用于车辆间电磁兼容设计(EMC设计)的场线耦合技术

pwm · 发表于 2007-10-26 13:03:41

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<div align="center">用于车辆间电磁兼容设计的场线耦合技术 </div><div align="center">邱　畅1，姜永涛2，郭　鑫1 </div><div align="center">　　（1．西安电子科技大学　机电工程学院　陕西　西安　710071； 2．中国电子科技集团公司第四十一研究所第二研究室　山东　青岛　266555） </div>　　摘　要：根据场到线的耦合原理，计算五辆车上天线共同发射时产生的电场耦合到车际间互连电缆上的电压，分别讨论了电场对平行双线、双绞线和屏蔽线的影响，并对其进行了分析比较。 　　关键词：共模耦合电压；差模耦合电压；天线；辐射电场 <div align="center">Technology of Radiated Electric Field Coupling  to Cable Applied in EMC </div><div align="center">　　QIU Chang1，JIANG Yongtao2，GUO Xin1 </div><div align="center">　　（1．Institute of Mechanical and Electronic Engineering，Xidian University，Xi′an，710071，China； 2．The Second Laboratory，The 41th Research Institute of Electron Science and Technology Bloc Corp．，Qingdao，266555，China） </div>　　Abstract：Basing on the coupling theory，coupling voltage over the interconnected line between vehicles was calculated due tothe electric field produce by the antenna on five vehicles together．The effectofthe electric field on parallellines and twisted-pairand shielded twisted pair was discussed respectively and a comparison was made among them． 　　Keywords：common coupling voltage；differentialcoupling voltage；antenna；radiated electric field 1　引　言 　　互连电缆作为近距离通信的主要介质，在信息的传输中，具有不可替代的地位。并且，大量的工程实践已经证明，互连电缆设计的不合理往往是引起系统电磁干扰问题的主要原因。因此在设备和系统的电磁兼容问题中，传输线的重要性逐渐增加。 　　对于较高的有线传输速率，平行双线已经不能满足需要。双绞线是由2根具有绝缘保护的铜导线按照一定的密度相互缠绕而制成的，互相纽绞在一起可以提高信号的抗干扰能力，这是因为每根导线在传输中辐射出来的电波会与另一根导线发出的电磁场相互抵消。对于普通的信息传输，双绞线足以满足要求，但对于要求很高的应用领域，确保传递信息的可靠性，外加一层屏蔽层会增加其抗干扰性能，同时可以在一定程度上改善其带宽，所以屏蔽双绞线就成为较好的选择。 　　为了估计抗扰度，计算传输电缆上的电压和电流是非常必要的。本文通过计算在入射场辐射下耦合到电缆上的电压和电流来观察系统的抗干扰性能。 2　外部场对传输线的耦合原理 2．1　屏蔽双绞线的理论分析 　　UTP电缆的平衡特性并不只取决于部件本身的质量（如绞对），而会受到周围环境的影响。这意味着如果电缆没有足够的“分离”或独立于环境，平衡特性有可能被破坏。在理想条件下，网络设备产生的信号是完全对称的，但是他会被比如电缆等不平衡的传输信道所破坏。这表示在整个链路上接地线的阻抗必须保持永久不变。并且要求在非屏蔽布线系统的附近不能有金属物体存在，因为在电缆周围的任何一片金属都会破坏UTP电缆的平衡性，从而影响到EMC性能。所以，在UTP电缆外增加一层金属屏蔽护套，可以增强其抗干扰性。 　　外部电磁场照射屏蔽电缆后，将在外部屏蔽体上激起电流分布。因屏蔽体并非完好导体，这一电流将穿透屏蔽体并沿电缆内部产生电压分布，这一电压分布又将在内部负载阻抗中产生电流。 　　屏蔽电缆的泄漏及抗干扰性能主要取决于电缆屏蔽层的屏蔽性能，而电磁波通过屏蔽层的衰减程度可用<a href="http://www.emchome.net/">屏蔽效能</a>SE（Shielding Effectiveness）来描述。仅依赖于外部电缆耦合部分几何尺寸和内在屏蔽特性，而不是电缆负载。<div align="center"><img height="36" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-1.jpg" width="304" border="0" /> </div>其中：Iload为没有屏蔽层流过终端负载的电流； 　　　<img height="20" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-2.jpg" width="30" border="0" />为有屏蔽层流过终端负载的电流。 　　由此可知，只要知道对应频点的屏蔽效能和Iload，就可以求出<img height="20" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-2.jpg" width="30" border="0" />，进而求得终端耦合到的电压。 　　上面所描述的不仅仅适用于同轴电缆，但对于任何平衡的或不平衡的<a>屏蔽电缆</a>来说（例如三心线、屏蔽对、屏蔽多心导线、屏蔽多对同轴线），上述方法同样有效。仅需测试各自的表面转移阻抗即可，而转移阻抗和屏蔽效能有着一一对应的关系。 　　基于这个思路，就可以通过对非双绞线进行分析，再考虑屏蔽层的影响，即可求出外界电磁场对屏蔽双绞线的影响。 2．2　双绞线理论模型 　　电流按流向可分为共模电流和差模电流。所谓共模电流指导线上振幅相差很小而相位相同的电流，也称为天线模、偶极子模、对称模、同向模和偶模；而异模电流指两导线上振幅相等而相位相反的电流，也称为传输线模、不对称模、异向模和奇模，如图1所示。 <img height="286" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-3.jpg" width="351" border="0" />　　只有异模电流才流经终端阻抗，因此在更多的应用场合中，他是惟一有意义的电流。在传输线的终端，其共模电流则为0。离开终端后，共模电流迅速增加，并比异模电流值要大的多。沿线任一点，每一导体中的电流通常都是异模分量和共模分量之和。因为终端的<a href="http://www.emcgarden.net/">共模电流</a>为0，所以在此考虑的是导体中共模电流沿线的累积值，主要是为了分析外界电磁场对互连电缆的影响。 　　当传输线的长度l＞λ／4时（λ为波长），此时沿线的电压和电流时变化的，所以用分布参数理论计算。　 　　如图2所示，传输线上的电压表示为：　<div align="center"><img height="232" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-4.jpg" width="389" border="0" /> </div><div align="center"><img height="128" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-5.jpg" width="389" border="0" /> <img height="143" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-6.jpg" width="389" border="0" /> <img height="37" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-7.jpg" width="222" border="0" /> </div>　　但是对于双绞线每个绞环的长度相对波长来说满足电短条件并且满足远场（r＞λ／2π）条件，外界电磁场可等效为平面波求解。 　　<img height="148" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-8.jpg" width="389" border="0" />　　如果电磁场的入射方向与回路所在平面夹角为α，入射电场矢量与导线l间的夹角为θ，则共模和差模耦合电压相量分别为：<div align="center"><img height="115" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/63-9.jpg" width="389" border="0" /></div>离；l为传输线长度；h为传输线距地高度。 　　对于平面波是利用入射场和反射场的波程差进行求解，所以由双绞线模型可知，双绞线上的共模耦合电流和平行双线是等效的，可见参考文献［1］。对于差模耦合，式（4）中的l分别取为：　　 　　<img height="47" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/64-1.jpg" width="351" border="0" /> 3　具体示例 　　假设车的布置如图3所示，每辆车有一辐射天线，本文主要考虑几辆车中单根天线共同作用产生辐射场对电缆的影响。使用Borland C＋＋语言编写程序，仿真计算了电场分别耦合到平行双线、双绞线和屏蔽双绞线终端负载上的电压。<img height="165" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/64-2.jpg" width="331" border="0" /> <img height="248" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/64-3.jpg" width="331" border="0" />4　结果分析 　　由图4中可以看出：对于差模耦合电压，由于导线回路两线间距离很小，因此耦合的电压值也很小，可以忽略其影响；对于<a href="http://www.studyemc.net/">共模耦合电压</a>，裸线和双绞线的耦合电压值都很大，经过屏蔽层的衰减，大大改善了其抗干扰性能。 5　结　语 　　本文通过场到线的耦合理论，比较分析了屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线以及平行双线的抗干扰性能，可以看出对于要求严格的军事领域，屏蔽双绞线是很好的选择。 <img height="238" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/64-4.jpg" width="311" border="0" /> <img height="244" src="http://www.bjx.com.cn/files/wx/xddzjs/2004-1/64-5.jpg" width="323" border="0" /> <div align="center">　　参考文献 </div><div align="center"> </div>［1］Jae CheolJu，Hyun Young Lee．Asimple modelfor a bundle oftwisted-pair wires［J］．IEEEInternational Symposium on Electromagnetic　Compatibility，2001，（1）：649-652． ［2］AlbertA，Smith，JR．外界电磁场对传输线的干扰［M］．翟启明，张贵元，译．太原：山西科学教育出版社，1984． ［3］Juergen Rumold，Jan Luikenter Haseborg．Field excitation of complex multiconductorcable bundles simulations and measurements［J］．IEEE International Symposium onElectromagnetic Compatibility，2001，（1）：57-62． ［4］刘鹏程，邱扬．电磁兼容原理及技术［M］．北京：高等教育出版社，1993．

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