如何解决电线电缆上的干扰

如何解决电线电缆上的干扰

电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素。因此，在实际中经常发现：当将设备上的外拖电缆取下来时，设备就可以顺利通过试验，在现场中遇到电磁干扰现象时，只要将电缆拔下来，故障现象就会消失。这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线。另外，电缆中的导线平行传输的距离最长，因此导线之间存在较大的分部电容和互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。

解决电缆问题的主要方法之一是对电缆进行屏蔽，但是屏蔽电缆应该怎样端接，怎样的屏蔽电缆才是有效的，等一系列问题是大众普遍关心的问题。本节讨论电缆的辐射问题、电磁场对电缆的干扰问题、导线之间的信号串扰问题，以及这些问题的对策。

1.电缆的辐射问题

电缆的辐射问题是工程中最常见的问题之一，90%以上的设备(主要是含脉冲电路的设备)不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。

电缆产生辐射的机理有两种，一种是电缆中的信号电流(差模电流)回路产生的差模辐射，另一种是电缆中的导线(包括屏蔽层)上的共模电流产生的。

电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路面积是由电缆与大地(或邻近其它大型导体)形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。共模电流是如何产生的往往是许多人困惑的问题。要理解这个问题，首先明确共模电压是导致共模电流的根本原因，共模电压就是电缆与大地(或邻近的其它大型导体)之间的电压。从共模电压出发，寻找导致共模电流的原因就容易了，而导致一个问题的原因一旦清楚，解决这个问题就不是很困难了。

电缆上的共模电流产生的原因有以下几点：

一、差模电流泄漏导致的共模电流.即使电缆中包含了信号回线，也不能保证信号电流100%从回线返回信号源，特别是在频率较高的场合，空间各种杂散参数为信号电流提供了第三条，甚至更多的返回路径。这种共模电流虽然所占的比例很小，但是由于辐射环路面积大，辐射是是不能忽视的。不要试图通过将电路与大地“断开”(将线路板与机箱之间的地线断开，或将机箱与大地之间的地线断开)来减小共模电流，从而减小共模辐射。将电路与大地断开仅能够在低频减小共模电流，高频时寄生电容形成的通路已经阻抗很小。

二、共模电流主要由杂散电容产生。当然，如果共模辐射的问题主要发生在低频，将线路板或机箱与大地断开会有一定效果。从共模电流产生的机理可知，减小这种共模电流的有效方法是减小差模回路的阻抗，从而促使大部分信号电流从信号地线返回。一般信号线与回线靠得越近，则差模电流回路的阻抗越小。一个典型的例子就是同轴电缆，由于同轴电缆的回流电流均匀分布在外皮上，其等效电流与轴心重合，因此回路面积为零，差模阻抗接近为零，几乎100%的信号电流从同轴电缆的外皮返回信号源，共模电流几乎为零，所以共模辐射很小。另一方面，由于差模电流回路的面积几乎为零，差模辐射也很小，所以同轴电缆的辐射是很小的。对于高频信号，用同轴电缆传述可以避免辐射。实际上，这与我们传统上用同轴电缆传输高频信号，以减小信号的损耗的目的具有相同的本质。因为信

号的损耗小了，自然说明泄漏的成份少了，而这部分泄漏就是电缆的辐射。

三、线路板的地线噪声导致的共模电流。信号地线就是信号的回流线，因此，地线上的两点之间必然存在电压，对于高频电路而言，这些就是高频噪声电压，它作为共模电压驱动电缆上的共模电流，导致共模辐射。线路板设计一章中提供的各种减小地线阻抗的设计方法，可以用来减小地线上的噪声，从而减小共模电压。一种推荐的方法是在电缆端口设置“干净地”。所谓干净地就是这块地线上没有可以产生噪声的电路，因此地线上的局部电位几乎相等。如果机箱是金属机箱，将这块干净地与金属机箱连接起来。

四、机箱内电磁波空间感应导致的共模电流。机箱内总是充满了电磁波的，这些电磁波会在电缆上感应出共模电压，另外，电缆端口的附近也会有一些产生高频电磁场的电路，这些电路与电缆之间存在着电容性耦合和电感性耦合，在电缆上形成共模电压。电磁感应产生的共模电压。需要注意的是，机箱内的电磁波大多由电路的差模辐射所致。

(二)

