周大瑜等

摘 要： 屏蔽腔體中的傳輸線串?dāng)_是典型的電磁干擾問題，消除或減少串?dāng)_是非常必要的。在此建立了腔體內(nèi)多導(dǎo)體傳輸線的串?dāng)_模型，采用電磁仿真軟件研究抑制傳輸線間串?dāng)_的方法，分析受擾線終端接有濾波器前后的串?dāng)_電壓時(shí)頻響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明，傳輸線終端接上相應(yīng)頻帶的濾波器，可以濾除傳輸線上除工作信號(hào)以外的干擾信號(hào)，為電子系統(tǒng)線纜電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵字： 屏蔽腔體； 串?dāng)_抑制； 濾波； 電磁干擾

中圖分類號(hào)： TN973.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）06?0148?03

Simulation study on crosstalk suppression method of MTL in shielded cavity

ZHOU Da?yu1， LIAO Cheng1， YE Zhi?hong1， ZHOU Hai?jing2

（1. Institute of Electromagnetics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. Institute of Applied Physics and Computation Mathematics， Beijing 100094， China）

Abstract： Crosstalk among transmission lines in shielded cavity is a typical electromagnetic interference problem. It is necessary to eliminate or reduce crosstalk. The crosstalk model of multi?transmission line （MTL） in a cavity is established in this paper. The suppression method of MTL crosstalk is studied by means of the electromagnetic simulation software. The time and frequency domain response characteristics of victim wires with and without a filter at its terminal are analyzed. The results show that the interference signals can be filtered out by the corresponding frequency band filter connected at its terminal. It provides an effective technique for cable electromagnetic shielding of electronic system .

Keywords： shielded cavity； crosstalk suppression； filtering； electromagnetic interference

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容的研究越來越多，不同系統(tǒng)間的連接、不同系統(tǒng)間能量與信息的傳輸和交換基本都是通過各種各樣的線纜（電源線、信號(hào)控制線等）來實(shí)現(xiàn)的，線纜上傳輸?shù)男盘?hào)在空間的輻射能量通過容性耦合和感性耦合進(jìn)入鄰近的線纜，從而對(duì)線纜終端產(chǎn)生干擾[1?2]；線纜也會(huì)接收外部干擾電磁場(chǎng)[3?5]（如：天線輻射場(chǎng)、其他設(shè)備的泄漏電磁場(chǎng)等）而在其端口產(chǎn)生的騷擾電壓強(qiáng)度和電流強(qiáng)度過大，會(huì)對(duì)其承載的有用信號(hào)產(chǎn)生干擾，從而造成系統(tǒng)的功能失靈，線纜間的電磁干擾是設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁兼容要求的重要原因[6]，因此消除或減少線纜引起的電磁干擾是非常必要的。許多學(xué)者對(duì)抑制傳輸線間串?dāng)_的問題展開了研究，如在傳輸線終端接匹配負(fù)載[5]，適當(dāng)增大線間距、耦合微帶線間加入接地線[7?9]等。本文采用商用仿真軟件建立了自由空間雙導(dǎo)線和腔體中多導(dǎo)體傳輸線的串?dāng)_模型，研究了傳輸線間串?dāng)_的抑制措施即在受擾線終端接濾波器，得到了串?dāng)_線上近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的時(shí)頻響應(yīng)特性，結(jié)果表明在受擾線纜終端加濾波器，能有效地濾除傳輸線上各種工作所不需要的干擾信號(hào)。

1 基本原理介紹

利用商業(yè)電磁仿真軟件，建立多導(dǎo)體傳輸線的串?dāng)_模型，并對(duì)傳輸線串?dāng)_抑制進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究思路如圖1所示。主要分為三個(gè)部分：首先，根據(jù)粗略的理論分析，對(duì)電子系統(tǒng)屏蔽腔體結(jié)構(gòu)和線纜布局進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，通過仿真軟件建立系統(tǒng)屏蔽腔體模型和線纜模型，仿真得到傳輸線終端未接濾波器時(shí)的終端負(fù)載上的串?dāng)_響應(yīng)時(shí)頻特性。根據(jù)串?dāng)_響應(yīng)信號(hào)特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)頻帶的濾波器，能夠保證有用信號(hào)正常工作的情況下，濾除串?dāng)_信號(hào)。通過仿真軟件，仿真設(shè)計(jì)濾波器，使其性能參數(shù)達(dá)到指標(biāo)。然后，將設(shè)計(jì)好的濾波器接到傳輸線終端，再通過仿真軟件計(jì)算，得到傳輸線終端負(fù)載上的串?dāng)_電壓響應(yīng)，分析濾波器抑制串?dāng)_的效果。

