姚平剛 劉學全

【摘要】通過對屏蔽電纜端接的詳細分析和論述，介紹了影響表面轉移阻抗的技術因素，并詳細介紹了有關機車內電氣設備屏蔽電纜的端接設計方法與技術，為工程師提供了電纜屏蔽的設計參考。

【關鍵詞】機車;電纜;端接;屏蔽;搭接;轉移阻抗

1.引言

機車上使用的電氣設備因為信號互聯(lián)的需要，使用了大量不同類型電纜，例如同軸電纜、雙絞屏蔽電纜等。因為被傳輸信號的不同，它們呈現(xiàn)出大不相同的電磁特性。尤其是考慮到電磁兼容性，不同的屏蔽電纜被用于產品設計。屏蔽電纜的效用最大化，除了根據應用選擇合適的屏蔽類型，也依賴于屏蔽電纜的正確端接。但在實踐中，因為信號互聯(lián)及設備應用環(huán)境的復雜性，屏蔽電纜的端接是一個始終困擾工程師的難題。屏蔽電纜何時單端/雙端接地以及如何端接，在不同的行業(yè)、不同的設備上一直有很大爭議。

在鐵路標準《TB/T 3153-2007鐵路應用機車車輛布線規(guī)則》和《TB/T 1759-2003鐵道客車配線布線規(guī)則》中，亦述及屏蔽電纜的端接，但因其是標準，不能給出具體可操作的設計方法，也未能深入進行技術分析，工程師難以理解電纜屏蔽端接的技術含義。所以，有必要對屏蔽電纜的端接技術進行深入剖析，為工程師進行屏蔽電纜端接設計提供技術參考和支持。

2.屏蔽電纜的端接

在什么地方以及如何端接屏蔽電纜是實現(xiàn)屏蔽電纜性能的關鍵因素。屏蔽電纜的資料一般僅給出電纜屏蔽材料本身的特性，并不考慮電纜屏蔽層的端接對整體轉移阻抗的影響。在一個屏蔽系統(tǒng)中，沿電纜屏蔽層傳導的RF電流很容易從沒有正確端接的電纜上的任何一個點耦合到系統(tǒng)，尤其是暴露在高強射頻電磁磁場中的系統(tǒng)。

不合理的端接不僅可能影響電路的屏蔽，而且可能因為電纜屏蔽與電路信號導體的相互作用而產生二次效應。通常，這種相互影響被歸罪于屏蔽層，而不是不合理的電路接地拓撲。所以，工程師會因此斷開屏蔽層，而不是去檢查流進敏感電路的電流路徑。所以，若要維持電纜的屏蔽效能，必須提供低阻抗的電纜屏蔽層端接。

2.1 什么是端接

“端接”是工程師比較熟悉的術語。電路端接是為了消除/減小信號反射以提高信號傳輸質量，而屏蔽電纜的端接則是為了滿足：（1）實現(xiàn)屏蔽，滿足電磁兼容要求;（2）實現(xiàn)信號功能，滿足設備性能要求。

屏蔽電纜的端接是指采用一定的方法或技術將電纜的屏蔽層與設備的參考基準（或地）連接在一起，滿足屏蔽及信號傳輸?shù)男枰?。屏蔽電纜的端接通常采用兩種方法：（1）“豬尾巴”法;（2）360°環(huán)接法。

2.2 屏蔽層端接的作用

屏蔽電纜的屏蔽層由銅、鋁等非磁性材料制成，其厚度一般遠小于使用頻率上金屬材料的集膚深度，它的屏蔽效能主要不是因為屏蔽層材料的反射、吸收產生，而是因屏蔽層的端接產生（即接地）的。不同的端接形式將直接影響屏蔽效果，對于電場和磁場，屏蔽層的端接方式亦不同。