电缆长度：在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆。但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制，不能随意缩短。而且，当电缆的长度不能减小到波长的一半以下时，减小电缆长度也没明显效果;

增加共模电流环路的阻抗：目的是减小共模电流，因为在共模电压一定的情况下，增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流;

减小共模电压：目的是减小共模电流，当共模回路阻抗一定时，减小共模电压就可以减小共模电流;

低通滤波器滤波：目的是减少高频共模电流成份，这些高频共模电流的辐射效率很高;

电缆屏蔽：目的是为共模电流提供一条环路面积较小的路径。

(三)

电磁场对电缆的影响

电缆处于电磁场中时，电缆上会感应出噪声电压。与电缆辐射的情况相对应，电磁场在电缆上感应出的电压也分为共模和差模两种。共模电压是电磁场在电缆与大地之间的回路产生的，差模电压是电磁场在信号线与信号地线形成的回路中产生的。当电路是非平衡电路时，共模电流会转换成差模电压，对电路形成干扰。由于信号线与信号地线形成的回路面积很小，因此噪声电压仍以共模为主。

(一)电磁场在电缆上感应出的电压

电缆很靠近地面时：电场分量垂直于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。

电缆很远离地面时：电场分量平行于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。

电磁场在导线中感应出的电压是共模形式的，负载上的电压是以系统中的公共导体或大地为参考点的，一般以系统中参考地线面为参考点。对于多芯电缆，这意味着电缆中的所有导体都暴露在同一个场中，它们上面所感应的电压取决于每根导体与参考点之间的阻抗。

2.电缆对低频磁场的抑制

低频磁场干扰在实际中是很常见的，例如电源线的附近、马达或变压器的附近等。当电缆穿过这种磁场时，电缆所连接的电路中就会产生干扰。这种干扰是由于导体回路面积所包围的磁通量发生变化所致。根据电磁感应定律，导体上感应的电压幅度与它所包围的磁通变化率成正比。如果回路面积所含的磁通量为j，则：VN=(dj/dt)

如果假设回路面积A中所包围的磁场是均匀的，也即，回路中各点的磁通密度B是相等的，则j=AB，则：VN=A(dB/dt)

如果磁场按正弦规律变化，且表示成：B=B0e-jwt则：VN=jwAB

从公式中，可以看出，感应电压与磁场的频率、磁通密度、回路面积等成正比。由于外界干扰场的频率是不受控的，因此为了减小感应电压，应尽量减小回路中所包围的磁通密度和回路的面积。减小磁通密度只能通过增加电缆与磁场辐射源之间的距离来实现。减小回路面积可以通过使用适当的电缆和接地方式来实现。克服磁场的干扰有效方法是减小回路的面积，也就是使信号线与其回线尽量靠近。双绞线和同轴线在减小磁场干扰方面有很好的效果。双绞线：双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。但是，如果电路的两端接地，则不再具有上述特征。因为这时每根导线与地平面之间构成了一个面积很大的回路，在这个回路中会产生感应电流。由于两根导线是不平衡的，因此会产生差模电压。同轴电缆：当同轴电缆适当连接时，对磁场干扰的抑制效果是十分理想的。因为同轴电缆上信号电流与回流可以等效为在几何上重合，其面积为0。为了保持同轴电缆的这个特性，在电缆的两端，非同轴部分，要保持面积尽量小。即屏蔽层的联线尽量短。实际的同轴电缆，由于芯线与外层不一定是完全同心，因此会有一定的等效面积，影响其抑制效果。与双绞线的情况相似，同轴线的两端也不能接地，否则在芯线与大地的回路中和外层与大地的回路中都会产生电流，由于电路非平衡性，会产生差模噪声。由于天线的对称原理，上述结构的电缆如果接收效率低，则它们的辐射效率也低，因此，双绞线电缆和同轴电缆的辐射也较小。利用这个特点，可以减小电缆的磁场辐射。屏蔽电缆的效果与屏蔽层和电路的接地密切相关。特别是当外界干扰为磁场时，不同的连接方法效果大不相同。这组数据是在磁场中针对不同的接地结构试验获得的：

结构A：

在信号线上套一个非磁性材料的屏蔽套，并且单点接地。对于磁场而言，当非磁性材料的屏蔽层单点接地时，信号回路中的磁场没有变化，因此磁场感应是相同的，即这种结构没有屏蔽效果。这种情况屏蔽效果定义为0dB，作为参考点。

结构B：