦合的固 有缺陷，提高了编织屏蔽电缆高频时屏蔽效能预测的准确性；运用电路理论建立了 屏蔽效能与转移阻抗的关系模型，完成了多层屏蔽电缆的屏蔽效能计算方法：利用 t h e v e n i n 定理干l q n o r t o n 定理，建立了工程中电缆屏蔽层与连接器的各种端接模型； 本文还对多芯屏蔽电缆的屏蔽效能方法进行了研究，通过对目前屏蔽效能的几种测 试方法优劣及适用范围的比较分析，对最优的注入线测试方法进行改进，形成了适 应我国国情的电缆屏效测试方法改进型注入线测试法。 本文所取得的结果对各种互连关系比较复杂的系统将具有较高的应用价值，可 广泛应用于复杂电子设备、系统的电磁兼容设计及舰船、飞机等的总体电磁兼容设 计。 关键词：多芯屏蔽电缆注入线法转移阻抗屏蔽效能 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i c o r ei n t e r c o n n e c t i n gc a b l ew a su s e dm o s t l yi nc o m p l e xe l e c t r o n i cs y s t e m s s u c ha sw a r s h i p 、a i r p l a n e ，c a r r i e rr o c k e t ? d i r i g i b l e ，c o l r l n l u n i c a t i o ni n t e r c o n n e c t i n g n e t w o r ka n dr a d a rs y s t e m b e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a lt r a n s f e f r e db yc a b l e b e a mi sd i t i e r e n t t h ed i s t r i b u f i o np a r a m e t e re x i s t i n gb e t w e e nc a b l eb e a mw i l lg e n e r a t e o n l i n ei n t e r f e r e n c ea n dc r o s s o nt o po ft i l a t t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ta r o u n d c o m p l i c a t e de l e c t r o n i cs y s t e mi sv e r yo d i o u s t h e s ea 1 1m a k et h ei n f l u e n e eo fe x t e r n a l i n t e r f e r e n c es u f f e r e db ym u l t i c o r ec a b l ei se v e nm o r es e r i o u s al a r g en u m b e ro ft h e o r y a n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ei n d i c a t et h a tm u l t i c o r ei n t e r c o n n e c t i n gc a b l ei st h em o s t v u l n e r a b l es p o ti ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fc o m p l e xs y s t e m ，a n di t sag e n e r a l c h a r a c t e rp r o b l e ma m o n ga 1 1t r a d e sa n dp r o f e s s i o n s t h i sp a d e rp r e s e n t sad e t a i l e d d i s c u s s i o nt om u l t i c o r es h i e l d e dc a b l e b a s e do nt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c so fs p e c t r u mo ft y p i c a ls i g n a l si nt i m ed o m a i n ， am o d eo fc o u p l i n ga n a l y s i sa n do p t i m i z e dd e s i g ni ss e tu da m o n gd i f i e r e n tc o r e si n s i d e m u l t i 。