電纜上的干擾與對策電纜是系統中造成電磁兼容問題的最重要因素。因此，在實際中經常發現：當將設備上的外拖電纜取下來時，設備就能夠順利通過實驗，在現場中碰到電磁干擾現象時，只要將電纜拔下來，故障現象就會消失。這是由于電纜是一根高效的接受和輻射天線。另外，電纜中的導線平行傳輸的距離最長，因此導線之間存在較大的分部電容和互電感，這會造成導線之間發生信號的串擾。解決電纜問題的重要辦法之一是對電纜進行屏蔽，但是屏蔽電纜應當如何端接，如何的屏蔽電纜才是有效的，等一系列問題是普遍關心而含糊的問題。本節討論電纜的輻射問題、電磁場對電纜的干擾問題、導線之間的信號串擾問題，以及這些問題的對策。電纜的輻射問題電纜的輻射問題是工程中最常見的問題之一，90%以上的設備（重要是含脈沖電路的設備）不能通過輻射發射實驗都是由于電纜輻射造成的。電纜產生輻射的機理有兩種，一種是電纜中的信號電流（差模電流）回路產生的差模輻射，另一種是電纜中的導線（涉及屏蔽層）上的共模電流產生的。電纜的輻射重要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流產生的，共模電流的環路面積是由電纜與大地（或鄰近其它大型導體）形成的，因此含有較大的環路面積，會產生較強的輻射。共模電流是如何產生的往往是許多人困惑的問題。要理解這個問題，首先明確共模電壓是造成共模電流的根本因素，共模電壓就是電纜與大地（或鄰近的其它大型導體）之間的電壓。從共模電壓出發，尋找造成共模電流的因素就容易了，而造成一種問題的因素一旦清晰，解決這個問題就不是很困難了。電纜上的共模電流產生的因素有下列幾點：差模電流泄漏造成的共模電流.即使電纜中包含了信號回線，也不能確保信號電流100%從回線返回信號源，特別是在頻率較高的場合，空間多個雜散參數為信號電流提供了第三條，甚至更多的返回途徑。這種共模電流即使所占的比例很小，但是由于輻射環路面積大，輻射是是不能無視的。不要試圖通過將電路與大地“斷開”（將線路板與機箱之間的地線斷開，或將機箱與大地之間的地線斷開）來減小共模電流，從而減小共模輻射。將電路與大地斷開僅能夠在低頻減小共模電流，高頻時寄生電容形成的通路已經阻抗很小。共模電流重要由雜散電容產生。固然，如果共模輻射的問題重要發生在低頻，將線路板或機箱與大地斷開會有一定效果。從共模電流產生的機理可知，減小這種共模電流的有效辦法是減小差模回路的阻抗，從而促使大部分信號電流從信號地線返回。普通信號線與回線靠得越近，則差模電流回路的阻抗越小。一種典型的例子就是同軸電纜，由于同軸電纜的回流電流均勻分布在外皮上，其等效電流與軸心重疊，因此回路面積為零，差模阻抗靠近為零，幾乎100%的信號電流從同軸電纜的外皮返回信號源，共模電流幾乎為零，因此共模輻射很小。另首先，由于差模電流回路的面積幾乎為零，差模輻射也很小，因此同軸電纜的輻射是很小的。對于高頻信號，用同軸電纜傳述能夠避免輻射。