電線電纜在電磁兼容方面的研究方向

　　1引言

　　電磁兼容技術(shù)起源于人們對電磁干擾現(xiàn)象的認(rèn)識和研究，并在控制、對抗電磁干擾的過程中逐步發(fā)展。電磁兼容技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門新興的、獨立的綜合性學(xué)科。作為一門獨立的學(xué)科，它有自己獨立的理論體系；但是，作為一門新興學(xué)科，它的形成又還處于發(fā)展和完善的過程中，其理論體系尚不夠嚴(yán)密、系統(tǒng)和成熟。這就決定了電磁兼容學(xué)科具有一些有別于其它學(xué)科的特點。

　　1）大量引用無線電技術(shù)的感念和術(shù)語。例如，用電設(shè)備對干擾信號的影響應(yīng)稱為“敏感”和“接受”；導(dǎo)線和導(dǎo)線相互之間的耦合，有時被稱為“串?dāng)_或串音”，交流電磁場使導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電勢稱為“電場激勵”把相互垂直的兩個電場分量的矢量隨時間變化的形態(tài)稱為“極化”等。

　　2）理論體系主要以電磁場理論和電路理論為基礎(chǔ)構(gòu)成。

　　3）主要以分貝（dB）作為度量單位。

　　4）電磁兼容性已經(jīng)成為產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的重要組成部分。

　　2根本任務(wù)和研究方向

　　2.1電磁兼容技術(shù)的根本任務(wù)和研究方向

　　電磁兼容技術(shù)的根本任務(wù)是使處于同一電磁環(huán)境中的各種電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)能夠互不干擾正常工作，達到所謂的“兼容”狀態(tài)。電磁兼容技術(shù)的研究則是緊密圍繞形成電磁干擾的三要素而進行的，即研究干擾的機理、干擾源的發(fā)射特性以及如何抑制干擾的發(fā)射；研究干擾以何種方式、通過什么途徑傳播，以及如何切斷這些傳播通道；研究干擾接收器對干擾產(chǎn)生何種響應(yīng)，以及如何降低其干擾敏感度，增強抗干擾能力。

　　基于此，可以進行如下研究方向：電磁干擾三要素特性的分析；電磁兼容性分析預(yù)測技術(shù)；電磁兼容設(shè)計技術(shù)；電磁干擾抑制（也是電磁兼容控制）技術(shù)；電磁兼容性測量和試驗技術(shù)；電磁脈沖干擾及其防護技術(shù)；信息設(shè)備電磁泄漏及其防護技術(shù)；電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的研究制定與工程管理。

　　2.2電線電纜在電磁兼容方面的研究方向

　　電纜屏蔽結(jié)構(gòu)的研究，包括各類電纜屏蔽材料、形式或組合結(jié)構(gòu)，大致包括：金屬管狀結(jié)構(gòu)；金屬絲編織（不同編織密度）結(jié)構(gòu)；金屬絲纏繞（不同密度）結(jié)構(gòu)；金屬薄膜壓邊纏繞（或縱包）結(jié)構(gòu)；鋼帶鎧裝結(jié)構(gòu)；金屬鍍層（包括物理或化學(xué)鍍層）結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)電屏蔽材料的屏蔽作用；導(dǎo)電漆膜結(jié)構(gòu)；以上組合結(jié)構(gòu)。

　　1）不同電纜屏蔽結(jié)構(gòu)在不同頻段或不同場源情況下的屏蔽效果的數(shù)學(xué)模型及工程計算方法；

　　電線電纜的不同傳輸形式，包括：對絞；對絞屏蔽；星絞；星絞屏蔽；同軸結(jié)構(gòu)；雙同軸對稱射頻結(jié)構(gòu)（分屏蔽后加總屏蔽）三同軸結(jié)構(gòu)；漏泄電纜的耦合（利用電磁耦合）；

　　2）不同電纜傳輸形式下如何接地及接地效果；

　　3）電磁兼容類試驗，包括：電磁干擾測試、電磁敏感度測試、屏蔽效能測試。

　　3屏蔽技術(shù)

　　3.1屏蔽的目的和作用原理

　　屏蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出內(nèi)部區(qū)域，二是防止外來的輻射干擾進入某一區(qū)域。屏蔽作用是通過一個將上述區(qū)域封閉起來的殼體實現(xiàn)的。這個殼體可以做成實心板式，網(wǎng)狀眼孔式以及金屬編織式，結(jié)構(gòu)形狀可以是平面體狀，圓柱體，球殼形或幾種組合形狀。其所有材料可以是導(dǎo)電的，導(dǎo)磁的，介質(zhì)的，也可以是帶有非金屬吸收填料的。