c o r ea n dm u l t i p l a y e rs h i e l d e dc a b l e ；t h i sp a d e rl c a di n t ot r a n s f e ri n d u c t a n c ea n d t r a n s f e re l a s t a n c et oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo fb r a i d e dv o i d 。m a k eu pf o rt h ei n t r i n s i c d r a w b a c ko fc o u p l i n gi n n e rc o n d u c t o rt oe x t e m a la r o u s e db yv o i dt h a ti sn e g l e c t e di nt h e r e s e a r c ho fm u l t i c o r ec a b l ef o r m e r l y , i m p l e m e n tt h ea c c u r a c yt h a tp r e d i c t e db y e f f e c t i v e n e s so fs h i e l d i n gi np l a i t i n gc a b l eh i g hf r e q u e n c y ；w i t ht h ec i r c u i tt h e o r y , a m o d ei ss e tu of o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s si sa c c o m p l i s h e df o r n m l t i p l a y e rs h i e l d e dc a b l e ：d i f 诧r e n tk i n d so ft e r m i n a t i o nm o d e so ft h ec a b l e ss h i e l d i n g 1 a y e r sa n dc o n n e c t o r si ne n g i n e e r i n ga r ee s t a b l i s h e db ym a k i n gu s eo ft h et h e v e n i n t h e o r e ma n dt h en o r i o nt h e o r e m m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rs t u d yo nt h es h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s sm e t h o do fm u l t i c o r es h i e l d e dc a b l e ，b ym e a n so fc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t ot h es u p e r i o ra n di n f e r i o ra n dt h ea p p l i c a b l er a n g eo fs o m ek i n d so ft e s t i n gm e t h o d u s e df o rt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa tt h em o m e n t i m p r o v et h eo p t i m u ml i n ei n j e c t i o n t e s t i n gm e t h o d f o r i t lt h et e s t i n gm e t l l o do fc a b l es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s ss u i t e d t o n a t i o n a lc o n d i t i o n s a d v a n c e d1 i n ei n j e c t i o nt e s t i n gm e t h o d t h er e s u l ti n t h i sp a p e rh a v eh i g ha p p l i e dv a l u et ot h es y s t e mt h a tt h ea l t e r n a t i n g r e l a t i o n s h i pi sv e r yc o m p l e x ，a n dc a nb ea p p l ye x t e n s i v e l yt ot h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b l ed e s i g n f o rc o m p l e xe