肖　飚（成都普天電纜股份有限公司，四川成都611731）

線(xiàn)對(duì)屏蔽對(duì)傳輸性能的影響

肖飚
（成都普天電纜股份有限公司，四川成都611731）

首先從理論角度定性地分析了高頻對(duì)稱(chēng)電纜線(xiàn)對(duì)屏蔽對(duì)傳輸性能的影響，然后以典型的實(shí)例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得出了與理論分析一致的結(jié)論。

線(xiàn)對(duì)屏蔽；傳輸性能；數(shù)值計(jì)算；固有衰減；特性阻抗

0　引 言

隨著數(shù)字通信的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信傳輸介質(zhì)的傳輸帶寬要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，盡管光纖入戶(hù)已步入商業(yè)化應(yīng)用階段，但由于光電轉(zhuǎn)換成本目前仍然偏高，導(dǎo)致高頻對(duì)稱(chēng)通信電纜仍在大量使用。眾所周知，隨著頻率的升高，電纜對(duì)外界的干擾就越敏感，同時(shí)電纜本身對(duì)周邊其它系統(tǒng)的干擾也越強(qiáng)。為了減少相互間的干擾，通信帶寬在300 MHz以上的電纜，人們通常會(huì)采用屏蔽線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)。在線(xiàn)對(duì)屏蔽型電纜的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)線(xiàn)對(duì)加上屏蔽后其傳輸性能與非屏蔽線(xiàn)對(duì)相比，也發(fā)生了很大的變化。文獻(xiàn)［1］中雖然給出了高頻對(duì)稱(chēng)電纜的有效電阻、電感、電容、絕緣電導(dǎo)和屏蔽衰減的計(jì)算方法，但總體來(lái)講其誤差較大。文獻(xiàn)［2］中給出了屏蔽線(xiàn)對(duì)有效電阻計(jì)算的修正算法，使得電纜衰減的計(jì)算誤差有所減小。在實(shí)際的生產(chǎn)中，還發(fā)現(xiàn)線(xiàn)對(duì)屏蔽層材料和厚度不僅影響其線(xiàn)對(duì)的串音衰減，同時(shí)在較低頻段時(shí)，還會(huì)明顯地影響線(xiàn)對(duì)的固有衰減，文獻(xiàn)［2］中的修正公式無(wú)法解釋屏蔽厚度和材質(zhì)均會(huì)影響線(xiàn)對(duì)低頻衰減的事實(shí)。為了弄清這些問(wèn)題，我們有必要對(duì)線(xiàn)對(duì)屏蔽進(jìn)行較深入的探討。

1　屏蔽線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)

目前，屏蔽型高頻對(duì)稱(chēng)電纜線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)多為對(duì)絞結(jié)構(gòu)，當(dāng)通信頻率達(dá)到GHz以上時(shí)，采用屏蔽型平行線(xiàn)對(duì)更容易保證線(xiàn)對(duì)的結(jié)構(gòu)回波損耗指標(biāo)合格。線(xiàn)對(duì)的屏蔽結(jié)構(gòu)通常有以下四種：

（1）線(xiàn)對(duì)外包覆一至兩層金屬塑料復(fù)合箔，為了保持電氣上的連通性，通常還會(huì)伴隨一根排流線(xiàn)；

（2）線(xiàn)對(duì)外包覆一層單面或雙面金屬塑料復(fù)合箔，然后編織一層非磁性材質(zhì)的金屬絲編織層；

（3）線(xiàn)對(duì)外編織一層金屬絲。采用此種結(jié)構(gòu)時(shí)，如果傳輸頻率高于10 MHz，通常其編織密度要求達(dá)到95%以上；

