电缆屏蔽与接地_笔记

1.干扰原理

1.1导线传输

理想状况下导线只考虑电阻，实际状况（尤其是高频状况）下导线还应考虑分布参数（分布电容和分布电感）。

分布电容与分布电感乘积为常数：L C = 。

导线物理特征由特性阻抗描述：Z0 = √⁄，与导线的电压电流无关。

分布参数是干扰及其传导的主要原因。

分布电感：导线-导线 > 导线-导板 > 导板-导板

分布电容：导线-导线 < 导线-导板 < 导板-导板

特性阻抗：导线-导线 > 导线-导板 > 导板-导板

1.2.1传输线长短

导线长度s < 信号波长λ/10（或/4）

信号传播时间t QZ < 0.5 * 信号沿上升时间t f

导线长度s > 信号波长λ/1（或/4）

波长是频率的函数：λ = c/f

f < 3kHz → R >

常量：高频电源波长1m，给灯泡供电，供电回路长度为2m以上。

变量：可平移导线将灯泡短路，并从靠近灯泡（远离电源）端至远离灯泡（靠近电源）端移动。

可平移导线构成将电路分为三个支路：可平移导线支路A与灯泡支路B和电源支路C。

常量：支路A阻抗Z A为常量，因电源频率和支路A长度为常量。

变量：支路B阻抗为Z B变量，因支路B长度随可平移导线的移动而变化。

变暗：可平移导线逼近灯泡某处时，支路B长度远小于电源波长/10，按照短线特性，应考虑电感，

由于电源频率为高频，Z B》Z A，于是灯泡被短路，故灯暗。

变亮：可平移导线远离灯泡某处时，支路B长度大于电源波长/10，按照长线特性，仅考虑电阻，

由于电源频率为高频，Z B与Z A数量级相当，于是灯泡不被短路，故灯亮。

变暗：可平移导线逼近电源某处时，支路C长度远小于电源波长/10，按照短线特性，应考虑电感，

由于电源频率为高频，Z B》Z A，于是电源被短路，故灯暗。

注意：灯丝本身就是一根导线。

干扰抑制元件要就近安装在干扰源端或被保护设备端。因为由以上解释，远端的干扰可以被忽略。

1.2.2共阻抗耦合

常量：电路中有N个回路，第N个回路为电源与第N个支路构成，N个支路为为并联关系。

变量：第X（X = 1, 2, 3, .., N）个支路的阻抗由于高频噪声、脉冲噪声以及浪涌电压等发生变化，

N个支路共用电压U N = U S– I S Z S

U S = 电源电压，I S = 电路总电流，Z S = 电源内阻

变量发生时，I S发生变化，于是共用电压U N发生变化，从而对其它支路产生影响。

此时N个支路应分开供电。

常量：系统中有N个电路，N个电路的负极共用一根地线，地线存在阻抗Z E。

变量：第X（X = 1, 2, 3, .., N）个电路的阻抗由于高频噪声、脉冲噪声以及浪涌电压等发生变化，

N个电路共用地电势U E = I E Z E

变量发生时，I E发生变化，于是共用地电势U E发生变化，从而对其它电路产生影响。

此时N个电路应分开接地或就近接地（接地线短则接地阻抗小）。

1.2.3传输线反射

2 t QZ < t f（2倍信号从源到目的传播时间小于信号沿上升时间）

t QZ接近5ns/m。

反射改变正常信号，产生多个干扰正负脉冲和有害冲击电压

源端⁄，负载端⁄

反射波为反射系数乘以入射波。

负载匹配（两个反射系数至少有一个为零，三种情况）

（待）

1.2.4传输线干扰

干扰源通过磁场耦合在两根导线与设备构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线L为一线，以导线N为另一线，构成的传输回路上的干扰信号。

原因：？

特性：差模信号大小（幅度）相等，方向相反，频率较低（小于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且若非工作信号，则直接叠加于有用信号上。

抑制：？

干扰源通过电场耦合在一根导线与系统地构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线一端A为一线，另一端B为另一线，通过耦合电容或直接连接的方式，与大地构成的传输回路上的干扰信号。

原因：导线两端对地电位差不同，导线本身对地电位差不零。

特性：大小（幅度）相等，方向相同，频率较高（大于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且可转化为差模信号，干扰工作信号。

抑制：采用屏蔽线。

干扰源通过磁场耦合在两根导线与系统地构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线L为一线，以导线N为另一线，通过耦合电容或直接连接的方式，与大地构成的传输

回路上的干扰信号。

原因：外磁场同时在L线盒N线上感应了相等幅度的感应电压。

特性：大小（幅度）相等，方向相同，频率较高（大于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且可转化为差模信号，干扰工作信号。

抑制：采用平衡电路、隔离变压器、共模扼流圈、光电耦合器、光纤传输线。

共模扼流圈：共模信号在线圈中产生同方向感应磁通并叠加，从而对共模信号产生双倍抑制。正常信号在线圈中产生反向感应磁通并抵消，从而对正常信号几无影响。

差动电路：RS232为全双工通信，电压方式，发送端TX和接收端RX皆以信号地GND作为基准点，构成两个信号回路，抗共模干扰能力较弱，可传输距离较短（西门子RS232C为15m）。

RS422和RS485则采用差动电路，信号回路不共地，抗共模干扰能力较强，传输距离可达1.2km。

1.2空间传输

1.2.1传输场远近

传输场分为电场和磁场。

电场与磁场的关系由波阻抗描述：Z0 = ⁄。

其中⁄，⁄。

场源为电场时，电场远大于磁场，波阻抗极大，故电场为高阻抗场源，

场源为磁场时，磁场远大于电场，波阻抗极小，故磁场为低阻抗场源。

设备或电气柜内各环路间的电距离较短，一般为近场。

场源半径r < λ/10（或/2）。

近场性质与场源性质有关：

电场场源表现的近场为高电压小电流，

磁场场源表现的近场为低电压大电流。

一个3W的步话机可产生接近50V/m的电场，一般设备会产生10V/m的电场。

近场的波阻抗为常数 = 120 ohm，电场与磁场的衰减系数近似等于1/r。

场源半径r > λ/1（或/2）。

波长是频率的函数：λ = c/f。

1.2.2天线场效应

辐射强度

λ

I = 环路电流，A = 环路面积，λ = 信号波长。

减小环路面积：将进柜电缆安排在电控柜的同一侧。

大面积环路不仅辐射强度大，而且易受到干扰（接收能力强）。

信号回路中阻抗不匹配导致电磁波辐射，去掉负载则为双极子天线。

底端带有阻抗的线性物体。

若为发射天线，则电流沿线性物体转换成电场向外辐射，若为接收天线则反之。