l e c t r o n i c e q u i p m e n ta n ds y s t e ma n d t h ei o t a l e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf o rs h i pa n da i r p l a n ea n ds oo n k e y w o r d s ：m u l t i c o r es h i e l d e dc a b l e l i n ei n j e c t i o nm e t h o dt r a n s f e ri m p e d a n c e s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：猿 日期：砂年占月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：办雩 h 期：加r 厂年石月，2 日 指导教帅签名：京凳 日期：1 母以 年6 月f 乙 日 华中科技大学顽士学位论文 1绪论 1 1 多芯屏蔽电缆抗干扰的研究背景 舰艇、飞机、运载火箭、飞船、军用通信 瓦联网络、雷达系统等复杂电子系统 已大量采用了多芯互连电缆，由于电缆束传输不同特性的信号，电缆束之间所存在 的分布参数将产生线间的干扰串扰，传输速率越高，信号的脉冲上升前沿越陡，串 扰就越严重【1 1 。再加上复杂电子系统所处的电磁环境非常恶劣，致使多芯电缆受到 外界干扰的影响也就越严重。大量的理论及工程实践表明，多芯_ 呵_ 连电缆是复杂系 统中电磁兼容性最为薄弱的环节之一，是一个各行业都遇到的共性问题。国内对于 多芯电缆的研究主要局限于裸线间的耦合，相对于同轴射频电缆而言，多芯屏蔽电 缆的分析、测试有着较大的差异，其难度及复杂程度也要大得多，国内几乎没有进 行过这方面的深入研究，t 程上迫切需要解决这个问题。这项研究将有助于解决舰 船、飞机、导弹、卫星及防信息泄漏的信息技术设备中因互连电缆种类、数量繁多 而出现的电磁兼容性问题。 1 2 多芯屏蔽电缆屏蔽设计与研究的发展状况 屏蔽电缆的理论研究早在三十年代就已丌始，其研究阶段分为两个阶段【2j ：早 期研究主要集中于天线、测试仪器用的射频同轴屏蔽电缆。基本方法是将电缆处理 为平行双导体传输线，外界对于电缆的影响用屏蔽层上的电流表示，屏蔽层对内导 体的影响用转移阻抗和转移导纳表示，s c h e l k u n o 一”、l c e 【4 】等人深入研究了转移 阻抗、转移导纳与屏蔽效能的关系，v a n c e 所著的( ( c o u p l i n gt os h i e l d e dc a b l e s ) ) 成 为有关屏蔽电缆设计的经典之作。美国的a n a l y s i so fm u l t i c o n d u c t o r t r a n s m i s s i o n l i n e ) ) 1 5 1 、( ( e n g i n e e r i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) ) 1 6 1 、我国的g j b 1 2 l o 9 1 ( 接地、搭接和屏蔽设计的实施) 1 7 、g j b z2 5 9 1 ( 电子设备和设旋的接地、 搭接和屏蔽设计指南) i s 和电磁兼容性原理和技术 9 1 、电磁兼容性原理 1 0 1 、 电磁兼容性原理及应用 1 l l 等文献都将其有关计算公式、阻抗及导纳的计算图表 编入其中。从所等效的平行双导体传输线模型束看，湿然上述方法只适用于同轴屏 蔽电缆。从有关的文献【1 2 1 1 1 3 i i 4 以看m 卜述方法的研究主要集中十八十年代以d h 。 同轴电缆除了在设计方面比较成熟外，存工程庵用及产品方面也较成熟，美国还出 版丁射频电缆使用于册，洋尽地给出了各类电缆的各种参数。困外比较著名的生产 家育：荚田g l e n a i r 、b e l d e n 、t i m e sf i b e r c o m m u n i c a t i o n 、德固g o r e 等公司。 罔1 i 、1 2 分别给出j 7 g o r e 公司生产的i 种射频电缆的屏蔽效能及转移阻抗，其巾 华中科技大学硕士学位论文 波纹管型电缆( b b 3 ) 的屏蔽效能高达9 0 1 4 5 d b ，达到了非常高的技术水平。 图1 ，1g o r e 公司射频电缆屏效 幽1 2g o r e 公司射频电缆转移阻抗 白七十年代后期至今，屏蔽电缆的研究转向了多芯电缆，与同轴电缆不同的是 前者只涉及内导体与屏蔽层的关系，后者不但要涉及内导体与屏蔽层，还要涉及内 导体问及内导体与屏蔽层外的导体或电缆间的关系。显然，后者的耦合机理要复杂 的多，为此p a u l l l 6 i 在v a n c e 等人研究的基础卜i 提出了多芯屏蔽电缆的分析方法，这 种方法以多导体传输线理论为基本依据，将多芯屏蔽电缆的内导体、屏蔽层以及屏 蔽层外的导体、屏蔽电缆均处理为传输线，建立其控制方程，并通过计算链参矩阵， 引入终端条件等方法，可以求得转移阻抗及屏蔽效能。