（4）對(duì)于一些工作于強(qiáng)電磁場(chǎng)下的電纜，在第（2）種結(jié)構(gòu)外包覆一層絕緣后再用鋼絲編織或鋼帶包覆屏蔽。

2　對(duì)絞線(xiàn)對(duì)屏蔽對(duì)傳輸性能的影響

2.1 屏蔽對(duì)線(xiàn)對(duì)串音的影響

2.1.1 電磁屏蔽的作用原理

電磁屏蔽的作用原理可以有兩種解釋?zhuān)?］。這兩種解釋互不相同，但實(shí)質(zhì)上是一樣的。

第一種解釋?zhuān)涸谝淮螆?chǎng)的作用下，屏蔽表面因受感應(yīng)而產(chǎn)生電荷，其壁內(nèi)產(chǎn)生電流和磁極化。這些電荷、電流和極化產(chǎn)生二次場(chǎng)。二次場(chǎng)與一次場(chǎng)疊加形成合成場(chǎng)。在空間防護(hù)區(qū)的合成場(chǎng)必弱于一次場(chǎng)。

第二種解釋?zhuān)浩帘畏瓷洳⒁龑?dǎo)場(chǎng)源所產(chǎn)生的電磁能流使它不進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)。

2.1.2 屏蔽系數(shù)與屏蔽衰減的定義

屏蔽系數(shù)的定義為：

式中：H0、E0和Hs、Es分別為不存在屏蔽時(shí)空間防護(hù)區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電磁強(qiáng)度，以及存在屏蔽時(shí)該區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度。它是一個(gè)復(fù)數(shù)，其角度表示電磁波經(jīng)過(guò)屏蔽后的相移。屏蔽系數(shù)的模在0～1之間，其值越小表示屏蔽效果越好。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，人們常常使用屏蔽衰減來(lái)描述屏蔽效果的好壞。

屏蔽衰減的定義為：

可以看出，對(duì)屏蔽線(xiàn)對(duì)電纜來(lái)講，我們希望線(xiàn)對(duì)間的電磁干擾盡可能小，除了通過(guò)合理的絞合節(jié)距配合，利用交叉效應(yīng)來(lái)削弱線(xiàn)對(duì)間的干擾外，更多的是希望通過(guò)良好的線(xiàn)對(duì)屏蔽來(lái)進(jìn)一步削弱線(xiàn)對(duì)間的干擾，也就是要求屏蔽系數(shù)盡可能小或屏蔽衰減盡可能大。

2.1.3 屏蔽效能的理論分析

為了定量分析屏蔽衰減與材料、結(jié)構(gòu)和頻率間的關(guān)系，1943年Sche1kunoff首次用傳輸線(xiàn)理論分析平面波在空間的傳播，進(jìn)而將其用于分析屏蔽體對(duì)平面波的屏蔽效果后，傳輸線(xiàn)理論已成為分析屏蔽體屏蔽效能的有效手段。該理論將屏蔽殼體比作傳輸線(xiàn)，并認(rèn)為輻射場(chǎng)通過(guò)屏蔽時(shí)，在其表面反射一部分，另一部分在屏蔽金屬內(nèi)傳輸，經(jīng)過(guò)吸收后衰減。在這個(gè)過(guò)程中，反射衰減相當(dāng)于電纜傳輸過(guò)程中由于波阻抗失配引起的反射衰減，屏蔽吸收衰減相當(dāng)于電纜傳輸過(guò)程中的固有衰減。需指出的是，電纜在傳輸過(guò)程中電磁能量傳輸方向與導(dǎo)線(xiàn)的傳輸方向一致，而電磁能在屏蔽體中能量傳輸方向與導(dǎo)線(xiàn)傳輸方向相垂直，通過(guò)介質(zhì)—屏蔽體—介質(zhì)的方向輻射出去。因此，電磁能除了在屏蔽體內(nèi)要產(chǎn)生衰減外，在介質(zhì)至屏蔽和屏蔽體至介質(zhì)這兩個(gè)邊界上均將出現(xiàn)很大的反射衰減。

對(duì)于屏蔽線(xiàn)對(duì)來(lái)講，不考慮屏蔽體中縱向電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)的影響及krs＞5時(shí)（rs為屏蔽層內(nèi)半徑），單層圓柱屏蔽的屏蔽衰減可描述為［2］：

