屏蔽電纜的屏蔽效能和轉移阻抗的關系分析

南京全信傳輸科技股份有限公司 劉永青 王 杰 郭玉林

隨著近年來計算機技術的飛速發(fā)展，在5G時代下通信信號頻率逐漸提升，電磁兼容逐漸引起人們的研究重視，在設備中互連電纜通常作為導致電子設備發(fā)生超標電磁輻射的關鍵原因，所以設計屏蔽電纜，運用金屬材料包裹信號線，不僅能阻擋外部環(huán)境下電磁信號對電纜傳輸造成耦合干擾，還可降低電纜在信號傳輸中向外界輻射電磁干擾，但也增加了信號成本投入[1]。

對考慮到應用環(huán)境不同，對電纜屏蔽效能的需求也各有不同，諸多研究者展開對屏蔽電纜的屏蔽效能量化評估研究。轉移阻抗作為目前學術界對電纜屏蔽性能廣泛應用最有效的評估指標，提出三同軸法、四同軸法、電流探針法、線注入法等測試方法[2]，本文提出應用三同軸法是因為此種測試方法較其他方法低成本，操作簡單。接下來本文將對屏蔽電纜的屏蔽效能與轉移阻抗關系展開研究分析。

1 轉移阻抗三同軸測量方法

1.1 AS 理論模型

三同軸測量法自上世紀60年代便被用于空間電磁場、屏蔽線纜耦合問題研究中，泄露射頻信號不僅有關于線纜小孔耦合，同軸電纜編織層磁通互聯(lián)同樣作為泄露問題的發(fā)生原因。在此基礎上Vance簡化了小孔電磁耦合與編織層電磁互聯(lián)模型[3]，推導得出屏蔽電纜轉移阻抗與轉移導納計算公式，Sali對該理論模型改進提高有效性，并對實驗數(shù)據(jù)作大量分析，進一步考慮電纜編織層磁場渦流作用，之后運用小參數(shù)近似指數(shù)模型對任意長度屏蔽電纜轉移阻抗進行描述[4]。

1.2 修正因子

假若電學中短電纜滿足條件fmax≤40/L，于是存在[exp(ax)-1]/x～a 和exp(-bx)～1，可 忽 略低頻波段公式如下：Zt=(VL/VsY01L)×[4(1-ρuρ22)(1-ρ2ρu)/(1+ρ22)(1-ρ11)(1-ρ12)(1-ρ21)]。

式中：由驅動線看向信號源端、接收機端的兩個反射系數(shù)分別用ρ11、ρ21表示；在匹配端、接收機兩端測試線的兩個反射系數(shù)分別用ρ12、ρ22表示；信號源開路電壓用Vs表示；驅動線導納用Y01表示。

在實際測試過程中，通常是在儀器由外至內測試獲得反射系數(shù)，因此在ρ12=ρin、ρ22=-ρout基礎上，引入饋如內部電路功率P1，外部電路功率P2，可得[5]：P1=Vs2ZD/(ZD+Zg)2、P2=VL2/ZD、1/Y01=Z01=Zg(1-ρu)/(1+ρ11)。其中修正因子如下[6]：F=4(1+ρ12ρ22m)(1+ρ22ρ11m)/(1-ρ11m)(1-ρ22m)(1-ρ12)(1-ρ21)。

根據(jù)上述功能公式能發(fā)現(xiàn)，在實際測試過程中所獲P2、P1兩值，在固定信號源Zg與接收機阻抗ZD條件下，一旦確定被測試樣長度，所得轉移阻抗便相關于修正因子F。

2 屏蔽電纜屏蔽效能

在屏蔽電纜中某一電磁輻射場強值，經傳輸線理論對各點電流計算，電偶極子計算線上各點輻射，之后積分可得整根電纜輻射。為了方便分析簡化無屏蔽與有屏蔽兩種條件下的電纜輻射情況（圖1）。