这种模型研究的对象要比 v a n c e 的力法更为广泛，可以证明，v a n c e 的方法仅仅是p a u l 方法的一种特例，显 然仍然引用v a n c e 的结论来分析多芯屏蔽电缆，一是无法确定屏蔽电缆内芯线叫的 耦合，二足将会带米较大误筹，因此必须采用p a u l 的方法。 山于f 乜磁兼容的需要，对连接线缆的屏蔽件能有了更高的要求，采用两层或多 层群澈是改善屏蔽 乜缆屏蔽性能最卣接的方法，所以本文需研究多芯多层屏敝咆缆 华中科技大学硕士学位论文 的屏蔽特性，这进一步加大了计算及研究难度。因为目前关于多芯屏蔽电缆的技术 资料和计算公式比较少，尤其是缺乏多芯电缆的测试资料，可获得有关多芯屏蔽电 缆的技术资料和计算公式通常仅适用研究其传播和穿透问题，而对于多芯屏蔽电缆 的耦合问题还未进行深入的研究。另外，在以往的文献中，计算编织屏蔽电缆与外 界导体或电缆问的耦合时忽略了屏蔽体上编织孔缝引起的电场及磁场的影响，而随 着频率的增高，孔缝泄漏的影响越来越大，简化计算( 忽略屏蔽层中孔缝的影响) 带来的误差也越来越大。为此，我们引入转移电感、转移倒电容来反映孔缝的影响， 力图更加准确地反映编织屏蔽电缆的屏蔽性能。 1 3 本文所作的研究 ( 1 ) 建立了多层屏蔽电缆内部不同芯线间各种组合的耦合分析与优化设计模 型； ( 2 ) 引入转移电感、转移倒电容来计算屏蔽体中编织孔缝的影响，弥补了过去 多芯屏蔽电缆研究中忽略由孔缝引起的内导体与外界耦合的固有缺陷，提高了编织 屏蔽电缆高频时屏蔽效能预测的准确性； ( 3 ) 运用电路理论建立了屏蔽效能与转移阻抗的关系模型，并用这一模型确定 了包容编织组合等多层屏蔽电缆屏蔽效能的计算方法； ( 4 ) 利用t h e v e n i n 定理和n o r t o n 定理，建立了工程中电缆屏蔽层与连接器的端 接模型； ( 5 ) 对多芯屏蔽电缆的屏蔽效能测试方法进行了研究，提出了适应我国国情的 测试方法。 华中科技大学硕士学位论文 2 多芯电缆电磁干扰耦合的分析与建模 2 1 多芯电缆干扰耦合机理分析 2 1 1 多芯电缆电磁干扰耦合的影响因素 多芯电缆电磁干扰耦合的影响因素主要有【1 7 1 1 1 8 1 1 1 9 】：信号类型、传输方式、频 谱特性；电缆长度、布线形式、屏蔽类型和接地方式等传输特性以及源端和负载端 的阻抗特性。 激励信号的振幅、周期、脉宽、上升下降时间等时域特性直接决定了频域 中干扰强度及带宽2 0 1 。在满足信号传输速率及信噪比要求的同时，适当减小信号电 平、增加信号上升时间，可以显著降低干扰耦合的功率及带宽。 传输电缆的长度、距地高度、布线形式、屏蔽类型及接地方式等结构因素 也是影响电缆电磁干扰耦合的重要因素。电缆的长度、距地高度的选择往往受信号 传输距离和整体布局设计的限制，而采取适当的却线、屏蔽和接地设计，将显著提 高系统的电磁兼容性能。 源端和负载端的阻抗特性决定了电缆网络与端口阻抗匹配状念1 2 “，通过分 析匹配状态，可以确定电缆应用于不同终端连接情况下的电磁干扰耦合情况，以便 于确定电缆的最佳应用对象。 本文采取的研究步骤为：针对典型的数字传输激励信号进行频谱特性分析，确 定多芯互连电缆耦合干扰的强度及带宽；通过对干扰机理的定性分析及定量研究， 确定各种因素对电缆电磁干扰的影响程度，从而对电缆的电磁兼容设计提出理论依 据。 2 1 2 多芯电缆芯线模型 多芯互连电缆是由多种形式的芯线束组合而成，芯线类型包括平行双线、双绞 线、同轴线等，各类芯线结构及电路形式如图21 所示。 平行双线是最常见的传输线形式，是由结构相同且相互平行的一对导线构成的 信号回路；舣绞线是山一对传输线扣绞f 【成的，其目的是将电流l 叫路线绕成极性交 错的若干局部绕环，使之沿导线方向符号交变的局部耦合信号彼此十同抵消，从而有 效抑制电磁耦合利发射：同轴线由中心导体和外包容层组成，其中包容层作为信号 回流线，i _ j 时对电磁耦合发射具有很好的屏蔽作用。 21 ，3 芯线泄漏机理分析 电缆：芷= 线根据 ：扰耦合机理可分为裸线和屏蔽线两大类，其中平行双线、双绞 华中科技大学硕士学位论文 线属于裸线，同轴线、屏蔽戳绞线属于屏蔽线。 ( 】) 裸线于扰泄漏机理 裸线的耦合机理如图2 2 所示。导线上的电流引起的电场在其它导线上产生感应 电流，形成互电容耦合；同样，导线上的电流在周围引起的磁场与其它导线回路相 交链，形成互电感耦合；由于导线上的电流是随时间变化的，引起的电场、磁场也 是时变场，从而在其它导线上感应出随时间变化的电流。同时，载有时变电流的导 线也将产生时变电磁场，由天线效应向外辐射电磁能。 ( a ) 平行双线结构电路圈 r v s 一l 叫 ( b ) 烈绞线结构电路图 ( c ) - j 轴线结构电路图 【警 2 1 多芯l u 缆芯线结构 华中科技大学顽士学位论文 滞鬯黝 ) ) ) 圈2 2 裸线的泄漏 ( 2 ) 屏蔽线的泄漏机理 电缆屏蔽体根据结构形式的不同可以分为两大类：无孔缝的管状屏蔽体( 如热 缩管、波纹管、铝箔包带等) 及有孔缝的屏蔽体( 如编织网等) 。 