通常我們將式（3）中第一項(xiàng)稱(chēng)為屏蔽吸收衰減As1，它是由電磁場(chǎng)輻射到屏蔽層上激發(fā)的渦流產(chǎn)生熱效應(yīng)所引起的，其值與屏蔽體的渦流系數(shù)和屏蔽厚度有關(guān)。通常強(qiáng)磁性屏蔽體的渦流系數(shù)遠(yuǎn)大于非磁性屏蔽體，故強(qiáng)磁性屏蔽體的吸收衰減比非磁性材料好，對(duì)強(qiáng)磁性材料屏蔽來(lái)講，增加屏蔽體厚度會(huì)引起屏蔽衰減的劇烈增加。吸收衰減與頻率或屏蔽厚度t的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1　屏蔽吸收衰減與頻率或屏蔽厚度t的關(guān)系

式（3）中第二項(xiàng)稱(chēng)為反射衰減As2，其包含了電磁場(chǎng)從介質(zhì)進(jìn)入屏蔽層時(shí)發(fā)生的反射衰減，其值與介質(zhì)和屏蔽金屬的波阻抗比值有關(guān)。另還包含電磁場(chǎng)進(jìn)入屏蔽體后發(fā)生的多次交互反射衰減，其值與介質(zhì)和屏蔽金屬的波阻抗比值、屏蔽厚度有關(guān)。反射衰減值隨著渦流系數(shù)和屏蔽厚度的改變作波動(dòng)變化，如圖2所示。當(dāng)頻率或厚度進(jìn)一步增加時(shí)，其值將趨向于：

圖2　屏蔽反射衰減與頻率或屏蔽厚度間的關(guān)系

從反射衰減項(xiàng)來(lái)看，由于在高頻范圍內(nèi)介質(zhì)的波阻抗遠(yuǎn)大于金屬的波阻抗，用非磁性材料（如銅、鋁等）屏蔽時(shí)的N值遠(yuǎn)大于強(qiáng)磁性材料（如鋼）屏蔽時(shí)的N值，故非磁性材料的反射衰減遠(yuǎn)大于強(qiáng)磁性材料（如鋼），且非磁性材料中電導(dǎo)率大者為好。既然增加電磁場(chǎng)反射可以提高屏蔽衰減，那么理所當(dāng)然采用多層金屬構(gòu)成組合屏蔽可增加電磁場(chǎng)的反射次數(shù)，相應(yīng)地必然會(huì)提高屏蔽衰減。

綜合來(lái)看，雖然強(qiáng)磁性材料的屏蔽衰減As經(jīng)常大于非磁性材料的屏蔽衰減，但卻很少將強(qiáng)磁性材料用于高頻對(duì)稱(chēng)電纜的線(xiàn)對(duì)內(nèi)層屏蔽。因?yàn)閺?qiáng)磁性材料屏蔽時(shí)會(huì)消耗較多的電磁能，最終會(huì)引起屏蔽線(xiàn)對(duì)固有衰減的增加，這正是高頻對(duì)稱(chēng)電纜通常不用強(qiáng)磁性材料作屏蔽的原因。

隨著屏蔽半徑rs的增大，介質(zhì)的波阻抗也會(huì)增加，通過(guò)提高N值來(lái)增大反射衰減，從而提高屏蔽衰減。

2.1.4 屏蔽衰減數(shù)值分析實(shí)例

下面以典型的七類(lèi)纜為例來(lái)分析其線(xiàn)對(duì)的主動(dòng)屏蔽衰減，即分析線(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)其屏蔽后的衰減情況。現(xiàn)假定線(xiàn)對(duì)導(dǎo)體為φ0.58 mm實(shí)心圓銅線(xiàn)、絕緣為泡沫聚乙烯絕緣（發(fā)泡度58%左右，發(fā)泡前絕緣料介質(zhì)損耗角正切值取2.5×10-4，發(fā)泡后的絕緣層的等效相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切值分別為1.5和1.36×10-4，絕緣直徑1.35 mm）、絞對(duì)節(jié)距12 mm（相應(yīng)地絞入系數(shù)為1.06）、線(xiàn)對(duì)屏蔽為理想的圓柱形金屬筒（除非明確說(shuō)明，下文中屏蔽內(nèi)徑均為線(xiàn)對(duì)輪廓直徑），線(xiàn)組結(jié)構(gòu)如圖3所示。A、B為需考察的兩個(gè)點(diǎn)，其分別在兩導(dǎo)體中心連接的延長(zhǎng)線(xiàn)和中垂線(xiàn)上，距離線(xiàn)對(duì)中心均為2 mm。