　　關(guān)于作用原理可以有兩種解釋。第一種解釋是：由場源引起的一次場作用下，屏蔽體表面感應(yīng)而產(chǎn)生電荷，屏蔽體內(nèi)壁產(chǎn)生電流和磁極化。這些電荷、電流和極化作用產(chǎn)生二次場，二次場與一次場疊加形成合成場，在被防護區(qū)域的合成場必然弱于一次場。第二種解釋是：利用屏蔽體反射，衰減并引導(dǎo)場源所產(chǎn)生的電磁能流使它不被進入防護區(qū)。

　　第一種解釋比較簡單，但它的不足之處是敘述某些物理概念過程方面有缺陷。第二種解釋觀點比較易于接受，其不足之處是這種概念不適于靜態(tài)場。兩種解釋形式不同，但其本質(zhì)是相同的，因為金屬結(jié)構(gòu)對于電磁能流的反射和引導(dǎo)作用的機理本身，與這些結(jié)構(gòu)表面上和內(nèi)壁的電荷、電流和磁極化的產(chǎn)生有著不可分割的聯(lián)系。

　　3.2屏蔽的分類

　　根據(jù)屏蔽的對象不同，可以把屏蔽分為主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽的對象是干擾源，限制由干擾源產(chǎn)生的有害電磁能量向外擴散。被動屏蔽的對象是敏感體，以防止外部電磁干擾對它產(chǎn)生有害影響。

　　根據(jù)屏蔽的作用原理，可以分為靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。

　　靜電屏蔽的屏蔽體用良導(dǎo)體制作，并有良好的接地。這樣就把電場終止于導(dǎo)體表面，并通過地線中和導(dǎo)體表面上感應(yīng)電荷，從而防止由靜電耦合產(chǎn)生的相互干擾。

　　磁屏蔽主要用于低頻下，屏蔽體用于高導(dǎo)磁率材料構(gòu)成低磁阻通路，把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，從而阻擋內(nèi)部磁場向外擴散或外界磁場干擾進入，有效防止低頻磁場的干擾。

　　電磁屏蔽主要用于高頻下，利用電磁波在導(dǎo)體表面上的反射和導(dǎo)體中傳播的急劇衰減來隔離時變電磁場的相互耦合，從而防止高頻電磁場的干擾。

　　實際上我們不必把這三種類型的屏蔽進行對比，正如靜電場和靜磁場是電磁場的特殊情況一樣，靜電屏蔽和靜磁屏蔽是電磁屏蔽的一種特殊類型。

　　3.3電線電纜關(guān)于屏蔽效能的指標(biāo)

　　電線電纜行業(yè)中表示抗電磁干擾的指標(biāo)很多，最重要的是屏蔽衰減的分貝指標(biāo)。因介紹的資料較多，本文不深入介紹，可以參看相關(guān)文獻。指標(biāo)描述主要包括：屏蔽衰減；屏蔽系數(shù)；反射系數(shù)；轉(zhuǎn)移阻抗；串音衰減；串音防衛(wèi)度。

　　4濾波技術(shù)

　　4.1濾波器概述及定義

　　濾波技術(shù)的基本用途是選擇信號和抑制干擾；以實現(xiàn)這兩種不同功能為目標(biāo)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)分別稱為信號選擇濾波器和電磁干擾濾波器。

　　實踐表明，即使一個經(jīng)過很好設(shè)計并且具有合適的屏蔽與接地措施的系統(tǒng)，也仍然會有傳導(dǎo)干擾發(fā)射或有傳導(dǎo)干擾進入此系統(tǒng)。濾波是壓縮信號回路干擾頻譜的一種方法，當(dāng)干擾頻譜成為不同于有用信號的頻帶時，就可以用濾波器將無用的干擾過濾減小到一定程度，使傳出系統(tǒng)的干擾不至于超出給定的規(guī)范，使傳入系統(tǒng)的干擾不至于引起系統(tǒng)誤動作。

　　濾波器將有用信號和干擾頻譜隔離得越充分，它對減小有用信號回路內(nèi)干擾得效果就越好。因此，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計選擇和正確地使用濾波器對抑制傳導(dǎo)干擾是極為重要地。

　　濾波器的主要特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、輸入輸出阻抗、插入損耗、功率損耗、相位延遲、重量大小、可靠性、工作溫度和其他環(huán)境條件等。其中最重要、最有意義的是作為頻率函數(shù)的插入損耗。

　　4.2濾波器分類

　　插入損耗的大小是隨工作頻率的不同而變化的，通常把插入損耗隨頻率的變化曲線稱為濾波器的頻率特性。按頻率特性，可把濾波器大體分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器4種類型，如圖1所示。

