電線電纜在電磁兼容方面的設計要點

從電磁兼容技術的根本任務和研究方向出發,進行概括整理了電線電纜在電磁兼容方面的研究方向，包括不一樣屏蔽形式，傳輸模型，電線電纜接地及試驗等。討論了與電線電纜相關的屏蔽、濾波、接地抑制電磁干擾的三大技術，最後指出三大技術也是相互補充和相互關聯的，沒有一應俱全的統一方法，很是有必要從不一樣方面進行研究。

1 引言
電磁兼容技術起源於人們對電磁干擾現象的認識和研究，並在控制、對抗電磁干擾的過程當中逐步發展。電磁兼容技術已經發展成爲一門新興的、獨立的綜合性學科。做爲一門獨立的學科，它有本身獨立的理論體系；可是，做爲一門新興學科，它的造成又還處於發展和完善的過程當中，其理論體系尚不夠嚴密、系統和成熟。這就決定了電磁兼容學科具備一些有別於其它學科的特色。

1）大量引用無線電技術的感念和術語。例如，用電設備對干擾信號的影響應稱爲「敏感」和「接受」；導線和導線相互之間的耦合，有時被稱爲「串擾或串音」，交流電磁場使導線產生的感應電勢稱爲「電場激勵」把相互垂直的兩個電場份量的矢量隨時間變化的形態稱爲「極化」等。

2）理論體系主要以電磁場理論和電路理論爲基礎構成。

3）主要以分貝（dB）做爲度量單位。

4）電磁兼容性已經成爲產品可靠性指標的重要組成部分。

2 根本任務和研究方向

2.1 電磁兼容技術的根本任務和研究方向

電磁兼容技術的根本任務是使處於同一電磁環境中的各類電氣、電子設備或系統可以互不干擾正常工做，達到所謂的「兼容」狀態。電磁兼容技術的研究則是緊密圍繞造成電磁干擾的三要素而進行的，即研究干擾的機理、干擾源的發射特性以及如何抑制干擾的發射；研究干擾以何種方式、經過什麼途徑傳播，以及如何切斷這些傳播通道；研究干擾接收器對干擾產生何種響應，以及如何下降其干擾敏感度，加強抗干擾能力。

基於此，能夠進行以下研究方向：電磁干擾三要素特性的分析；電磁兼容性分析預測技術；電磁兼容設計技術；電磁干擾抑制（也是電磁兼容控制）技術；電磁兼容性測量和試驗技術；電磁脈衝干擾及其防禦技術；信息設備電磁泄漏及其防禦技術；電磁兼容標準、規範的研究制定與工程管理。

2.2 電線電纜在電磁兼容方面的研究方向

電纜屏蔽結構的研究，包括各種電纜屏蔽材料、形式或組合結構，大體包括：金屬管狀結構；金屬絲編織（不一樣編織密度）結構；金屬絲纏繞（不一樣密度）結構；金屬薄膜壓邊纏繞（或縱包）結構；鋼帶鎧裝結構；金屬鍍層（包括物理或化學鍍層）結構；半導電屏蔽材料的屏蔽做用；導電漆膜結構；以上組合結構。

1）不一樣電纜屏蔽結構在不一樣頻段或不一樣場源狀況下的屏蔽效果的數學模型及工程計算方法；

電線電纜的不一樣傳輸形式，包括：對絞；對絞屏蔽；星絞；星絞屏蔽；同軸結構；雙同軸對稱射頻結構（分屏蔽後加總屏蔽）三同軸結構；漏泄電纜的耦合（利用電磁耦合）；

2）不一樣電纜傳輸形式下如何接地及接地效果；

3）電磁兼容類試驗，包括：電磁干擾測試、電磁敏感度測試、屏蔽效能測試。

3 屏蔽技術

3.1 屏蔽的目的和做用原理

屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出內部區域，二是防止外來的輻射干擾進入某一區域。屏蔽做用是經過一個將上述區域封閉起來的殼體實現的。這個殼體能夠作成實心板式，網狀眼孔式以及金屬編織式，結構形狀能夠是平面體狀，圓柱體，球殼形或幾種組合形狀。其全部材料能夠是導電的，導磁的，介質的，也能夠是帶有非金屬吸取填料的。