圖3　屏蔽線(xiàn)對(duì)模型

（1）屏蔽衰減與考察點(diǎn)的位置有關(guān)

現(xiàn)以鋁箔作為屏蔽層，線(xiàn)對(duì)作為主串回路，則屏蔽外側(cè)A、B兩點(diǎn)的屏蔽衰減計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，A、B兩點(diǎn)處的屏蔽衰減值不相同，但隨著頻率的升高其差異變小。這是因?yàn)槠帘尾粌H會(huì)使考察點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)減弱，而且在不同程度上會(huì)使空間防護(hù)區(qū)中的有源場(chǎng)畸變（頻率越低，屏蔽外電磁場(chǎng)畸變程度越嚴(yán)重），導(dǎo)致屏蔽衰減與考察點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，有礙對(duì)屏蔽效能的評(píng)價(jià)［3］。理論分析認(rèn)為，只有以下情況才與位置無(wú)關(guān)：用無(wú)限平面的均勻屏蔽體對(duì)平面電磁波的半空間屏蔽；用均勻球形屏蔽體對(duì)位于其中心的點(diǎn)源屏蔽；用均勻無(wú)限長(zhǎng)圓柱形屏蔽對(duì)位于其軸線(xiàn)上的線(xiàn)源屏蔽。正因如此，筆者認(rèn)為，有人利用平面波條件下推出的公式來(lái)計(jì)算線(xiàn)對(duì)的屏蔽衰減是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。此外，我們還可以看出，屏蔽層越厚其屏蔽衰減也越大。

（2）屏蔽厚度對(duì)屏蔽衰減的影響

表2為在1 MHz下，使用不同厚度銅箔作為屏蔽時(shí)A點(diǎn)的屏蔽衰減計(jì)算值，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖4。

表1　不同頻率和鋁基厚度下A、B兩點(diǎn)的屏蔽衰減（單位：dB）

表2　1 MHz下A點(diǎn)屏蔽衰減與銅箔厚度的關(guān)系

圖4　1 MHz下A點(diǎn)屏蔽衰減與銅箔厚度的關(guān)系

此結(jié)果與圖1、圖2疊加后（屏蔽衰減為二者之和）的圖形一致。從圖4可以看出，屏蔽衰減并不是厚度的單調(diào)遞增函數(shù)，這也是表1中，10 MHz時(shí)，鋁基厚度為0.012 mm的屏蔽衰減比鋁基厚度0.038 mm更大的原因。圖4中，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的銅箔厚度為0.066 mm（即1 MHz時(shí)銅箔的集膚深度）、最低點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的厚度約為0.12 mm。

（3）屏蔽衰減與頻率的關(guān)系

表3為屏蔽層鋁基厚度0.038 mm時(shí)，A點(diǎn)的屏蔽衰減與頻率間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖5所示。

表3　屏蔽衰減隨頻率變化關(guān)系

圖5　屏蔽層鋁基為0.038mm時(shí)，A點(diǎn)屏蔽衰減隨頻率變化關(guān)系圖

（4）屏蔽衰減與屏蔽材料的關(guān)系

表4為屏蔽層金屬厚0.038 mm時(shí)，不同材質(zhì)下A點(diǎn)的屏蔽衰減計(jì)算結(jié)果。

表4　屏蔽衰減與屏蔽材料間的關(guān)系

對(duì)于銀、銅、鋁金屬而言，其相對(duì)磁導(dǎo)率均為1，但銀的電導(dǎo)率最大，銅次之，鋁最小，電導(dǎo)率大的屏蔽衰減大。對(duì)于強(qiáng)磁性的鋼管而言，由于其吸收衰減較大，高頻下鋼管屏蔽衰減優(yōu)于銀、銅、鋁屏蔽衰減。