如果屏蔽電纜的屏蔽層不端接（不接地）或不正確端接，都可能會產生干擾問題，甚至影響功能的實現(xiàn)。圖1是電纜屏蔽層不接地所帶來的影響，圖中為等效電路。

圖1 屏蔽層不端接——電場干擾

干擾電壓Uq經過分布電容Ck耦合到屏蔽電纜屏蔽層上的A點，并經由分布電容Ca耦合到屏蔽電纜的芯線，從而干擾有用信號。如果將A點接地，則UA為零，不再有干擾信號耦合至芯線。

其他端接方式對不同干擾信號的影響本文不再贅述，有興趣的讀者可參考相關資料。

2.3 屏蔽層表面轉移阻抗

屏蔽層表面轉移阻抗用來衡量電纜的屏蔽效能，這一參數(shù)是電纜屏蔽層本身的特性——表示中心導體和屏蔽層之間的開路電壓（單位長度）與屏蔽層電流之間的關系。屏蔽層表面轉移阻抗可寫成（1-1）的簡化形式：

（1-1）

式中的是轉移阻抗，用Ω/m表示;IS是屏蔽層上的電流;V是內導體與屏蔽層之間感應的電壓;l是電纜長度，用m表示。

屏蔽電纜的表面轉移阻抗還可采用更為精確的方式描述并加以分析。當外界的電磁場與不完美的屏蔽電纜相互作用時，在電纜屏蔽層上可產生電流IS（x）和電壓VS（x），如圖2（a）所示，由此在電纜內的任一芯線上產生感應電流Ii（x）和電壓Vi（x）。外向內到屏蔽電纜的場耦合有兩種方式：屏蔽材料的散射、屏蔽層空隙的穿透。這兩類方式的耦合可能發(fā)生在整個電纜上（分布式耦合）或電纜上隔開的一些點，例如連接器的存在或屏蔽層本身的局部質量缺陷所處的位置。

圖2 與屏蔽電纜分析相關的電壓與電流

對于分布式源電流，芯線上感應的電壓與電流可采用傳輸線方程計算。如果屏蔽層上有某種開孔，例如編織類型的屏蔽層，傳輸線方程將包括分布式并聯(lián)電流源和串聯(lián)電壓源。分布式源電壓是屏蔽層特性與屏蔽層電流的函數(shù)，分布式源電流取決于屏蔽層的特性與結構，包括作為屏蔽層電流回路的信號參考平面。

如圖2（b）所示，長度無限短的傳輸線包括一個分布式電壓源Ex（x）=ZT×IO（x）（式中的Io（x）是屏蔽層電流）和一個分布式電流源J（x）=-YT×VO（x）（式中的VO（x）是屏蔽層上的外部電壓）。屏蔽層特性與外部結構被考慮進轉移阻抗ZT和YT轉移導納，那么內部感應電壓Vi與感應電流Ii的差分方程如（1-2）所示。

（1-2）

式中的Z是芯線和屏蔽層所形成的傳輸線的單位長度的串聯(lián)阻抗，Y是其單位長度的并聯(lián)導納。Ex（x）是單位長度的電壓源，J（x）是單位長度的電流源。對于電短的電纜，源端與負載端的端接阻抗分別為ZG和ZL，那么在端接阻抗上感應的電流和電壓可用下式表示。

（1-3）

從（1-3）可以看出，如果IS×ZT>>VS×YT ×Z1，2，那么轉移導納可忽略不計。這一條件在屏蔽層電壓VS可忽略不計時成立（即屏蔽層端接的低阻抗外部電路），或者YT足夠小，也或源和負載阻抗足夠?。吹妥杩箖炔侩娐罚?。低頻時，表面轉移阻抗等于屏蔽層的直流電阻;高頻（大于MHz）時，由于趨膚效應，表面轉移阻抗下降，電纜屏蔽效能增大。趨膚效應使噪聲電流只在屏蔽層外表面上流動，而信號電流在內表面上，消除了兩個電流間的公共阻抗耦合。

還有一種比較典型的不采用連接器的電纜端接法如圖11所示，它采用導電襯墊、簧片或其他類似的輔助夾具實現(xiàn)與外殼的360°搭接，這種設計實際上相當于上面方法的一種擴展。