關於做用原理能夠有兩種解釋。第一種解釋是：由場源引發的一次場做用下，屏蔽體表面感應而產生電荷，屏蔽體內壁產生電流和磁極化。這些電荷、電流和極化做用產生二次場，二次場與一次場疊加造成合成場，在被防禦區域的合成場必然弱於一次場。第二種解釋是：利用屏蔽體反射，衰減並引導場源所產生的電磁能流使它不被進入防禦區。

第一種解釋比較簡單，但它的不足之處是敘述某些物理概念過程方面有缺陷。第二種解釋觀點比較易於接受，其不足之處是這種概念不適於靜態場。兩種解釋形式不一樣，但其本質是相同的，由於金屬結構對於電磁能流的反射和引導做用的機理自己，與這些結構表面上和內壁的電荷、電流和磁極化的產生有着不可分割的聯繫。

3.2 屏蔽的分類

根據屏蔽的對象不一樣，能夠把屏蔽分爲主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽的對象是干擾源，限制由干擾源產生的有害電磁能量向外擴散。被動屏蔽的對象是敏感體，以防止外部電磁干擾對它產生有害影響。

根據屏蔽的做用原理，能夠分爲靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。

靜電屏蔽的屏蔽體用良導體制做，並有良好的接地。這樣就把電場終止於導體表面，並經過地線中和導體表面上感應電荷，從而防止由靜電耦合產生的相互干擾。

磁屏蔽主要用於低頻下，屏蔽體用於高導磁率材料構成低磁阻通路，把磁力線封閉在屏蔽體內，從而阻擋內部磁場向外擴散或外界磁場干擾進入，有效防止低頻磁場的干擾。

電磁屏蔽主要用於高頻下，利用電磁波在導體表面上的反射和導體中傳播的急劇衰減來隔離時變電磁場的相互耦合，從而防止高頻電磁場的干擾。

實際上咱們沒必要把這三種類型的屏蔽進行對比，正如靜電場和靜磁場是電磁場的特殊狀況同樣，靜電屏蔽和靜磁屏蔽是電磁屏蔽的一種特殊類型。

3.3 電線電纜關於屏蔽效能的指標

電線電纜行業中表示抗電磁干擾的指標不少，最重要的是屏蔽衰減的分貝指標。因介紹的資料較多，本文不深刻介紹，能夠參看相關文獻。指標描述主要包括：屏蔽衰減；屏蔽係數；反射係數；轉移阻抗；串音衰減；串音防衛度。

4 濾波技術

4.1 濾波器概述及定義

濾波技術的基本用途是選擇信號和抑制干擾；以實現這兩種不一樣功能爲目標而設計的網絡分別稱爲信號選擇濾波器和電磁干擾濾波器。

實踐代表，即便一個通過很好設計而且具備合適的屏蔽與接地措施的系統，也仍然會有傳導干擾發射或有傳導干擾進入此係統。濾波是壓縮信號迴路干擾頻譜的一種方法，當干擾頻譜成爲不一樣於有用信號的頻帶時，就能夠用濾波器將無用的干擾過濾減少到必定程度，使傳出系統的干擾不至於超出給定的規範，使傳入系統的干擾不至於引發系統誤動做。

濾波器將有用信號和干擾頻譜隔離得越充分，它對減少有用信號迴路內干擾得效果就越好。所以，恰當地設計選擇和正確地使用濾波器對抑制傳導干擾是極爲重要地。

濾波器的主要特性參數有額定電壓、額定電流、輸入輸出阻抗、插入損耗、功率損耗、相位延遲、重量大小、可靠性、工做溫度和其餘環境條件等。其中最重要、最有意義的是做爲頻率函數的插入損耗。