（5）屏蔽衰減與屏蔽層數(shù)間的關(guān)系

表5為單層屏蔽（金屬厚度0.038 mm）與雙層屏蔽（假定每層金屬厚度0.019 mm，兩層金屬箔間為0.03 mm厚度的PET薄膜）時(shí)的屏蔽衰減計(jì)算值。

表5　單層屏蔽與雙層屏蔽時(shí)的屏蔽衰減計(jì)算結(jié)果

從表5可看出，雙層屏蔽的效果明顯優(yōu)于單層屏蔽效果。因?yàn)殡p層屏蔽時(shí)，電磁場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)有更多次反射，導(dǎo)致反射衰減增大，最終導(dǎo)致總的屏蔽衰減增大。另外，當(dāng)兩種不同材料組合屏蔽時(shí)，材料的迭放順序?qū)ζ帘嗡p有一定影響，尤其是與強(qiáng)磁性材料組合時(shí)，強(qiáng)磁材料放于干擾源一側(cè)效果更好，其原因主要在于強(qiáng)磁性材料越靠近場(chǎng)源，其吸收衰減效果越明顯。在低頻或屏蔽厚度很小時(shí)，屏蔽衰減以反射衰減為主，因鋼的反射衰減較鋁差，故鋁-鋼或鋼-鋁的屏蔽效果劣于鋁-鋁屏蔽，但隨著頻率的升高，鋼層吸收衰減快速升高，導(dǎo)致高頻下含有強(qiáng)磁材料的組合屏蔽優(yōu)于非磁性材料組合屏蔽。

（6）屏蔽衰減與屏蔽半徑的關(guān)系

表6為鋁箔屏蔽（鋁基厚0.038 mm）時(shí)，A點(diǎn)的屏蔽衰減與屏蔽內(nèi)徑間的關(guān)系。

表6　屏蔽衰減與屏蔽內(nèi)徑間的關(guān)系

從表6可知，隨著屏蔽內(nèi)徑的增加，空間同一點(diǎn)的屏蔽衰減會(huì)增加。這與理論分析結(jié)論一致。

2.2 線(xiàn)對(duì)屏蔽對(duì)阻抗和固有衰減的影響

從結(jié)構(gòu)上講，線(xiàn)對(duì)屏蔽雖不屬于對(duì)稱(chēng)回路的組成部分，但其會(huì)通過(guò)吸收或反射線(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，最終將“影響”線(xiàn)對(duì)一次參數(shù)值的大小。為了說(shuō)明問(wèn)題，現(xiàn)仍以2.1.4節(jié)所述的線(xiàn)對(duì)為例進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 孤立線(xiàn)對(duì)的阻抗和固有衰減

由絕緣線(xiàn)芯構(gòu)成的非屏蔽孤立對(duì)絞線(xiàn)對(duì)，其工作電容計(jì)算結(jié)果為25.7 PF/m，總的絕緣等效介質(zhì)損耗角正切值為8.0×10-5。孤立線(xiàn)對(duì)的阻抗及衰減計(jì)算結(jié)果如表7所示。

2.2.2 屏蔽線(xiàn)對(duì)的阻抗和固有衰減

當(dāng)線(xiàn)對(duì)施加屏蔽后，線(xiàn)對(duì)工作電容計(jì)算值為40.5 PF/m，總的絕緣等效介質(zhì)損耗角正切值為8.1×10-5。表8、表9和表10分別為線(xiàn)對(duì)采用鋁箔、銅箔和鋼管屏蔽時(shí)的線(xiàn)對(duì)阻抗、固有衰減計(jì)算結(jié)果與電纜標(biāo)準(zhǔn)［4］的對(duì)比。