　　圖1四種濾波器的頻率特性

　　當(dāng)然，濾波器也可以按其他原則分類。例如：按濾波機理分，分為反射型濾波器和吸收型濾波器，其中反射型濾波器按結(jié)構(gòu)形式又可分為T型、π型、C型、L型等；按頻率動態(tài)響應(yīng)特性分，可分為巴特沃斯濾波器、貝塞爾濾波器、巴特沃斯－湯普森濾波器和橢圓響應(yīng)濾波器；按濾波器應(yīng)用目的分，可分為電源濾波器和信號濾波器等。

　　反射式濾波器存在一個缺點：當(dāng)它和信號源不匹配時，一部分有用信號將被反射回信號源，從而導(dǎo)致干擾電平的增加，而不是減小。在這種情況下，可采用吸收式濾波器來抑制不需要的頻率分量，將這部分能量以熱損耗形式被消耗掉，而僅讓有用頻率分量通過。

　　吸收式濾波器也叫損耗濾波器或穿心濾波器，這種濾波器通常采用鐵氧體材料或其它材料做成介質(zhì)傳輸線形式。例如，一種吸收式濾波器是在鐵氧體管的內(nèi)外涂以導(dǎo)電材料做成的。

　　鐵氧體在交變磁場的作用下，會產(chǎn)生渦流損耗、磁滯損耗和剩磁損耗，這些損耗隨著磁場頻率的升高而增大。正是利用鐵氧體的這一特，使吸收式濾波器可以消耗掉無用的信號分量。這種濾波器在電力系統(tǒng)以及某些需要消耗掉干擾而不是反射干擾的應(yīng)用中非常有用。

　　4.3濾波器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

　　電纜濾波器將鐵氧體材料直接填充在電纜里，就可以制成電纜濾波器，其典型結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。電纜濾波器的特點是體積小，可以獲得理想的高頻衰減特性，只要較短的一段電纜就可以起到預(yù)期的低通濾波效果。

　　濾波連接器是將鐵氧體直接裝到電纜連接器內(nèi)而制成的，其結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，它在100MHz～10GHz的很寬范圍內(nèi)可以獲得60dB以上的衰減。

　　磁環(huán)扼流圈是一種鐵氧體制成的圓形磁環(huán)，結(jié)構(gòu)極其簡單，如圖2（c）所示。這種磁環(huán)套在信號線上，由于導(dǎo)線穿過磁環(huán)后，在磁環(huán)附近的一段導(dǎo)線具有單匝扼流圈的特性，其阻抗將隨著導(dǎo)線屏蔽的升高而增大，所以對導(dǎo)線中的高頻分量具有抑制和衰減作用。這是一種簡單而經(jīng)濟的損耗式濾波器方法，通常它廣泛用于電源線上濾波，在數(shù)字信號線中有時也采用。

　　穿心電容器通常是由金屬薄膜卷繞而成，如圖2（d）所示，其中一個端片和中心導(dǎo)電桿焊在一起，另一端片與電容器外殼焊接在一起作為接地端。這是一種短引線電容，它的特殊結(jié)構(gòu)使其自諧振頻率達1GHz以上，因此可以用于高頻濾波。

　　它通常安裝在用電設(shè)備的外殼上，并將其外殼與設(shè)備的接地金屬外殼連接，而將其導(dǎo)電桿串接在導(dǎo)線上，使電容器形成對干擾信號的旁路作用。穿心電容器價格低廉，安裝方便，在電磁兼容中常用作電源中共模干擾的高頻濾波。實際使用中常把穿心電容與磁環(huán)結(jié)合起來使用，構(gòu)成高頻濾波電路，用于抑制電源中的共模高頻干擾。

　　有時將吸收式濾波器與反射式濾波器串聯(lián)起來組合應(yīng)用，可以得到更好的多濾波效果。按這種方法構(gòu)成的濾波器，既有陡峭的頻率特性，又有很高的阻帶衰減。大大改善了阻帶的衰減性能，使總的特性更趨理想。

　　圖2四種吸收濾波器的結(jié)構(gòu)

　　進入20世紀(jì)90年代以來，研究開發(fā)寬頻帶全方位抗EMI新型材料及相應(yīng)器件已經(jīng)成為國內(nèi)外電磁兼容領(lǐng)域的熱點之一。其主要研究方向，是利用軟磁材料的阻抗及損耗隨頻率變化的特性，開發(fā)出各種無源EMI濾波器。作為抗EMI的軟磁性材料，必須具有以下特點：

