多芯电缆屏蔽效能原理及其仿真分析软件

多芯电缆屏蔽效能原理及其仿真分析软件

[日期：2008-11-18 15:42:00] 作者：未知来源：引言

随着现代通信网络及电子技术的飞速发展，在有限的空间内电子设备的密度越来越大，相互之间的干扰已经引起越来越多的重视采用屏蔽措施是消除或抑制电磁干扰的有效手段

目前，为了保证电磁兼容性，车载通信总线基本上均采用屏蔽电缆使用屏蔽电缆一方面可以有效地抑制电缆上感应的EMI辐射，避免通信失效，噪音增大，传输误码，信号误差等现象；另一方面可减少电缆上的信号向外辐射，减少对周围电磁环境的污染，防止信息的泄漏和失密在车载通信系统电磁兼容设计方面，多芯电缆的屏蔽效能是一个很重要的指标因此，本文介绍了多芯电缆的屏蔽效能原理，并在此基础上开发了多芯电缆屏蔽效能仿真软件，为设计人员合适设计和选择电缆提供了依据，这对缩短产品的开发周期，节省开发成本具有重大意义

1屏蔽效能原理

1.1屏蔽效能的定义

屏蔽效能是用来评价材料的屏蔽效果，其定义为在电磁场中同一地点无屏效时的电场或磁场强度与加屏蔽体后的电场或磁场强度或功率之比，通常用SE(shielding effectiveness)表示SE可以有多种表示方法，文中采用如下方法进行仿真计算：

电缆暴露在外界辐射场中时，屏蔽层上的电流与导线上的电流的比值：

在工程计算中，还可以通过转移阻抗来确定电缆的屏蔽效能电缆屏蔽层的转移阻抗用ZT表示，表示的是内中心导体与外屏蔽层之间电压和屏蔽层表面的电流的比值，反映了屏蔽层内部场与外部场的耦合关系如图1所示，它是由屏蔽层的材料及结构形式所决定的，体现了屏蔽体的固有屏蔽特性

如果某根芯线两端的端接阻抗Zi1(始端)、Zi2(终端)，则由包含多芯屏蔽电缆的传输线理论，屏蔽层内回路与芯线回路相对于参考导体的电压相等，所以有：

把式(3)代人式(1)，即可求得屏蔽效能公式：

实际计算时，应选取被耦合的最大线芯电流作为Ii，这样才能对应最大的转移阻抗和最小的屏蔽效能

1.2影响电缆屏蔽效能的因素

屏蔽效能与很多因素有关，如屏蔽材料的电导率、磁导率，屏蔽的结构，干扰源的频率，在近场还与离干扰源的距离和场源性质(电场或磁场)有关

影响编织电缆屏蔽性能的参数有编织密度、编织角及编织导线的丝径、材质等，编织角度越小，编织密度越大，投影覆盖率就越大，屏蔽效果越好；包容型电缆屏蔽性能与屏蔽层厚度、材料等密切相关在低频时，编织屏蔽电缆要优于包容屏蔽电缆，而高频时候连续的金属管比编织的金属网的屏蔽效果好；双层屏蔽比单层屏蔽要好辐射源与屏蔽的耦合、各单元之间相互耦合的影响、屏蔽终端的影响以及接地技术，都必须考虑进去2软件的总体设计及功能

工程上，我们对于系统间的互连多芯电缆，从电磁兼容的角度来讲，最关心的是它上面传输的信号的特征、屏蔽效能、线间耦合干扰量、以及受到干扰以后信号波形的变化因此软件从功能上的设计目标是完成以下4个功能：信号频谱分析、屏蔽效能及转移阻抗分析、线间频域内的互耦分析以及线间时域内的互耦分析，图2为软件的总体结构图功能选择界面如图3所示

2.1输入模块

基于VB语言在编写软件界面方面的简单易用，以及功能的强大，输入模块主要是用其编写该模块实现了信号参数、电缆参数、激励源参数等的输入，并采用人机交互方式和界面图形化设计，辅以大量的图文提示，及大量的容错提示，能及时反馈用户误操作信息由于窗体较多，这里以"芯线参数输入"窗体为例，如图4所示

2.2核心计算模块

核心计算模块是用Borland C++编写，是软件最重要的部分，它负责处理输入模块传递过来的数据，进行仿真计算，并输出相应的数据文件这一过程是在后台自动进行操作，无需用户干预以"屏蔽效能分析"功能的核心计算程序为例，用图5的结构图来说明其工作流程

2.3输出模块

鉴于图形结果的直观，数值结果的精确，所以在输出模块中设置了2种输出方式，分别为图形结构和数据结构

3仿真结果及分析

由于现有条件所限，这里对一根两芯电缆进行仿真及测试，这根电缆的参数如下所示：

芯线：有两根芯线，每根芯线的半径为0.2 mm，每根芯线的绞合导线数为16，绞合导线直径为0.1 mm

屏蔽层：屏蔽层类型为编织屏蔽层，屏蔽层半径为3 mm，编织束为16，导线束6，编织角18.7°，屏蔽层厚度0.15 mm

分别对每个芯线进行测试，计算出电缆的屏蔽效能，取最小的屏蔽效能值作为该被测电缆的屏蔽效能图6为仿真结果与测试结果的比较

从图6中可以看出，仿真结果与测试结果两者吻合的较好在300 MHz以前，除了个别的点以外，两者相差在5 dB左右而在高频，实测的屏蔽效能比仿真的结果低主要是由于装置的高频耦合泄漏较严重所致

4结论

通过仿真结果和测试结果的对比，证实该仿真软件具有较好的效果通过本仿真软件的使用不仅可以对已有的电缆的性能进行评估，且仿真计算结果对电缆的设计及选用具有指导性作用