事實上，這與我們傳統上用同軸電纜傳輸高頻信號，以減小信號的損耗的目的含有相似的本質。由于信號的損耗小了，自然闡明泄漏的成分少了，而這部分泄漏就是電纜的輻射。線路板的地線噪聲造成的共模電流。信號地線就是信號的回流線，因此，地線上的兩點之間必然存在電壓，對于高頻電路而言，這些就是高頻噪聲電壓，它作為共模電壓驅動電纜上的共模電流，造成共模輻射。線路板設計一章中提供的多個減小地線阻抗的設計辦法，能夠用來減小地線上的噪聲，從而減小共模電壓。一種推薦的辦法是在電纜端口設立“干凈地”。所謂干凈地就是這塊地線上沒有能夠產生噪聲的電路，因此地線上的局部電位幾乎相等。如果機箱是金屬機箱，將這塊干凈地與金屬機箱連接起來。機箱內電磁波空間感應造成的共模電流。機箱內總是充滿了電磁波的，這些電磁波會在電纜上感應出共模電壓，另外，電纜端口的附近也會有某些產生高頻電磁場的電路，這些電路與電纜之間存在著電容性耦合和電感性耦合，在電纜上形成共模電壓。電磁感應產生的共模電壓。需要注意的是，機箱內的電磁波大多由電路的差模輻射所至，在線路板設計一章，我們討論了脈沖信號差模輻射的頻譜，可知其頻率范疇是很寬的。這造成了共模電壓的頻率往往遠高于我們所預期的值。（二）電纜長度：在滿足使用規定的前提下，盡量使用短的電纜。但電纜長度往往受到設備之間連接距離的限制，不能隨意縮短。并且，當電纜的長度不能減小到波長的二分之一下列時，減小電纜長度也沒明顯效果；增加共模電流環路的阻抗：目的是減小共模電流，由于在共模電壓一定的狀況下，增加共模電流途徑的阻抗能夠減小共模電流；減小共模電壓：目的是減小共模電流，當共模回路阻抗一定時，減小共模電壓就能夠減小共模電流；低通濾波器濾波：目的是減少高頻共模電流成分，這些高頻共模電流的輻射效率很高；電纜屏蔽：目的是為共模電流提供一條環路面積較小的途徑。下面介紹在實際工程中應用上述概念的辦法。1增加共模電流回路的阻抗設備組裝完畢后，設備電纜上產生的共模電壓也就一定了。這時，減小電纜上的共模電流的辦法就是增加共模電流回路的阻抗。但是如何增加共模回路的阻抗是許多工程師困惑的問題。他們往往試圖通過斷開線路板與機箱之間的連接，或者機箱與安全地之間的連接，來增加共模回路的阻抗，成果往往令人失望。由于這些辦法僅對低頻有效，而低頻共模電流并不是輻射的重要因素。實用而有效的辦法是在電纜上串聯共模扼流圈，共模扼流圈能夠對共模電流形成較大的阻抗，而對差模信號沒有影響，因此使用上很簡樸，并且共模扼流圈不需要接地，能夠直接加到電纜上。將整束電纜穿過一種鐵氧體磁環就構成了一種共模扼流圈，根據需要，也能夠將電纜在磁環上繞幾匝。為了工程方便，諸多廠家提供分體式的磁環，這種磁環能夠很容易地卡在電纜上。電纜上套了鐵氧體磁環后，輻射強度的改善量取決于原來共模電流回路的阻抗，從共模輻射的公式容易推導出下面的結論（推導中，應用共模電壓不變的條件）：共模輻射改善＝20lg（E1/E2）=20lg（ICM1/ICM2）

