电缆间串扰电流的理论建模及仿真测试

张 璐，崔 勇

（北京交通大学电磁兼容实验室，北京 100044）

电缆间串扰电流的理论建模及仿真测试

张 璐，崔 勇

（北京交通大学电磁兼容实验室，北京 100044）

电子电气设备日趋复杂，其内部有限的空间通常布置有大量的强电及弱电电缆，这使得线缆串扰问题成为整个系统电磁兼容性的一个关键因素。本文以被干扰电缆上的电流为研究对象，对不同电缆间串扰进行了理论建模及计算。同时搭建了仿真测试平台，分别测试了电缆间距、屏蔽层接地方式及软辫线长度等参数对串扰的影响。实验数据与理论计算结果得到了较好的吻合，验证了理论模型的有效性。

串扰；电流；电缆间距；接地；软辫线

随着电子设备自动化程度的不断提高，连接网络也越来越复杂，电磁干扰与电磁兼容性的问题日显突出。电缆主要用于联接不同的系统，并实现不同系统之间能量与信息的有效传输和交换。在实际布线中，由于便于铺设和维护的特点，电缆就常集中在一起，这样做就会使如强电电缆与弱点电缆之间造成不同程度的线间耦合，即串扰。如在动车组内部，因为空间有限，列车上设备之间的电缆布置将是影响列车系统电磁兼容性的一个重要因素，在对车载电缆进行布线设计时，应进行电磁兼容性方面的考虑。由于电子设备及传输信号的种类很多，布线不当将造成很大的电磁干扰。

串扰这方面的研究始于20世纪30年代，VANCE建立了电缆传输线模型，但是没有涉及多导体电缆计算问题［1］，而PAUL用传输线理论详细分析了多导体传输线间的串扰问题［2］。然而，传统的计算方法都是以被干扰电路负载上的电压为研究对象，而在现场通常很难，甚至不允许对设备内部负载的电压进行测量。此外，对于强电电路，电压测试有一定的危险性。同时，就测试设备而言，很难使用频谱仪对强电电路负载上的电压进行频域测试。如采用示波器进行时域测量，示波器需使用足够大的量程以适应负载较高的工作电压，这样负载上幅度较低的高频骚扰就不易被检测到。因此，本文的理论模型基于电流而非电压来研究分析电缆间的串扰。同时在测试过程中，采用电流环和频谱仪来测量电缆上的骚扰电流。这样就可以解决上述问题，从而对实际工程应用提供参考。

以电流为研究对象，通过理论建模及仿真测试，分析了电缆间距、电缆屏蔽层接地方式对串扰的影响。此外，虽然PAUL研究分析了与芯线平行的接地软辫线对屏蔽的影响［5］。但实际工程安装中，软辫线通常垂直而非平行于芯线。因此，本文还通过测试分析了与芯线相垂直的接地软辫线对串扰的影响。

1 理论分析

1.1 低频串扰模型

由导线间感应耦合基本原理可知，电容耦合和电感耦合是同时存在的。在传输信号频率较低时，通常导线的长度l远小于等于1／10信号波长λ时，可以用集总参数模型来进行分析。以双线传输线为例，如图1所示。

图中，LG和CG为源电路的分布参数，LR和CR为受扰电路的分布参数，LM和CM分别为互电感和互电容，其计算过程详见文献［2］。

在实际工程测试中，很难得到被干扰电缆终端阻抗上的电压，通常是通过电流钳来得到的电缆上的电流值。所以在仿真过程中，定义串扰耦合系数S为通过RNE的电流与源电缆电流之比，即：

图1 低频耦合电路

1.2 高频串扰模型

当电缆信号频率升高到一定程度，相当于工作在“长线”状态，由图1为例建立分布参数模型来进行分析，图2为Δz线元等效耦合电路：

根据传输线理论，可得方程：

图2 Δz线元高频耦合电路

Z和Y分别为单位长度的阻抗矩阵和导纳矩阵［4］，如下所示：

这里，通过建立链参数矩阵A（l）来

建立电缆两端电压与电流之间的关系，来求解传输线方程，可以写成如下形式：

引入端接条件

对方程（3）、方程（4）进行求解，可以得到I（0）与IS的关系，

即可得出串扰耦合系数S的值。

与上述模型类似，可建立当被干扰线为屏蔽电缆、双绞线或者多芯电缆等其他情况下的传输线模型［4－7］，只是链参数矩阵的构建和最终结果的处理上略有不同，然后结合双端口网络理论进行求解。