　　1）導(dǎo)磁體μi較高，一般μi應(yīng)為100～1500；而在用于濾除頻率較低的EMI信號或在電源濾波器中使用時，要求μi更高，在5000以上。

　　2）具有某一特定的損耗——頻率響應(yīng)特性。在需要衰減EMI信號的頻段內(nèi)損耗較大，足以把EMI衰減到最低允許電平；而在需要傳輸信號的頻段內(nèi)損耗很小，使信號能順利通過。

　　3）額定溫度、飽和磁通密度和電阻率值高，以便在高溫、直流偏置下能正常工作。

　　目前，主要的抗EMI軟磁性材料有兩類；鐵氧體軟磁材料和非晶態(tài)納米晶軟磁材料。

　　5接地與搭接技術(shù)

　　接地與搭接技術(shù)是防止電磁干擾、增加電子設(shè)備電磁兼容能力的重要方法之一。如果接地方法使用恰當(dāng)，搭接可靠，既可減少設(shè)備產(chǎn)生的對外干擾，又可使設(shè)備免受外來干擾。搭接和接地的基本原則是實現(xiàn)低阻抗連接，最好是零阻抗連接（當(dāng)然，實際不可能）。下面簡單分析電纜屏蔽層的接地，其它相關(guān)內(nèi)容可以查閱有關(guān)文獻資料。

　　電纜屏蔽層接地正確與否關(guān)系到屏蔽作用地好壞。不正確的接地會使屏蔽效果變差，甚至無屏蔽效果，最壞的還有可能比不屏蔽時還要糟糕。屏蔽電纜一般分為低頻電纜和高頻電纜，對于低頻信號電纜屏蔽層通常應(yīng)單點接地；對于高頻信號電纜和電力電纜的屏蔽層至少應(yīng)在電纜兩端接地，最好多點接地。

　　低頻電路接地時，關(guān)鍵應(yīng)考慮如何避免接地環(huán)路。而在高頻時，由于趨膚效應(yīng)使信號電路在屏蔽層上分層流動，因此同軸電纜屏蔽層與地面構(gòu)成接地環(huán)路時，對信號影響不大，造成干擾較小。下面列出低頻情況下，采用不同電纜形式（對絞、屏蔽對絞、同軸），不同接地方式（單端、雙端、線芯是否接地）的抗干擾程度，見圖3。圖右方的數(shù)字是相對基準(zhǔn)電壓的dB值，實際應(yīng)為負值。

　　圖3電線電纜的接地

　　A、B、F圖為同軸電纜，C、G圖為非屏蔽雙絞線，D、E、H、I、J圖為屏蔽雙絞線。

　　A圖為“單線——大地”回路系統(tǒng)，假設(shè)這種接法的地環(huán)路干擾電壓作為基準(zhǔn)值（相比其它接法，電壓值最大）。B圖為同軸回路接法，外導(dǎo)體雙端接地。F圖與B圖基本類似，但僅單端接地，抗干擾能力相當(dāng)強。

　　C圖為雙絞線并且雙端接地。G圖為單端接地，抗干擾能力提高。

　　D、E、H、I、J圖均為屏蔽雙絞線，接地方式不同，抗干擾能力也不同，J圖的測試結(jié)果最好，但一般電氣人員選用H圖的接地方式。

　　6結(jié)論

　　屏蔽、濾波、接地是抑制電磁干擾的三大技術(shù)，這是電子設(shè)備和系統(tǒng)在進行電磁兼容性設(shè)計過程中通用的三種主要的電磁干擾抑制方法。雖然每一種方法在電路和系統(tǒng)設(shè)計中都有其獨特的作用，但它們有時也是相互關(guān)聯(lián)的。譬如，設(shè)備接地良好，可以降低設(shè)備對屏蔽的要求；而良好的屏蔽，也可以對濾波的要求低些。

　　電磁兼容設(shè)計所涉及的內(nèi)容極其廣泛，而且不同的系統(tǒng)在設(shè)計方法上也可能完全不一樣。因此，目前并沒有經(jīng)典的，包羅萬象的設(shè)計方法可循。

　　我國的電磁兼容研究起步比較晚，與國外發(fā)達國家相比有一定的差距，國內(nèi)產(chǎn)品電磁兼容性能的整體技術(shù)水平還有待進一步提高。電磁兼容的技術(shù)特點決定了產(chǎn)品的電磁兼容技術(shù)復(fù)雜和質(zhì)量控制的一致性要求高，企業(yè)應(yīng)引起足夠的重視，從設(shè)計開發(fā)到生產(chǎn)過程適時加以控制。電線電纜企業(yè)應(yīng)抓住時機，與時俱進，加快科技創(chuàng)新，開發(fā)出適應(yīng)市場需求的電磁兼容類電線電纜產(chǎn)品。
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