通信电缆屏蔽层EMC接地设计分析

摘要：对通信电缆屏蔽层进行周密、精心的接地设计,对于减少通信电缆的电磁辐射,降低对传输信号的噪声干扰,有着十分重要的意义。文章从电缆屏蔽层接地将直接产生电场屏蔽和磁场屏蔽这样两种效果为主线,分别计算、论证了接地对抑制干扰所产生的重要作用;在电缆屏蔽中,又将降低频信号屏蔽层与高频信号的屏蔽方式进行分析对比,总结出不同接地方式的各自特点及影响。为帮助寻求较理想的屏蔽层接地方式,提供了具有一定参考价值的模式。

关键词：EMC;屏蔽;接地

0 引言

在EMC(electromagneticcompatibility)设计的一开始就注重考虑接地线设计,是解决好EMC问题的最有效和最廉价方法。设计良好的屏蔽电缆屏蔽层接地,既能提高抗干扰度,又能减小电磁辐射。

从广义说,接地的含义是为电路或系统提供1个等地点或面,如果接真的大地,则这个参考点或面就是大地电位;接地的另1个含义是为电流流回源提供一条低阻抗路径。电缆屏蔽层大都为金属屏蔽体,要起到良好屏蔽效果,必须要根据不同频率的传输信号对屏蔽的不同要求进行的接地设计。

1 电缆屏蔽层接地分类

电缆屏蔽层接地,可以划分为多种类别。若根据屏蔽层接地产生的屏蔽效果,可分为对电场屏蔽和对磁场屏蔽;

若从电路参考点的角度考虑,可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地;

按照传输信号频率的不同,对屏蔽有不同的要求,又可分为在低频及高频两种情况下的接地分类。

2 低频率信号屏蔽层的电场屏蔽接地分析

对于频率低于1MHz的低频接地系统,应根据到信号源、负载放大器的接地情况来设计电缆屏蔽层的接地方式。

(1)信号源本身浮空,放大器接地如图1所示,Us为输入信号源,C1、C2、C3分别为信号之间及信号线与屏蔽层之间的分布电容,Ug1为负载

放大器信号地对放大器大地端的共模噪声电压,Ug2为信号源处大地电位与负载放大器地线系统所接大地电位之间的噪声电位差,A、B、C、D4条虚线代表电缆屏蔽层不同的接地方式。A种接地方式使流过屏蔽层的各种屏蔽噪声电流经过1条信号线流入大地,会产生很强的串模噪声。对于B、C、D接地方式,可通过电路分析,求出噪声电压作用在信号线之间电容C2的电压,可依据信号线间电容电压最小的接地方式即为电场屏蔽效果最好的屏蔽层接地方式。

由B方式的等效电路图b不难得出
（1）

由C方式的等效电路图c得出
              （2）

由D方式等效电路图d不难得出
（3）

从式1、2、3可以看出C种接地方式产生的电场屏蔽效果最好。

图1 对信号源浮空,放大器接地电路的低频信号电缆屏蔽分析

(2)信号源接地,放大器浮空

如图2所示,A、B、C、D4条虚线分别代表电缆屏蔽层不同的接地方式。分析方式与图1类似,A种接地方式会产生很强的串模噪声。

由B方式的等效电路图b,不难得出
            （4）

由C接地方式等效电路图c不难得出
（5）

由D接地方式等效电路图d不难得出
（6）

从式(4)、(5)、(6)可以看出在这种情况下,D种屏蔽层接地方式产生电场屏蔽最好。

图2 对信号源接地,放大器浮空电路的低频信号电场屏蔽分析

(3)信号源、放大器均接地

图3 对信号源、放大器均接地电路的低频信号电场屏蔽

如图3所示,Ug1为信号源Us的接地端0对信号源处的大地G1之间的共模电压,Ug2为负载放大器信号地端2对放大器处大地G2,Ug3为G1、G2不同接大地端之间的噪声电位差。若屏蔽层不接地,Ug1、Ug2、Ug3串联G1─0─2─G2─G1中,形成地回路噪声电流,它将在信号线0─2上产生压降,成为差模电压进入负载放大器。解决问题的唯一办法,是利用屏蔽层的电阻比信号线电阻小得多的特点,将屏蔽层屏蔽线两端分别与信号地端及负载放大器地端相连,使Ug1、Ug2、Ug33个噪声电压产生的地回路电流主要被屏蔽层分流,从而达到较好的屏蔽效果。

若在微弱信号测量等对EMS要求较高的场合,可通过接入屏蔽良好的信号隔离变压器、平衡变压器、光耦合器或差动放大电路,破坏G1─0─2─G2─G1地回路,从而达到较好的屏蔽效果。

3 高频信号电场屏蔽接地分析

当信号频率高于1MHz,或者电缆长度超过1/10波长时,为保证部件、电缆的信号保持同一电位,必须采用信号地多点接地。

因为传输的高频信号会在负载终端处发生反射,造成波形畸变和增加延时,考虑到高频信号功率传输的阻抗匹配问题,通常使用具有固定阻抗特性的同轴电缆,采用屏蔽层多点接地方式屏蔽(相邻接地点距离小于1/10波长),而杜绝采用双绞芯线的屏蔽线。

当电缆长度较短,小于1/10波长,可将电缆屏蔽层两端分别接信号源和负载放大器的信号地,这样电缆周围高频噪声电磁场通过集肤效应,从屏蔽层外表面流过;而要传输的高频信号在屏蔽层的内表面传输,并且由于地电位引起的共模电位差,其频率远低于信号频率,易于虑除,从而产生较好的屏蔽效果。

4 电缆屏蔽层接地的磁场屏蔽分析

电缆屏蔽层接地的磁场屏蔽分析如图4所示。

图4 电缆屏蔽层接地的磁场屏蔽分析

图4(a)、(b)、(c)3个简图标示出在屏蔽层流过的均匀轴向电流Is,I1为流过芯线的电流。Us为芯线上的总噪声电压源;Ls、rs分别为屏蔽层的电感和电阻;Φ为I产生的全部磁通;M=Φ/I为屏蔽层和芯线之间的互感,故M=Ls。RL为负载输入阻抗。

从图4(b)可以看出,如果屏蔽层不接地或只是单点接地,芯线电流经地面返回,屏蔽层不起作用。只有屏蔽层两端接地,接地点为A、B点,再回源端,其等效电路如图4(c)所示,则
（7）

式中 ω0=rs/Ls为屏蔽层截止频率

当ω>ω时,Is≈i1,地电流IG≈0,I1几乎全部经由屏蔽层流回源端,屏蔽层外由I1和回流产生的磁场大小相等,方向相反,因而互相抵消,抑制了骚扰源向外的电磁辐射。

5 结束语

实践证明,良好的屏蔽设计、加上良好的接地设计,可以解决大部分设备的噪声干扰问题,有利于提高系统整体的EMC效果。

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