2 仿真分析

2.1 雙線串?dāng)_與抑制分析

在地面上方平行放置兩根理想導(dǎo)體傳輸線，見圖2。傳輸線長(zhǎng)度為1 m，半徑為0.5 mm，兩導(dǎo)線之間的距離為2 cm，Vs1是頻率為80 MHz幅值為1 V的正弦波電壓源，信號(hào)線終端電阻R3=50 Ω，受擾線近端電阻R1=50 Ω、遠(yuǎn)端電阻R2=50 Ω，導(dǎo)線的特性阻抗為50 Ω，在受擾線的遠(yuǎn)端和近端加上濾波器，濾波器結(jié)構(gòu)見圖3。8階巴特沃茲濾波器，端口特性阻抗為50 Ω，元器件參數(shù)為：L1=449.89 nH，L2=680.434 nH，L3=613.729 nH，L4=149.96 nH，C1=50.200 7 pF，C2=238.013 pF，C3=270.1 pF，C4=198.84 pF，濾波器的S參數(shù)見圖4，與50 Ω的電阻匹配良好。

由圖5可見在沒加濾波器時(shí)受擾線上的串?dāng)_電壓達(dá)到了5 mV左右。如果激勵(lì)增加，產(chǎn)生的串?dāng)_電壓也會(huì)相應(yīng)的增加，如果傳輸線的終端接了其他電路元件，串?dāng)_電壓增加到元器件的閾值時(shí)就會(huì)對(duì)元器件產(chǎn)生破壞，因此消除這種有害的串?dāng)_電壓很有必要，加入濾波器后，受擾線上的串?dāng)_電壓幾乎為0，干擾已解消除。

2.2 腔體內(nèi)多線串?dāng)_的抑制分析

機(jī)箱尺寸為20 cm×40 cm×40 cm、材料為PEC，左右兩側(cè)面板上開了一定數(shù)量的矩形孔，在腔體中心布4根線，線長(zhǎng)為30 cm，間距為2 cm，距離地板高度為2 cm，模型如圖6所示。在一根傳輸線上加激勵(lì)源[Vs=sin（2·π·freq1·t）+sin（2·π·freq2·t）]，freq1=10 MHz（濾波器通帶范圍內(nèi)工作信號(hào)），freq2=80 MHz（濾波器通帶范圍外干擾信號(hào)），R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=50 Ω，觀察其余三根線終端有無濾波器時(shí)的串?dāng)_電壓，這里以R5上的波形為例。

激勵(lì)源是兩種不同頻率正弦波的疊加，如圖7所示，沒加濾波器傳輸線終端串?dāng)_的時(shí)域、頻域波形也是兩種頻率正弦波的疊加，由頻域波形可以看出80 MHz的串?dāng)_比10 MHz的串?dāng)_大，這說明頻率越高，串?dāng)_越大。濾波器的通帶是0～20 MHz，加上濾波器之后對(duì)80 MHz的串?dāng)_進(jìn)行濾除，留下10 MHz的波形，由圖7可見，在傳輸線的兩端加濾波器能很好的抑制串?dāng)_，根據(jù)具體情況可以設(shè)計(jì)不同頻帶的濾波器來對(duì)不同頻帶的電磁干擾進(jìn)行抑制。

3 結(jié) 論

傳輸線間的串?dāng)_引起的騷擾電壓、騷擾電流是電磁干擾的重要元素，本文采用數(shù)值仿真的方法對(duì)自由空間雙線以及屏蔽腔體內(nèi)的多導(dǎo)體傳輸線間的串?dāng)_問題進(jìn)行了分析，頻率越高串?dāng)_越大；對(duì)串?dāng)_引起的干擾介紹了抑制措施即在傳輸線終端加濾波器，研究了傳輸線終端有無濾波器時(shí)串?dāng)_電壓的時(shí)頻響應(yīng)特性，仿真結(jié)果表明在導(dǎo)線終端加相應(yīng)頻段的濾波器能很好地抑制各種工作所不需要的干擾信號(hào)，因此，可以根據(jù)實(shí)際的干擾頻帶設(shè)計(jì)出相應(yīng)濾波器來濾除線纜上的串?dāng)_。這為電子系統(tǒng)線纜電磁干擾設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，具有實(shí)際的工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] TOPCHISHVILI D， JOBAVA R， BOGDANOV F. A hybrid MTL/MoM approach for investigation of radiation problems in EMC [C]// Proceedings of the 9th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory. [S.l.]： [s.n.]， 2004： 65?68.

[2] 左非，雷義民.彈上線束電磁兼容仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：73?76.

[3] KAMI Y， SATO R. Crosstalk of finite?length transmission lines in arbitrary directions on the same ground plane [C]// IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. [S.l.]： IEEE， 1992： 247?250.

[4] KAMI Y， LIU Wei?kun. Analysis of coupling between transmission lines in arbitrary directions [C]// IEEE International Symposium on EMC. [S.l.]： IEEE， 1998： 952?957.

[5] 羅映紅，張博.傳輸線端接阻抗對(duì)線間串?dāng)_的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，30（4）：120?122.

[6] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] PONCHAK G E， CHUN D H， YOOK J G. The use of metal filled via holes for improving isolation in LTCC RF and wireless multichip packages [J]. IEEE Transactions on Advanced Package， 2000， 23（1）： 88?99.

[8] PONCHAK G E， CHUN D H， YOOK J G， et al， Experimental verification of the use of metal filled via hole fences for crosstalk control of microstrip lines in LTCC packages [J]. IEEE Transactions on Advanced Package， 2001， 24（1）： 76?80.

[9] 黎淑蘭，劉元安，唐碧華.降低有損耦合微帶線間串?dāng)_的方法分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：503?507.