常见线缆线束之间的串扰仿真研究

2019年3月常见线缆线束之间的串扰仿真研究

赵玉研，张业荣（南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院，江苏南京210046）

【摘要】线缆之间的串扰有时会严重影响线缆的正常工作，降低信号的传输质量。本文基于CST电缆工作室，对多组线缆线束进行仿真。通过改变辐射源，观察线缆的近端串扰电压，得出线缆的干扰性和抗干扰性，为实际生活中线缆线束的布线提供指导。

【关键词】线缆线束；串扰；辐射源

【中图分类号】TN811【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）03-0108-02

1引言

随着电子信息和通信技术的高速发展,现代电子电气产

品之间的通信大都依赖各式各样的电缆。信息系统空间越来

越小,电缆布线越来越紧凑,系统的电磁兼容问题愈发突出。

比如在一些大型机房里就有成千上万根线缆,在对如此庞大

的线缆布线时,大量不同类型的线缆密集铺设,虽然有些电缆

自身直接产生的信号较弱,可以忽略,但是却会严重影响其它

线缆的电磁场。因此既要保证线缆线束之间布线整齐美观,又

要保证线缆之间不能存在严重的串扰。本课题对不同线缆线

束之间串扰的研究就很有意义。

2理论分析

该仿真基于多导体传输线理论,采用CST软件对线缆之间的近端串扰电压进行分析。式(1)为N+1根均匀多导体传输线模型的电报方程:

əV(z)əz+ZI(z)=V F(z),əI(z)əz+YV(z,t)=I F(z)(1)

Z为传输线上电磁能传输方向;I(z)和V(z)为线上Z点电流、电压的列向量;I F(z)和V F(z)为外界电磁场在Z处等效分布的电流源和分布电压源列向量;Y和Z为线缆的导纳矩阵和阻抗矩阵,并且满足Z=R+jωL,Y=G+jωC,R、L为单位长度的串联电阻、电感矩阵,G、C为单位长度的并联电导、电容矩阵。

在理想无耗情况下,单位长度的电阻电导可以忽略。将Z 和Y带入式(1),得到多导体传输线方程的时域方程(2):əV(z,t)əz+LəI(z,t)ət+RI(z,t)=V F(z,t),əI(z,t)əz+CəV(z,t)ət

GV(z,t)=I F(z,t)(2)

最后通过此方程组,可以计算出线缆间的串扰。

3CST仿真模型

本文仿真使用CST电缆工作室,对金属板上方平行放置的多种常见类型线缆线束的串扰进行仿真分析。

地面为长160cm、宽80cm的长方形,材料为PEC。各线缆长度设为100cm,且都置于地面上方5cm处,线缆与线缆之间的间隔为5cm。线缆的类型共有4种,分别为:单线、双绞线、同轴线、屏蔽双绞线。N1-N2为激励源,N3-N10为受扰电缆。电缆的摆放位置及线缆类型固定如图1,通过改变激励源,来观察受扰电缆上的串扰电压情况。

线缆之间的排列顺序如下:N1-N2:(激励源)、N3-N4:双绞线、N5-N6:单线、N7-N8同轴线、N9-N10:屏蔽双绞线。

图2为设计工作室中的电路连接图。此图中的辐射源为单线,同轴线和双绞线为辐射源时的电路连接图与图2大致相似,只需要对N1-N2端口进行修改。值得注意的是,当辐射源为双绞线时,需要采用差分信号进行传输。图中NEXT为近端串扰,FEXT为远端串扰。

4仿真结果分析

(1)激励源为单线时,受扰电缆上的近端串扰电压情况。

(2)激励源为同轴线时,受扰电缆上的近端串扰电压情况。

图1线缆模型俯视

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图2电路连接

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(3)激励源为双绞线时,受扰电缆上的近端串扰电压情况。

(4)仿真结果分析

根据图3~5得出表1:在不同辐射源下,各个受干扰线缆上的最大串扰电压。

从图3~5可以直观地看出,不论辐射源是单线、同轴线还是双绞线,在受扰电缆中,双绞线受到的干扰最大,其次是单线,而同轴线和屏蔽双绞线由于具有绝缘层或屏蔽层,从而受到的串扰电压都非常小。

从表1可以看出,当辐射源为双绞线时,各个受扰线缆上所受的串扰电压比同轴线作为辐射源时要小9个数量级,比单线作为辐射源时要小10或11个数量级;当辐射源为同轴线时,各个受扰线缆上所受的串扰电压比单线作为辐射源时要小1或2个数量级。

就不同辐射源来说,单线对其他线缆的辐射干扰最大,同轴线次之,双绞线虽然比较容易受到其他线缆的干扰。但是作

为辐射源时,对其他线缆的串扰却是最小的。

5结论

通过上文分析得出,单线、同轴线、双绞线的干扰能力:双绞线<同轴线<单线。单线、同轴线、双绞线、屏蔽双绞线的抗干扰能力:双绞线<单线<屏蔽双绞线<同轴线。

通过对各组线缆线束的仿真分析得出,当环境干扰源情况较为复杂时,应优先采用屏蔽双绞线,单线不建议单独采用。同轴线多用于天线电路,其抗干扰和屏蔽效果都不错。双绞线虽自身干扰很小,但是易受其他线缆影响,所以建议放置在电磁环境良好的地方。

参考文献

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收稿日期：2019-1-24作者简介：赵玉研(1994-),女,主要从事电磁场方向的研究工作。

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表1

辐射源电压(V )受扰线同轴线单线屏蔽双绞线双绞线单线 1.02885E-4 1.816E-27.76665E-4 2.3071E-1同轴线 2.53069E-6 1.70562E-4 2.96735E-5 2.69E-3双绞线

1.62019E-15

4.35747E-13

1.3185E-14

5.16878E-12

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