表7 孤立線(xiàn)對(duì)的阻抗及固有衰減

表8 鋁箔屏蔽線(xiàn)對(duì)阻抗和固有衰減

從表8～表10可看出：

（1）銅、鋁箔屏蔽時(shí)，線(xiàn)對(duì)的阻抗和衰減均會(huì)受屏蔽厚度的影響。低頻下，屏蔽層薄時(shí)，其線(xiàn)對(duì)的阻抗和衰減會(huì)大一些。隨著頻率的升高，不同屏蔽厚度的線(xiàn)對(duì)，其阻抗和衰減指標(biāo)分別趨向一致。其它條件相同時(shí)，導(dǎo)電率較小的銅箔屏蔽，其對(duì)阻抗和固有衰減的不利影響比鋁箔要輕。

（2）鋼屏蔽時(shí)，其對(duì)線(xiàn)對(duì)的阻抗和衰減的影響比銅箔或鋁箔大很多，其中對(duì)衰減的影響尤為嚴(yán)重。這也說(shuō)明磁性材料雖然能獲得較好的屏蔽衰減效果，但其對(duì)線(xiàn)對(duì)阻抗和衰減的影響也很大，這就是磁性材料不宜用于高頻線(xiàn)對(duì)內(nèi)層屏蔽的原因。

表9 銅箔屏蔽線(xiàn)對(duì)阻抗和固有衰減

表10 鋼管屏蔽線(xiàn)對(duì)的阻抗和固有衰減

2.2.3 屏蔽對(duì)線(xiàn)對(duì)阻抗和固有衰減影響的機(jī)理

線(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)傳輸?shù)狡帘沃?，?huì)在屏蔽中激發(fā)渦流，其方向和分布如圖6所示。

圖6　屏蔽上的渦流大小分布及方向示意圖

渦流沿屏蔽閉合流動(dòng)，在屏蔽的一個(gè)面（φ= 0°）為一個(gè)相同的方向，在屏蔽的另一個(gè)面（φ= 180°）為另一個(gè)相反的方向，在這些點(diǎn)上渦流具有最大的密度，當(dāng)φ=90°和φ=270°時(shí)渦流等于0。屏蔽中渦流的方向同鄰近導(dǎo)線(xiàn)中的電流方向相反。其結(jié)果猶如建立了兩個(gè)具有不同方向電流的回路（基本回路與渦流回路），并相應(yīng)產(chǎn)生了不同方向的磁場(chǎng)（基本磁場(chǎng)與反作用磁場(chǎng)），如圖7所示。這種作用會(huì)使回路的合成磁場(chǎng)減弱，最終導(dǎo)致回路的電感減小，同時(shí)也會(huì)使回路的有效電阻（無(wú)屏蔽對(duì)稱(chēng)孤立回路中R有效電阻=R直流+R集膚+R鄰近）中的R鄰近分量減弱，使對(duì)稱(chēng)回路的R有效電阻有減小的趨勢(shì)。渦流的另一個(gè)效應(yīng)是使屏蔽層發(fā)熱，產(chǎn)生附加能量損耗，這個(gè)能量是從傳輸回路吸取的，即可當(dāng)作線(xiàn)對(duì)回路有一附加電阻，這就是我們常說(shuō)的R金，其值與傳輸?shù)念l率、屏蔽直徑、導(dǎo)線(xiàn)間的距離以及屏蔽層材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。因此，對(duì)于屏蔽線(xiàn)對(duì)來(lái)講，線(xiàn)對(duì)回路的有效電阻R有效電阻=R直流+R集膚+R鄰近+ R金。由于渦流有削弱R鄰近的作用，進(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)屏蔽層足夠厚、屏蔽內(nèi)徑為線(xiàn)對(duì)輪廓直徑時(shí)，R鄰近可減小至零。線(xiàn)對(duì)回路施加屏蔽后，線(xiàn)對(duì)回路間的工作電容會(huì)增加許多，在高頻下，線(xiàn)對(duì)回路的特性阻抗會(huì)下降不少，而線(xiàn)對(duì)回路高頻下的固有衰減，這就是導(dǎo)致線(xiàn)對(duì)回路屏蔽后其固有衰減增大的原因。

圖7　對(duì)稱(chēng)屏蔽回路的磁場(chǎng)

又根據(jù)電磁理論可知金屬屏蔽上激發(fā)的渦流密度為：式中：δ為渦流理論透入深度j0為屏蔽層表面的渦流密度；jx為屏蔽層內(nèi)距離表面x處的渦流密度。