4.2 濾波器分類

插入損耗的大小是隨工做頻率的不一樣而變化的，一般把插入損耗隨頻率的變化曲線稱爲濾波器的頻率特性。按頻率特性，可把濾波器大致分爲低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器4種類型，如圖1所示。

圖1 四種濾波器的頻率特性

固然，濾波器也能夠按其餘原則分類。例如：按濾波機理分，分爲反射型濾波器和吸取型濾波器，其中反射型濾波器按結構形式又可分爲T型、π型、C型、L型等；按頻率動態響應特性分，可分爲巴特沃斯濾波器、貝塞爾濾波器、巴特沃斯－湯普森濾波器和橢圓響應濾波器；按濾波器應用目的分，可分爲電源濾波器和信號濾波器等。

反射式濾波器存在一個缺點：當它和信號源不匹配時，一部分有用信號將被反射回信號源，從而致使干擾電平的增長，而不是減少。在這種狀況下，可採用吸取式濾波器來抑制不須要的頻率份量，將這部分能量以熱損耗形式被消耗掉，而僅讓有用頻率份量經過。

吸取式濾波器也叫損耗濾波器或穿心濾波器，這種濾波器一般採用鐵氧體材料或其它材料作成介質傳輸線形式。例如，一種吸取式濾波器是在鐵氧體管的內外塗以導電材料作成的。

鐵氧體在交變磁場的做用下，會產生渦流損耗、磁滯損耗和剩磁損耗，這些損耗隨着磁場頻率的升高而增大。正是利用鐵氧體的這一特，使吸取式濾波器能夠消耗掉無用的信號份量。這種濾波器在電力系統以及某些須要消耗掉干擾而不是反射干擾的應用中很是有用。

4.3 濾波器結構及應用

電纜濾波器將鐵氧體材料直接填充在電纜裏，就能夠製成電纜濾波器，其典型結構如圖2(a)所示。電纜濾波器的特色是體積小，能夠得到理想的高頻衰減特性，只要較短的一段電纜就能夠起到預期的低通濾波效果。

濾波鏈接器是將鐵氧體直接裝到電纜鏈接器內而製成的，其結構如圖2(b)所示，它在100MHz～10GHz的很寬範圍內能夠得到60dB以上的衰減。

磁環扼流圈是一種鐵氧體制成的圓形磁環，結構極其簡單，如圖2©所示。這種磁環套在信號線上，因爲導線穿過磁環後，在磁環附近的一段導線具備單匝扼流圈的特性，其阻抗將隨着導線屏蔽的升高而增大，因此對導線中的高頻份量具備抑制和衰減做用。這是一種簡單而經濟的損耗式濾波器方法，一般它普遍用於電源線上濾波，在數字信號線中有時也採用。

穿心電容器一般是由金屬薄膜卷繞而成，如圖2(d)所示，其中一個端片和中心導電杆焊在一塊兒，另外一端片與電容器外殼焊接在一塊兒做爲接地端。這是一種短引線電容，它的特殊結構使其自諧振頻率達1GHz以上，所以能夠用於高頻濾波。

它一般安裝在用電設備的外殼上，並將其外殼與設備的接地金屬外殼鏈接，而將其導電杆串接在導線上，使電容器造成對干擾信號的旁路做用。穿心電容器價格低廉，安裝方便，在電磁兼容中經常使用做電源中共模干擾的高頻濾波。實際使用中常把穿心電容與磁環結合起來使用，構成高頻濾波電路，用於抑制電源中的共模高頻干擾。

有時將吸取式濾波器與反射式濾波器串聯起來組合應用，能夠獲得更好的多濾波效果。按這種方法構成的濾波器，既有陡峭的頻率特性，又有很高的阻帶衰減。大大改善了阻帶的衰減性能，使總的特性更趨理想。

圖2 四種吸取濾波器的結構

進入20世紀90年代以來，研究開發寬頻帶全方位抗EMI新型材料及相應器件已經成爲國內外電磁兼容領域的熱點之一。其主要研究方向，是利用軟磁材料的阻抗及損耗隨頻率變化的特性，開發出各類無源EMI濾波器。做爲抗EMI的軟磁性材料，必須具備如下特色：