1 ) 管状屏蔽电缆泄漏机理及结构特征 管状屏蔽电缆的电磁泄漏模型如图2 3 所示。主要以扩散方式向外耦合。芯线与 屏蔽层所产生的感应电场、磁场与其它导线形成电容、电感耦合，产生感应电流； 屏蔽体表面电流也将产生辐射场。确定其泄漏的参数主要是屏蔽层厚度及与连接器 的端接方式。 幽2 3 管状屏蔽电缆的泄漏 2 ) 编织屏蔽电缆泄漏机理及结构特征 编织屏蔽电缆的结构特性参数有屏蔽层半径a 、编织体内的编束数b 、截面 数p 、编束内的导线数n 、导线直径d 及编织角0 ，如图2 。4 所示。 编织角： 0 ：t 2 4 n a p 。 b f 2 1 1 填充部分： f ：_ p y d 一坐：型塑 s i n ow4 h ac o s o ( 2 2 ) 争i 盛 华中科技大学硕士学位论文 投影覆盖率： k = 2 f f 2 ( 2 3 ) 寸2 爵 xp 图24 编织屏蔽体的特性参数 编织屏蔽体的电磁泄漏主要是由编织孔缝所引起的( 图2 5 ) ，芯线电流在周围引 起的磁场有一部分穿过编织孔缝，与其它导线回路相交链，引起互电感耦合，由芯 线电位引起的电场会穿过编织孔缝与其它导线产生电容耦合；同时，芯线和屏蔽层 会由天线效应向外辐射电磁能。 ( a ) 磁 图2 5 编织型屏蔽电缆的泄漏 2 2 基本模型与分析方法 2 2 1 基本理论模型 2 2 i ，1 传输线 ( 1 ) 传输线方程 华中科技大学硕士学位论文 对于图2 6 ( a ) 所示的正弦激励平行双导体传输线，采用f a r a d a y 定理，推导 z s v s z l a d 矗。 毒l；。 墨 ，j ( a ) 平行般导体传输线电路圈 ( b ) 积分回路 图2 6 正弦激励平行烈导体传输线电路倒及积分回路 其传输线方程。式( 2 4 ) 为f a r a d a y 定理： j e d l 缶sb d s ( 2 4 ) 式中，s 是积分回路，l 为积分同路包围起来的面积，在导线之间取一矩形积分回路l ( a b c d ) ，横向长度为d z ，如图2 6 ( b ) 所示，有 f ，e d l = k ce d l + 舅e d l = 一 c a d ( 2 5 ) 当d z - * 0 时，有 却 v b e - - vd 2 夏血 ( 2 6 ) 从而 fe d l ：竺d z j 1 0 z 另一方面，如用中表示单位长度传输线环链的磁通，则有 m = l i 然而，穿过s 的磁通应等于磁感应强度在s 上的积分，即 + d z = 儿b d s 故有 一鲁b a s = 一昙c m - a z ，= 一l 爰a z 从而得 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 塑：一l 垦 o zo t 同样，由a m p e r e 定理 9 ：f i d i = 杀p d i 可得 堕：一c 盟 毖a 对于有耗传输线，考虑电阻r 及电导g 的影响，上两式变为 宴o z = 一( r + l 昙g t ) i 昙叫g+coz争v饥 以上推导是笨于双导线传输线系统，对于同轴线依然适用。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 ，1 3 ) ( 2 】4 a ) ( 2 1 4 b ) 2 2 1 2 传输线耦合模型 ( 1 ) 裸线传输线 以平行均匀传输线为例考虑图2 7 ( a ) 所示的地面上方水平放置的两平行传 输线，其中有正弦激励源的为发射导体，另一根为接收导体，图中的地面可看作是 两芯屏蔽电缆的屏蔽外导体或参考大地。由于传输线与地面间存在分布参数，为此 可将地面与两传输线看作三导体传输线。 设发射线上单位长度的自电阻、自电感和自电容分别为r g 、l g 和c g ，接收线 ( a ) 地面上方两平行传输线 ( b ) 等破电路 图2 7 地面上方两平行传输线及其等效电路 上中f 讧i 度的自电阻、白电感和自电容分别为r r 、l r 和c r ，两线削的互电感和互 乜容分) j i j 为l m 和c m ，仟墩一无限小段d z ，等效电路如图2 7 ( b ) 所示。 采用f a r a d a y 定理和a m p e r e 定理，可得： 9 华中科技大学硕士学位论文 d v _ ( z ) ：一( r + j 0 ) l ) i ( z ) d z 掣：一j c v ( ：) z 瓦甲v 、1 分别为利甩雎利干日电流l 司重， 电容矩阵。 v = v g ，v 。 1 1 = i 。，1 。) t r = r 0r o r 。l l = ：l l m 。 