由此可以看出，渦流大小與屏蔽層的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率和厚度有關(guān)。由于渦流密度與厚度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，它隨著x增大而急劇下降，當(dāng)屏蔽層厚度大到一定程度時(shí)，再增加屏蔽厚度對(duì)反作用場(chǎng)強(qiáng)的影響就十分有限了。在高頻對(duì)稱(chēng)電纜屏蔽中，當(dāng)屏蔽小于2.6倍渦流理論透入深度時(shí)，渦流的大小受屏蔽層厚度的影響較大，此時(shí)隨著屏蔽層厚度的減小，其渦流也下降較快，渦流的下降會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的反作用場(chǎng)強(qiáng)下降而最終導(dǎo)致R鄰近較大而影響線(xiàn)對(duì)回路的固有衰減。另一方面，雖然隨著厚度的下降，屏蔽的吸收衰減也會(huì)下降從而導(dǎo)致R金下降，但兩者數(shù)量變化不同，最終出現(xiàn)在屏蔽層薄時(shí)線(xiàn)對(duì)回路在低頻下出現(xiàn)固有衰減偏大，甚至出現(xiàn)超標(biāo)問(wèn)題。如表8、表9所示。對(duì)于鋼屏蔽層而言，由于其表面渦流密度比銅、鋁均小，故渦流產(chǎn)生的反作用場(chǎng)強(qiáng)也較弱而最終導(dǎo)致R鄰近和電感較大，另由式（3）可知，其吸收衰減隨著厚度或頻率的增大引起R金快速增大，這是表10中用鋼管屏蔽時(shí)，線(xiàn)對(duì)固有衰減大的原因。

表8、表9中，隨著頻率的升高，渦流標(biāo)準(zhǔn)透入深度減小。當(dāng)屏蔽層的厚度大于1.5倍渦流標(biāo)準(zhǔn)透入深度時(shí)，由渦流產(chǎn)生的反作用磁場(chǎng)強(qiáng)度就相差較小了，故隨著頻率的升高，對(duì)于同種材料、不同厚度的屏蔽層來(lái)講，線(xiàn)對(duì)回路的電感差異就越來(lái)越小，最后趨向相同。此時(shí)屏蔽厚度對(duì)線(xiàn)路固有衰減的影響也主要體現(xiàn)在吸收衰減的差異上。

2.2.4 組合屏蔽對(duì)線(xiàn)對(duì)衰減的影響

表11為雙層金屬?gòu)?fù)合箔屏蔽時(shí)對(duì)線(xiàn)對(duì)傳輸性能的影響。計(jì)算時(shí)假定各層金屬的厚度均取0.019 mm，兩箔間為0.03 mm的PET薄膜。

從表11可以看出，雙層金屬鋁箔或鋁-銅箔，在頻率較低時(shí)對(duì)衰減的影響比總厚度相同的單層鋁箔或銅箔要稍大一點(diǎn)，這是因?yàn)榻M合屏蔽時(shí)，電磁場(chǎng)在屏蔽層交互反射更多，最終因屏蔽層內(nèi)的吸收衰減增大，從而引起線(xiàn)對(duì)總的固有衰減偏大點(diǎn)。

雙金屬箔屏蔽時(shí)，內(nèi)側(cè)屏蔽的影響程度要大些。當(dāng)內(nèi)層金屬箔較厚或傳輸頻率足夠高時(shí)（比如金屬箔厚度大于渦流透入深度1.5倍以上），外層金屬的材質(zhì)對(duì)固有衰減的影響基本可忽略。正因如此，對(duì)于高頻對(duì)稱(chēng)線(xiàn)對(duì)而言，采用金屬箔屏蔽時(shí)，宜將屏蔽的排流線(xiàn)置于屏蔽外側(cè)（同時(shí)金屬面朝外），如圖8所示。這可減小排流線(xiàn)對(duì)線(xiàn)對(duì)阻抗和衰減的影響。