＝20lg（ZCM2/ZCM1）

＝20lg（1+Z/ZCM1）

式中：

E1＝加鐵氧體前的輻射強度，

E2＝加鐵氧體后的輻射強度，

ICM1＝加鐵氧體前的共模電流，

ICM2＝加鐵氧體后的共模電流，

ZCM2＝加鐵氧體后的共模環路阻抗，

ZCM1＝加鐵氧體前的共模環路阻抗，

Z＝共模扼流圈的阻抗。例如，如果沒加共模扼流圈時的共模電流環路阻抗為100W，共模扼流圈的阻抗為1000W，則共模輻射改善為20dB，而如果原來的共模電流環路阻抗為1000W，則改善量僅為6dB。為了獲得預期的干擾克制效果，在使用鐵氧體磁環時，需要注意下列問題：a.鐵氧體材料的選擇：根據要克制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導率的鐵氧體材料。鎳鋅鐵氧體材料的高頻特性由于錳鋅鐵氧體材料，并且鐵氧體材料的磁導率越高，低頻的阻抗越大，而高頻的阻抗越小。這是由于導磁率高的鐵氧體材料電導率較高，當導體穿過時，形成電纜與磁環之間的寄生電容較大。b.鐵氧體磁環的尺寸：磁環的內外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內徑一定要包緊導線。因此，要獲得大的衰減，在磁環內徑包緊電纜的前提下，盡量使用體積較大的磁環。c.共模扼流圈的匝數：增加穿過磁環的匝數能夠增加低頻的阻抗，但是由于匝間寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數來增加衰減量是一種常見的錯誤。當需要克制的干擾頻帶較寬時，可在兩個磁環上繞不同的匝數。例：某設備有兩個超標輻射頻率點，一種是為40MHz，另一種為900MHz。經檢查，擬定是電纜的共模輻射所致。在電纜上套一種磁環（1/2匝），900MHz的干擾明顯減小，不再超標，但是40MHz頻率仍然超標。將電纜在磁環上繞3匝，40MHz干擾減小，不再超標，但900MHz超標。為理解決這個問題，使用了兩個鐵氧體磁環，一種1/2匝，另一種3匝。d.電纜上鐵氧體磁環的個數：增加電纜上的鐵氧體磁環的個數，能夠增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是由于電纜與磁環之間的寄生電容增加的緣故。e.鐵氧體磁環的安裝位置：普通盡量靠近干擾源或敏感源。對于屏蔽機箱上的電纜，磁環要盡量靠近機箱的電纜進出口。由于鐵氧體磁環的效果取決于原來共模環路的阻抗，原來回路的阻抗越低，則磁環的效果越明顯。因此當原來的電纜兩端安裝了共模濾波電容時，由于其共模阻抗很低，磁環的效果更明顯。（三）電磁場對電纜的影響電纜處在電磁場中時，電纜上會感應出噪聲電壓。與電纜輻射的狀況相對應，電磁場在電纜上感應出的電壓也分為共模和差模兩種。共模電壓是電磁場在電纜與大地之間的回路產生的，差模電壓是電磁場在信號線與信號地線形成的回路中產生的。當電路是非平衡電路時，共模電流會轉換成差模電壓，對電路形成干擾。由于信號線與信號地線形成的回路面積很小，因此噪聲電壓仍以共模為主。1.電磁場在電纜上感應出的電壓電纜很靠近地面時：電場分量垂直于地面，磁場分量垂直于導線-地面回路時，感應最強。電纜很遠離地面時：電場分量平行于地面，磁場分量垂直于導線-地面回路時，感應最強。電磁場在導線中感應出的電壓是共模形式的，負載上的電壓是以系統中的公共導體或大地為參考點的，普通以系統中參考地線面為參考點。對于多芯電纜，這意味著電纜中的全部導體都暴露在同一種場中，它們上面所感應的電壓取決于每根導體與參考點之間的阻抗。2.電纜對低頻磁場的克制低頻磁場干擾在實際中是很常見的，例如電源線的附近、馬達或變壓器的附近等。當電纜穿過這種磁場時，電纜所連接的電路中就會產生干擾。這種干擾是由于導體回路面積所包圍的磁通量發生變化所致。根據電磁感應定律，導體上感應的電壓幅度與它所包圍的磁通變化率成正比。如果回路面積所含的磁通量為j，則：VN＝（dj/dt）如果假設回路面積A中所包圍的磁場是均勻的，也即，回路中各點的磁通密度B是相等的，則j=AB，則：VN＝A（dB/dt）如果磁場按正弦規律變化，且表達成：B＝B0e-jwt則：VN＝jwAB從公式中，能夠看出，感應電壓與磁場的頻率、磁通密度、回路面積等成正比。由于外界干擾場的頻率是不受控的，因此為了減小感應電壓，應盡量減小回路中所包圍的磁通密度和回路的面積。減小磁通密度只能通過增加電纜與磁場輻射源之間的距離來實現。減小回路面積能夠通過使用適宜的電纜和接地方式來實現。克服磁場的干擾有效辦法是減小回路的面積，也就是使信號線與其回線盡量靠近。雙絞線和同軸線在減小磁場干擾方面有較好的效果。雙絞線：雙絞線能夠有效地克制磁場干擾，這不僅是由于雙絞線的兩根線之間含有很小的回路面積，并且由于雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應出的電流含有相反的方向，因此互相抵銷。