c = r ：”c 羔 ( 2 1 5 a ) ( 2 1 5 b ) r 、l 、c 分别为单位长度电阻、电感、 ( 2 ，1 6 a ) ( 2 1 6 b ) ( 2 1 7 a ) ( 2 】7 b ) ( 2 1 7 c ) ( 2 ) 屏蔽电缆 对于管状同轴屏蔽电缆，如图2 8 ( a ) 所示地面上方水平放置的良导体管 状屏蔽电缆，假设屏蔽电缆上轴向总电流为1 = i 一i 。其中i i 。为屏蔽层内回路电流， l 。为屏蔽层外回路电流，则电流l 将在屏蔽层的内外侧分别感应出轴向的电场e i 。 和e 。其相互关系可表示为： 眨e i 驯纠 。， 式中z s 为屏蔽体单位长度表面自阻抗，z t 为屏蔽体单位长度表面转移阻抗。 表面转移阻抗反映了电缆屏蔽层一个表面上的电流和其在另一个表面上感应电压 的关系。管状屏蔽体的表面转移阻抗z t 称作扩散阻抗，记为：z 一2z t 。 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 地面上方同轴电缆屏蔽层( b ) 内同路等效电路 图2 8 地而卜方同轴电缆及其内同路等效电路 图2 8 ( b ) 为内回路在d z 段上的等效电路图，图中z 。为芯线的单位长度阻抗， l 、c 分别为单位长度电感和电容，电流i i 。沿屏蔽层内表面产生一个电压降z s d z lm ， 等效电压源z t t 。4 z 表示了外回路的影响。分别利用k i c h h o f f 定律中的电压和电流 定理，可得内回路的传输线方程为： d v ，( z ) = 一( z 。+ z ；+ j c o l ) i 。( z ) + z t l 。( z ) ( 2 1 9 a ) 墨盟：一j c v ( ：) d z ( 2 1 9 b ) 对于编织屏蔽电缆，透过屏蔽体上的编织孔缝将产生附加的电感、电容耦合。 可用转移电感一，转移倒电容s ，反映这种通过孔缝的耦合。 假设编织屏蔽电缆的内导体和屏蔽体都是良导体，取- 4 , 段电缆，如图2 9 所 示，在内导体和屏蔽体间取造一长为z 的截面，在此截面( 图2 9 ( a ) ) 内由f a r a d a y 定理： 黾_ d 1 = ，s f 且麻( 2 2 。)fl z z uj = 一j 西 穿过陔截面的磁通量可表示为： 十= l a z l c c t 6 z ( 1 c + i s ) 2 l a z i c e t z i s ( 2 2 1 ) 式中i c 为芯线卜的电流，i s 为屏蔽体上的总电流，l 为电缆的单位长度 自感 华中科技大学顽士学位论文 l ：旦l n 盘1 4 耳 、r w ( 2 2 2 ) 式中，是屏蔽体内部介质的磁导率，r s 为屏蔽体的半径，w 为屏蔽内导体 的半径。f t 为屏蔽体的单位长度转移电感，对于管状屏蔽电缆t 为零，而对于编织 屏蔽电缆，由于屏蔽体上的编织小孔以及屏蔽体上有并不沿着z 轴的传播方向，从 而使得f t 不为零。 定义内导线和屏蔽体间的电压为： 内导体一一 v ( 2 ) 2 一上献体e d l ( 2 - 2 3 ) 可得： v ( z + a z ) 一v ( z ) = 一j c o ( e a z l c 一0 t a z l s ) ( 2 2 4 ) 式( 2 2 3 ) 等号两边同除z ，当a z 斗0 时取极限得： 掣叫心z ) + j c o f t | s ( z ) ( 2 2 5 ) 同样，如图2 9 ( b ) 所示，在屏蔽体和内导体之间沿内导体圆周构造一个闭合 圆柁面，在这个圆柱面e 由a m p e r e 定理 于日d i = j o ) e 卢d - cs ( 2 2 6 ) 可得 l c ( z + z ) 一i c2j c o q c ( z ) ( 2 2 7 ) 式中q c 是内导体z 段上的总电荷量，q s 是屏蔽体上的电荷量，且有 v a z = s q c s r q s 解上式得q c 后代入式( 2 2 7 ) 中可得，当a z _ 0 时 ( 2 2 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 盟一 d z j 。) 三v ( z ) s 对于圆柱屏蔽体，倒电容 s ：上l n ( 里) 2 e r e 、r w 7 j 毒q s ( z ) 图2 9 传输线方程推导截面图 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 转移倒电容s t 是由于电力线穿过屏蔽体而产生的。编织屏蔽体的e 一、s t 由屏蔽体上编织孔的磁极化率和电极化率来决定的。 根据v a n c e 的推导，在编织屏蔽体中，假定所有编织线都是互连的、良 导体的且相互平行。若屏蔽体卜 ib 束编织线组成，每束编织线由n 根导线组 成，编织角为0 ，则编织屏蔽体单位长度直流电阻为： l r r , c = _ q i t i ( 2 _ 3 1 ) 矧6 b n c o s o 式中d 是每根编织导线的直径，仃是编织导线的电导率。则币位长度编 织j 拜蔽体的的扩散阻抗为： z a2 r d c 。焉 a 1 1 1 ( 2 _ 3 2 ) 式中y 。