圖1 電纜輻射

如圖1所示，無屏蔽電纜輻射公式為E1=KeI1，式中：對地回路共模輻射因子用Ke表示，長度用l表示，離地高度用h 表示，頻率用Fu表示，距離觀測點用D 表示；有屏蔽電纜輻射中公式為[7]E2= Kel2+KDI1，式中：對地回路共模輻射因子用Ke表示，差模回路輻射因子用KD表示。

在較小電纜半徑較大電纜離地高度情況下，因為較小的差模輻射回路面積，等同的差模電流大小，相反方向下KD結果較小，較大的共模輻射回路面積，相應的獲得較大Ke值，這時可得到屏蔽電纜屏蔽效能如下，可發(fā)現(xiàn)屏蔽電纜的屏蔽效能約為屏蔽表層電流與芯線電流比值。

3 轉移阻抗與屏蔽效能關系測試

3.1 測試設計

以VANCE 編制電纜轉移阻抗計算公式，計算可得屏蔽電纜的轉移阻抗值，代入公式（1）可得屏蔽電纜的屏蔽效能。選取某四芯數(shù)據(jù)電纜為本次測試試樣，該屏蔽電纜的單絲直徑1mm、用d 表示，每一股電纜分別9根單絲，共計16股、26mm 節(jié)距，1～50MHz 的測試頻率范圍。使用雙短路法對比電阻饋電法的兩種測試結果（表1），能發(fā)現(xiàn)在2次測試中，雙短路法獲得結果一致性較好，電阻饋電法相比之下不如雙短路法，尤其在電纜曲線左右兩端更加明顯。

表1 不同測試結果對比

3.2 測試結果

在10kHz～10MHz 范圍內，轉移阻抗所受屏蔽電纜散射所致轉移阻抗，與頻率呈負相關，頻率遞增轉移阻抗遞減，屏蔽效能則與頻率呈正相關隨之上升。在107頻率點之后，轉移阻抗值則與小孔耦合所致轉移阻抗相關，在20dB 轉移阻抗的10倍頻增加情況下，108頻率點之后屏蔽電纜的屏蔽效能逐漸振蕩式減少。

在一致電纜編織參數(shù)下，設計10cm 屏蔽電纜離地高度，分別為0.1m、0.5m、1m 電纜長，根據(jù)圖示能發(fā)現(xiàn)：三條曲線在10MHz 頻率點并未發(fā)生變化，100MHz 頻率點與長度呈負相關，長度越短100MHz 頻率點越大。在10MHz 頻率點之前屏蔽電纜的屏蔽效能幾乎不變，但在10MHz 頻率點之后屏蔽效能隨著長度逐漸變短隨之增大，在100MHz頻率點之后三條屏蔽電纜的屏蔽效能均有所下降，呈20dB 每10倍頻率下降趨勢。

在一致電纜編織參數(shù)下，1m 電纜長度、10cm與100cm 的電纜離地高度，根據(jù)圖示能發(fā)現(xiàn)，在10MHz 頻率點與100MHz 頻率點獲得同樣結果，這一情況反映屏蔽電纜長度并未改變。屏蔽電纜越高的離線高度屏蔽效能就會越大，并且根據(jù)上文公式也可發(fā)現(xiàn)，隨著屏蔽電纜離地高度的逐漸增加，會增大對地單位長度電感，減少對地回路共模輻射電流，屏蔽電纜的屏蔽效能有效提升。

在一致的電纜編織參數(shù)中，35股與24股電纜均為1m 電纜、10cm 電纜離地高度，發(fā)現(xiàn)隨著逐漸增加的股數(shù)1MHz 逐漸增加轉移阻抗遞減，二者呈負相關。在1MHz 之后屏蔽電纜的轉移阻抗同樣呈20dB 每10倍頻率下降趨勢，基本達到大約60dB的轉移阻抗差值。屏蔽電纜的股數(shù)越大屏蔽效能則越小，因為本次測試并未改變電纜長度，所以在100MHz 轉移阻抗基本不變。