圖11 導電襯墊法電纜屏蔽層端接

這種設計方法盡管接近于360°的導電連接，但其屏蔽效果受到較大限制，例如電纜粗細不一、電纜位置移動等，都可能影響最終的屏蔽性能。

4.3 “豬尾巴”端接法

盡管“豬尾巴”端接是不推薦使用的設計方法，但在實踐中，因為一些客觀原因，它仍然有被采用的可能，在這種情況下，應當采取一些措施盡量降低“豬尾巴”連接的射頻阻抗，以降低對電纜屏蔽效能的影響，例如縮短連接線長度。典型的“豬尾巴”式端接如圖12所示。

圖12 “豬尾巴”式端接典型應用

4.4 電纜屏蔽層端接的實施

從技術角度看，屏蔽層的端接是結構設計的一部分，所以在實施時，應符合結構設計技術要求?；旧希瑧饕紤]：1）根據產品情況設計合理的方案;2）設法降低搭接阻抗使轉移阻抗最小化;3）考慮環(huán)境防腐要求;4）加工、安裝等工藝環(huán)節(jié)應確保實現(xiàn)設計要求。

在最終的電氣設備上，電纜的屏蔽性能與屏蔽層端接的正確實施有很大關系，而它的正確實施則取決于以下條件：

（1）前提——正確、全面的電纜屏蔽層端接設計方案;

（2）程序文件——應有必要的程序文件進行管理;

（3）技術規(guī)范——在加工、生產、安裝、驗收的每一個環(huán)節(jié)，應有相應的技術規(guī)章對與端接有關的技術要求進行規(guī)范;

（4）人員——相關人員應有必要的技術培訓。

4.5 機車內設備屏蔽電纜端接現(xiàn)狀

在機車內的電氣設備中，上文述及的設計方法都有被工程師采用，多數(shù)設計也都體現(xiàn)了電磁兼容的設計思想，但因為信號接口的特殊需要，屏蔽電纜的端接普遍存在以下幾個問題：

（1）屏蔽層端接的搭接技術要求得不到貫徹，例如搭接面的清潔、連接器外殼與屏蔽層的有效接觸，都得不到保證;

（2）存在較多的使用“豬尾巴”式端接的信號電纜;

（3）端接線的長度沒有明確、統(tǒng)一的技術規(guī)定，較為混亂;

（4）在管理上，沒有管控文件對搭接提出技術要求，不能有效控制端接設計的實際效果。

在未來產品的屏蔽電纜端接設計上，應貫徹和實施相關的電磁兼容規(guī)范要求，按照相關技術規(guī)范進行設計，實現(xiàn)有效、合理的屏蔽電纜端接，從而提高設備的運行穩(wěn)定性和可靠性。

5.結語

電纜作為機車內電氣產品信號互聯(lián)的重要載體，并且因為其可能的長度和空間敷設，它的電磁兼容性能對系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行顯得尤為重要。屏蔽電纜作為實現(xiàn)電磁兼容的重要工具，它的合理、正確的端接是決定屏蔽電纜實際屏蔽效能的關鍵因素。本文詳細論述了端接阻抗對電纜屏蔽效能的影響，為機車內的電氣產品的電纜屏蔽層端接設計提供了一些設計方法和技術要求，為工程師設計電磁兼容性高的設備提供了有價值的參考資料。但由于電磁兼容工程的復雜性，一些具體的設計方法有待進一步的研究和分析，例如多層屏蔽電纜的端接設計。

參考文獻

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[6]邱成悌，趙惇殳，蔣全興等.電子設備結構設計原理[M].東南大學出版社，ISBN：9787810507646，2005.

作者簡介：

姚平剛（1981—），男，湖南華容人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于南車株洲電力機車研究所有限公司，主要從事研發(fā)管理及硬件可靠性相關工作。

劉學全（1981—），男，江西興國人，大學本科，工程師，現(xiàn)供職于南車株洲電力機車研究所有限公司，主要從事硬件可靠性相關工作。