( 1 + j ) f i 。此处占= ( 丌肌盯) “一是集肤深度，每根编织线的 阻抗按圆柱导体计算，屏蔽体总的编织阻抗为所有编织导线的并联阻抗。 比较图2 - 8 和图2 9 ( a ) ，我们可得到： i c = i m i s2 i 一一i i 。 ( 2 3 3 ) 把式( 2 3 3 ) 代入式( 2 1 9 ) 中，再加上转移电感和转移倒电容可得： d f v ( z ) = 一( z w + z s + j c o g - z d ) i c ( z ) + ( z d + j ，) i s ( z ) ( 2 3 4 a ) 1 d l c _ ( z ) = 一j c v ( z ) 一j c s 投s ( z ) ( 2 3 4 b ) 式中d 为扩散阻抗，编织屏蔽体总的转移阻抗变为： z t = z d + j c o g t ( 2 3 5 ) 2 2 2 建模原则及分析方法 上面我们研究了同轴电缆的传输线模型，本节的目的是为了把上述原理推广到 多芯屏蔽电缆中去。 2 2 2 i 模型假设 实际应用中的设备互连多芯电缆结构形式和电路形式多种多样，外部电磁环境 也难以预测，其电磁耦合辐射特性分析起来非常复杂。为了简化分析，突出主要矛 盾，本文对多芯电缆模型作合理假设。 ( 1 ) 根据电波传输的互易性，屏蔽电缆本身对外的屯磁泄漏的性能等同于老 缆受外部电磁干扰的特性； ( 2 ) 电磁环境 电缆除了携带功能信号外，外部电磁场对也会将一些非功能信号叠加到电缆传 输信号上，这部分信号与源信号共同构成电磁干扰耦合源。由丁本文辛要研究电缆 的屏蔽及耦合性能，通过对功能信号的分析，r u 以反映电缆本身的特性，故存本文 分析q j 不计外部电磁环境的影响。 ( 3 ) 电缆位旨 根据大多数军用电子装备的实际工作情况，在建立电缆耦合辐射模型时，均假 华中科技大学硕士学位论文 设电缆水平放置，即与地面相平行；各芯线相互平行且线长相等。 ( 4 ) t e m 模式 本文所讨论的电缆传输线为均匀导波装置，传输线中的导行波为横向电磁波 ( t e m 波) ，即电磁场传播方向没有电场和磁场分量，这是建立传输线方程的基础。 ( 5 ) 细线模型 对于大多数军用电子装备所采用的多芯电缆，由于本文研究的重点为频率较高 的信号电缆，其半径与信号波长相比都很小( r t ) ，线上电流在截面上可近似认 为均匀分布，故在电缆辐射模型中，将电缆看作为“细线”，采用线天线辐射模型进 行辐射场分析。 2 2 2 2 存在问题及解决方法 目前多芯电缆电磁泄漏分析巾存在的主要问题有： ( 1 ) 非均匀结构电缆祸合模型 非均匀传输线是指传输线沿线长类型不一致或位置发生变化，本文研究两种形 式的非均匀传输线，即带屏蔽抽头的同轴电缆和双绞线。 ( a ) 屏蔽抽头结构形式( b ) 般绞线结构形式 图21 0 屏蔽抽头和双绞线结构形式 若屏蔽层在电缆接头处未能良好搭接，而是通过引线与电缆连接器相连，这种 屏蔽结构的引线称为抽头( p i 垂a i l ) ，如图2 1 0 ( a ) 所示。抽头处结构类型发生变 化，造成截面形式和阻抗的小连续。双绞线虽然导线截面形式没有变化( 如图2 1 0 ( b ) 所示) ，但山于导线的扭绞错位造成空间位置发生变化，也使得其成为非均匀 电缆。 传统的传输线分饰参数电路模型均针对均匀结构，对于非均匀结构，各部分电 路分布参数1 i 一致，无法建立统的微分传输方程。本文将微波电路中的二端口嘲 络分析法1 2 2 1 应用到多导体传输线模型中，将非均匀电缆处理为均匀电缆的网络级 联，解决了非均匀结构电缆的传输耦合问题。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 3 分析步骤 著模 倒2 1 lp c b 对连接电缆的传导干扰 本文主要对电缆间的耦合进行研究。根据模型假设，电缆的耦合可采用传输线 模型计算。多芯电缆由于芯线较多、线距很小，线间存在严重的串扰耦合，各芯线 电流不能孤立计算，需建立多导体传输线矩阵方程联立求解。 基于卜述原因，确定多芯电缆耦合泄漏问题的具体分析步骤为： ( 1 ) 进行激励源频谱分析，确定传输信号幅度及功率的频率分布； ( 2 ) 建立多芯电缆的广义多导体传输线分析模型，确定芯线串扰耦合量及芯 线实际电流分布。 2 3 多芯电缆传输耦合模型 多芯电缆由于多对导线同时传输信号，芯线间距又很小，线间存在严重的电磁 串扰耦合，每根芯线上电流分布受其它芯线电流所产生的电磁场耦合影响，不能孤 立地使用双线传输线模型计算，需要建立多导体传输线分析模型。 2 3 1 均匀多导体传输线耦合模型 2 3 1 1 均匀多导体传输线方程的建立 首先考虑u 根裸线与s 根同轴屏蔽线( 无抽头) 组成的均匀多导体系统，如图 2 1 2 所示，此模型为考虑了参考导体的广义模型。芯线激励源为i f 弦稳态电压源， 导线轴为z 坐标轴，线上电流方向为+ z 方向。u 根裸线上电流为l 。，2 s 根屏蔽线 电流分别为i m ( 被屏蔽芯线) 与i 。