2 仿真测试

为了研究电缆之间的串扰，在实验室搭建了仿真测试平台。利用信号源及功放产生需要的骚扰信号，通过电磁注入钳将骚扰以感应的方式注入的一条两端负载为50Ω的非屏蔽导线上，该导线作为干扰源，受扰电缆双端接50Ω负载并与干扰源平行放置在金属地板上，电流环探头用来测量通过导线上的电流，整个实验布置如图3所示。实验中分别对导线间距、屏蔽、接地方式及软辫线长度等参数对耦合量的影响进行了测量。

2.1 源－非屏蔽电缆

实验中，受扰线为裸线，耦合长度为4 m，线径2.44 mm。在距地面10 cm高度的条件下，对电缆间距分别为0.1 m，0.3 m 和0.5 m 进行了测试，并与基于低频串扰模型的理论计算结果进行对比，如图4所示：

可以看出，当l／λ＜1／10时，测试结果与低频仿真模型非常吻合，频率较低时，耦合系数以20 d B／10倍频的速率递增，而频率较高时，由于分布参数的影响产生了谐振。同时可以看到，串扰随着间距的增大而变小，这是因为互电感和互电容都会随着间距的增加而减小。由此可见，在10 MHz以下时，间距0.5 m可以达到至少40 d B的衰减，足以满足工程应用。

图3 频域测量实验装置图

图4 不同间距比较

2.2 源－屏蔽电缆

将同轴电缆作为受扰线，距地面10 cm，电缆间距10 cm，电缆半径5.28 mm，屏蔽层半径4.19 mm，屏蔽层厚度0.2 mm。实验中，对同轴电缆屏蔽层不同接地情况以及不同软辫线长度对串扰的影响分别进行了测试。

2.2.1 不同接地情况针对屏蔽层双端接地、单端接地和不接地3种方式来进行测试，结果如图5所示。

图5 不同接地情况比较

由图5a）可看出，当屏蔽层单端接地或者不接地时，与无屏蔽层的情况基本相同，可见屏蔽层没有起到屏蔽作用，这是因为屏蔽层没有构成回路，芯线的回路面积没有改变［3］。而图5b）则可以看出在100 k Hz～50 MHz频率范围内，屏蔽层双端接地起到了很好的屏蔽效果。

2.2.2 不同软辫线长度

在工程实践中，电缆屏蔽层需要接地时，都应采取360°环接的方式链接，但是实际工程应用中，很难在所有场合下都实现设备与电缆的360°环接，就会产生“猪尾巴”效应，这样无论是电场屏蔽还是磁场屏蔽都会受到它的影响［3］。所以，测试了当双端屏蔽层接地时，不同长度的软辫线对耦合量的影响，并用高频串扰模型进行了计算［4］，如图6所示。

图6 不同软辫线长度比较

当软辫线长度为10 cm时（占传输线总长度的4%），导致的串扰比0.5 cm的软辫线大30 dB左右，尽管软辫线并没有消除屏蔽层的作用，但是在150 k Hz以上时会很大程度的降低屏蔽层的效果，同时，由于软辫线的不规则性以及高频时设备的电磁泄漏，所以与理论值出现了一定偏差，但是总的变化趋势是吻合的，证明该仿真方法是比较可靠的。由此可见，软辫线的影响是不容忽视的，所以在工程应用中，如果不能实现屏蔽层与金属机壳360°环接，也应尽量缩短软辫线的长度。

3 结 论

采用低频串扰模型以及传输线理论，以传输线上的电流为研究对象，对不同线缆间的串扰进行了理论计算和测试，分析了屏蔽、接地和软辫线等因素对串扰的影响。理论计算和实验数据表明：在高频时（大于10 MHz）因分布参数的影响以及实验装置的电磁泄漏，基于串扰模型的理论计算结果会与测试结果有一定偏差，但对工程实践影响不大。实验结果表明，在有限的空间内，间距0.5 m可以达到至少40 dB的衰减，已经可以满足工程实践应用，同时，当被干扰电缆为屏蔽线时，屏蔽层双端接地比单端接地及不接地好20 d B，起到了很好的屏蔽效果，但是在设备与电缆无法360°环接时，10 cm的软辫线会使屏蔽效果降低30 dB左右，所以应尽量缩短软辫线的长度，将“猪尾巴”效应降到最低。

［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.机电一体化系统的电磁兼容技术［M］.北京.中国电力出版社，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

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1008-1542（2011）07-0164-04

2011-06-20；责任编辑:李 穆

张 璐（1987-），男，山西高平人，硕士研究生，主要从事通信电子系统的电磁兼容（含电波传播）技术方面的研究。