1） 導磁體μi較高，通常μi應爲100～1500；而在用於濾除頻率較低的EMI信號或在電源濾波器中使用時，要求μi更高，在5000以上。

2） 具備某一特定的損耗——頻率響應特性。在須要衰減EMI信號的頻段內損耗較大，足以把EMI衰減到最低容許電平；而在須要傳輸信號的頻段內損耗很小，使信號能順利經過。

3） 額定溫度、飽和磁通密度和電阻率值高，以便在高溫、直流偏置下能正常工做。

目前，主要的抗EMI軟磁性材料有兩類；鐵氧體軟磁材料和非晶態納米晶軟磁材料。

5 接地與搭接技術
接地與搭接技術是防止電磁干擾、增長電子設備電磁兼容能力的重要方法之一。若是接地方法使用恰當，搭接可靠，既可減小設備產生的對外干擾，又可以使設備免受外來干擾。搭接和接地的基本原則是實現低阻抗鏈接，最好是零阻抗鏈接（固然，實際不可能）。下面簡單分析電纜屏蔽層的接地，其它相關內容能夠查閱有關文獻資料。

電纜屏蔽層接地正確與否關係到屏蔽做用地好壞。不正確的接地會使屏蔽效果變差，甚至無屏蔽效果，最壞的還有可能比不屏蔽時還要糟糕。屏蔽電纜通常分爲低頻電纜和高頻電纜，對於低頻信號電纜屏蔽層一般應單點接地；對於高頻信號電纜和電力電纜的屏蔽層至少應在電纜兩端接地，最好多點接地。

低頻電路接地時，關鍵應考慮如何避免接地環路。而在高頻時，因爲趨膚效應使信號電路在屏蔽層上分層流動，所以同軸電纜屏蔽層與地面構成接地環路時，對信號影響不大，形成干擾較小。下面列出低頻狀況下，採用不一樣電纜形式（對絞、屏蔽對絞、同軸），不一樣接地方式（單端、雙端、線芯是否接地）的抗干擾程度，見圖3。圖右方的數字是相對基準電壓的dB值，實際應爲負值。

圖3 電線電纜的接地

A、B、F圖爲同軸電纜，C、G圖爲非屏蔽雙絞線，D、E、H、I、J圖爲屏蔽雙絞線。

A圖爲「單線——大地」迴路系統，假設這種接法的地環路干擾電壓做爲基準值（相比其它接法，電壓值最大）。B圖爲同軸迴路接法，外導體雙端接地。F圖與B圖基本相似，但僅單端接地，抗干擾能力至關強。

C圖爲雙絞線而且雙端接地。G圖爲單端接地，抗干擾能力提升。

D、E、H、I、J圖均爲屏蔽雙絞線，接地方式不一樣，抗干擾能力也不一樣，J圖的測試結果最好，但通常電氣人員選用H圖的接地方式。

6 結論
屏蔽、濾波、接地是抑制電磁干擾的三大技術，這是電子設備和系統在進行電磁兼容性設計過程當中通用的三種主要的電磁干擾抑制方法。雖然每一種方法在電路和系統設計中都有其獨特的做用，但它們有時也是相互關聯的。譬如，設備接地良好，能夠下降設備對屏蔽的要求；而良好的屏蔽，也能夠對濾波的要求低些。

電磁兼容設計所涉及的內容極其普遍，並且不一樣的系統在設計方法上也可能徹底不同。所以，目前並無經典的，一應俱全的設計方法可循。

我國的電磁兼容研究起步比較晚，與國外發達國家相比有必定的差距，國內產品電磁兼容性能的總體技術水平還有待進一步提升。電磁兼容的技術特色決定了產品的電磁兼容技術複雜和質量控制的一致性要求高，企業應引發足夠的重視，從設計開發到生產過程適時加以控制。電線電纜企業應抓住時機，與時俱進，加快科技創新，開發出適應市場需求的電磁兼容類電線電纜產品。