( 屏蔽层) ，参考导体( 地平面或外屏蔽层) 电 流为u + 2 s 导体电流总和之负值。各导体相对丁参考导体的相电压分别为v v 南 和v 。 华中科技大学硕士学位论文 芝l 。+ 圭叽，地，) z 未屏蔽线 屏蔽线 导体 图2 1 2 多芯电缆电压电流定义 首先考虑同轴屏蔽线，为了方便传输线方程的推导，莺新定义同轴屏蔽线上的 电压、电流，如图2 1 3 所示。被屏蔽芯线电压定义为： v ：= v * 一v 。 ( 2 3 6 ) 屏蔽层电压保持不变，重新定义屏蔽层上屯流。把屏蔽层上电流分为两部分， 一部分为内导体电流i 从屏蔽层内表面返回：另一部分为i s i 与内导体电流i 之 和，从屏蔽层外回路返回。 v 图2 1 3 屏敞线电j e 电流定义 在屏蔽层和参考导体之间构造一个长为d z 的矩形回路，由f a r a d a y 定理可得 式巾，m 。足穿过屏蔽层和参考导体问的单位长度磁通量，这是假设导体均为良导体 血k #。h 一 “ “ m 忆。 ) + b 岫 一i o “ n _ 吧 一 晶 争 鸣 一 j 1 1 + 盟赴 华中科技大学硕士学位论文 屏蔽体为管状包容型时求得的磁通。对于非良导体，应加上屏蔽体扩散阻抗2 一屏 蔽体扩散阻抗z 。及参考导体自阻抗z 。的影响。对于编织屏蔽体还需考虑由于编织 孔缝引起的转移电感f ，的影响。对于管状屏蔽体，f ，；为零，z 。和z 。也相应改变。 同理我们可得到被屏蔽导线相对于屏蔽层的电搓变化表达式 a v _ ：j ( 。平：一z i m 院 式中十：，为基于同样假设下穿过被屏蔽导线i 和屏蔽层之间的单位长度磁通量，z 。 为被屏蔽芯线i 的单位长度自阻抗，其它参数与式( 2 3 7 ) 中相同。对于管状屏蔽 体，f 。为零，z 。和z 。随之改变。 由式( 2 3 6 ) ，被屏蔽芯线相对于参考导体的电压变化表达式变为： 旦监：塑鱼+ 盟 庇洗 式中 式 = 一j o ) ( ( p 。，+ ( p ：) 一z 训1 稍一( z 。一z m j ft 。) 1 。 ( 2 3 9 ) us 一2 ( z s i - - z d i - - j ( i ) f t 。r | i j g i - - z o 匹i 。+ ( i 。+ 】 l = l1 = l 同样我们可得到裸线相对于参考导体的电压变化表达式： 警叫吨，。 【孙u + 孙s w ( 2 。) 上述方程可以用矩阵形式来表示。定义各电压向量( 相对于参考导体) ： v = v 。，v 。，v i ) 7 ( 2 4 1 ) v 。= v 。一，v 。 7 v s = v ，v s 。) 1v 。 电流向量为： i = 1 。，1 。，1 。 1 = 舨l ，v i s ) t ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) i 、。= 1 “ t i ，= 一l ；“t ，i i = 。 7( 2 4 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 则方程( 2 3 7 ) ，( 2 3 9 ) ，( 2 4 0 ) 可表示为： a _ v = _ ( 一z ) = - j 巾c z ) 一z c l ( z ) 一z 。e l ( z ) ( t z 式中： z。0 0 z c = l0 z 。( z 。一z d jc o l t ) 0 ( z 。一z d j m l t ) 【2 ( z 。一z d j t o l t ) + z i 】 其中各予矩阵均为对角阵，对角线上元素分别为： 【z 。】。= z 。 i i l ，u 【z 。】。= z 。 【z d 。= z d 。 【z 】。= z 诵 【l ， 。= l 州 而其他元素为零。 u 为各元素均为1 的矩阵 u i _ 1 ，s i _ 1 ，s i - 1 s i - l s ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 a ) ( 2 4 7 b ) ( 2 4 7 c ) ( 2 4 7 d ) ( 2 4 7 e ) ( 2 4 8 ) 通过每个导体与参考导体间的单位长度磁通量向量可用线电流和单位长度电 感矩阵表示为： 姐z ) = l i ( z ) ( 2 4 9 ) 即 l 。l “卜 l 。l 。i ii ； l 。l 2 j l , i 矩阶l 各，i 素的计算详见【2 3 i 。 9 ( 2 5 0 ) w w l l l 。l i i 1lll，j “赴以 l 华中科技大学硕士学位论文 把式( 2 4 9 ) 代入式( 2 4 5 ) 中可得电压变化表达式为： i o v ( z ) = 一( z c + z 。u + j ( i ) l ) l ( z ) ( 2 5 1 ) v 酬2 1 4 重新定义电压、电荷 类似的，我们可以推导出电流变化表达式。首先考虑屏蔽线，重新定义单位长 度屏蔽层上的电荷和被屏蔽导线的电压，如