雙絞線的絞節越密，則效果越明顯。但是，如果電路的兩端接地，則不再含有上述特性。由于這時每根導線與地平面之間構成了一種面積很大的回路，在這個回路中會產生感應電流。由于兩根導線是不平衡的，因此會產生差模電壓。同軸電纜：當同軸電纜適宜連接時，對磁場干擾的克制效果是十分抱負的。由于同軸電纜上信號電流與回流能夠等效為在幾何上重疊，其面積為0。為了保持同軸電纜的這個特性，在電纜的兩端，非同軸部分，要保持面積盡量小。即屏蔽層的聯線盡量短。實際的同軸電纜，由于芯線與外層不一定是完全同心，因此會有一定的等效面積，影響其克制效果。與雙絞線的狀況相似，同軸線的兩端也不能接地，否則在芯線與大地的回路中和外層與大地的回路中都會產生電流，由于電路非平衡性，會產生差模噪聲。由于天線的對稱原理，上述構造的電纜如果接受效率低，則它們的輻射效率也低，因此，雙絞線電纜和同軸電纜的輻射也較小。運用這個特點，能夠減小電纜的磁場輻射。屏蔽電纜的效果與屏蔽層和電路的接地親密有關。特別是當外界干擾為磁場時，不同的連接辦法效果大不相似。這組數據是在磁場中針對不同的接地構造實驗獲得的：構造A：在信號線上套一種非磁性材料的屏蔽套，并且單點接地。對于磁場而言，當非磁性材料的屏蔽層單點接地時，信號回路中的磁場沒有變化，因此磁場感應是相似的，即這種構造沒有屏蔽效果。這種狀況屏蔽效果定義為0dB，作為參考點。構造B：將A中的屏蔽層兩端接地。這時就能夠提供一定的屏蔽效能了。由于由屏蔽層與地平面構成的環路中也感應了電流，這個電流產生了一種與原磁場相反的磁場，使信號回路中的磁場削弱，感應噪聲減小。構造C：雙絞線本應提供較好的屏蔽效果（由于相鄰絞節中感應的電流方向相反，互相抵消），但由于電路兩端接地，實際的感應回路并不小，因此效果較差。構造D：在雙絞線上加了一種單端接地的屏蔽層，由于單端接地的屏蔽層對磁場沒有屏蔽效果，因此并沒有改善雙絞線的屏蔽效能。構造E：將屏蔽層兩端接地后，同B同樣，屏蔽層中的電流產生的反磁場削弱了原磁場，屏蔽效能有所提高。闡明：構造C是一種常見的錯誤，在實踐中要避免。構造F：電路只在單點接地，運用電纜的屏蔽層作為回流途徑，大大減小了感應回路的面積，因此屏蔽效能大幅度提高。抱負的同軸電纜回路面積為0，不會感應上任何噪聲電壓。實際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差。構造G：雙絞線由于含有很小的感應回路，并且相鄰絞節中的感應電流對消，因此體現出較高的磁場屏蔽效果。實際的克制效果比55更高，由于這里有些電場感應了進來。這從構造H能夠看出。在構造H中，單端接地的屏蔽層克制了電場感應，是屏蔽效果提高到70。構造H：在G的基礎上增加一種單端接地的屏蔽層，消除了（實驗裝置產生的附加）電場的影響。這里的屏蔽效果沒有F高，是由于雙絞線的回路面積沒有同軸電纜的小。增加絞節密度能夠進一步提高克制效果。構造I：將H中的屏蔽層兩端接地后，造成屏蔽效能下降。這是由于屏蔽層兩端接地后，在屏蔽層上產生了感應電流，這個電流在雙絞線上感應出電流，由于電路不是平衡的，造成產生差模電壓。構造J：將H中的屏蔽層非接地的一端接到電路公共端，進一步提高了屏蔽效能，但沒有達成F的水平，由于F中的電纜是同軸電纜，含有很小的感應回路。問題：構造H的屏蔽效能比構造G提高了某些，這是由于單端接地的屏蔽層消除了實驗裝置產生的附加額外的電場，為什么構造D的屏蔽效能沒有比構造C的屏蔽效能提高？平衡電路：平衡電路中的兩個導體及與其連接的全部電路對地或其它導體有相似的阻抗。平衡電路對電磁場的響應：平衡電路中的兩個導體幾何尺寸相似，并且靠得很近，因此能夠認為是處在同一種場強。由于它們相對于任何參考物體的阻抗都相等，因此它們上面感應的電流是相似的，在導體兩端相對于參考點的電壓也是相似的。因此兩根導體之間的電壓為0V。若這兩個導體連接在電路的輸入端，為電路提供輸入信號電壓，由于它們之間沒有噪聲電壓，因另外界電磁場對電路的輸入沒有影響。抱負的平衡電路能夠抵抗任何強度的電磁場干擾。平衡電路性能的評定：平衡電路的平衡程度用共模克制比來描述。共模克制比定義為共模電壓與它所產生的差模電壓之比，慣用分貝來表達。CMRR＝20lg（VC/VD）dB例如，如果電路的共模克制比為60dB，則1000V的共模電壓在電路的輸入端只能產生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等產生的共模干擾的性能較好。設計良好的電路，其共模克制比能夠達成60-80dB。但在高頻時，由于寄生參數的影響，電路的平衡性很難作得較好。因此，平衡電路對高頻的共模干擾也沒有較好的克制效果。注意1：在使用平衡電路時，不僅要選用平衡電路，并且，在布線時也要確保兩根線的對稱性，這樣才干確保高頻的平衡性。注意2：雙絞線是一種平衡構造雙絞線是一種平衡構造，因此在平衡系統中經常使用雙絞線。同軸電纜則不是平衡構造，在平衡系統中使用時要注意連接辦法。同軸電纜只能做一根導體使用，