3　平行線(xiàn)對(duì)屏蔽對(duì)傳輸性能的影響

對(duì)于如圖9所示的平行線(xiàn)對(duì)而言，同樣存在上述相同的現(xiàn)象，其影響程度比對(duì)絞結(jié)構(gòu)更劇烈一些。表12為絕緣線(xiàn)芯外施加鋁基厚度為0.038 mm的鋁箔屏蔽時(shí)的計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可知，由于屏蔽等效直徑變小，工作電容迅速增加到60.4 PF/m。同時(shí)，渦流強(qiáng)度也迅速增加，這將導(dǎo)致反作用磁場(chǎng)比對(duì)絞結(jié)構(gòu)大一些，引起電感下降，最終導(dǎo)致阻抗大幅度下降。屏蔽層的吸收衰減也因距離減小而大幅度增強(qiáng)。因此，采用平行線(xiàn)結(jié)構(gòu)時(shí)，為確保阻抗符合標(biāo)準(zhǔn)要求，絕緣外徑應(yīng)在對(duì)絞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上上調(diào)。

表11　雙層金屬箔對(duì)線(xiàn)對(duì)傳輸參數(shù)的影響

圖8　七類(lèi)纜典型結(jié)構(gòu)

圖9 屏蔽型平行線(xiàn)對(duì)

表12　屏蔽型平行線(xiàn)對(duì)的阻抗和固有衰減

4　包覆方式的影響

在高頻對(duì)稱(chēng)電纜的生產(chǎn)中，線(xiàn)對(duì)屏蔽常用金屬箔繞包或縱包。由于繞包結(jié)構(gòu)在線(xiàn)對(duì)軸線(xiàn)方向上有周期性的隔斷局部渦流的問(wèn)題，會(huì)影響磁場(chǎng)的反射，在低頻下理應(yīng)出現(xiàn)衰減和阻抗比縱包時(shí)大一些，實(shí)際的情況是阻抗值反而更小。筆者認(rèn)為，其原因在于兩種包覆方式對(duì)屏蔽層與線(xiàn)對(duì)間的間隙、表面圓整度差異的影響。通常情況下，繞包時(shí)屏蔽金屬箔局部陷入到線(xiàn)對(duì)輪廓以?xún)?nèi)的機(jī)率大，導(dǎo)致線(xiàn)對(duì)電容增加，因屏蔽內(nèi)徑的減小導(dǎo)致電磁場(chǎng)反射增強(qiáng)，最終導(dǎo)致線(xiàn)對(duì)的阻抗比縱包時(shí)小。其次，繞包時(shí)線(xiàn)對(duì)屏蔽內(nèi)徑波動(dòng)通常要小些，這是導(dǎo)致繞包線(xiàn)對(duì)的結(jié)構(gòu)回波損耗比縱包屏蔽線(xiàn)對(duì)要好些的原因。當(dāng)然，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，如果縱包屏蔽內(nèi)徑控制得好時(shí)也有比繞包效果更好的時(shí)候。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）本文在實(shí)例分析時(shí)所建的模型雖然是一個(gè)理想化的模型，實(shí)際生產(chǎn)中線(xiàn)對(duì)外繞包金屬箔時(shí)會(huì)出現(xiàn)凹凸不平，使得實(shí)際的屏蔽衰減以及線(xiàn)對(duì)的阻抗和固有衰減的影響因素更復(fù)雜，但模型分析的定性結(jié)論與理論分析及生產(chǎn)實(shí)際相穩(wěn)合。

（2）對(duì)于高頻電纜來(lái)講，我們應(yīng)綜合屏蔽衰減、線(xiàn)對(duì)較低頻率下的阻抗和固有衰減要求以及金屬箔成本等因素綜合確定線(xiàn)對(duì)屏蔽型式和屏蔽層厚度。由于電磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性，難以用公式來(lái)精確計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)，可充分利用數(shù)值分析的方法來(lái)尋找最佳的解決方案。

［1］ 王春江.電線(xiàn)電纜手冊(cè)（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］ 鄭玉東.通信電纜［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］ 高攸綱.屏蔽與接地［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［4］ YD/T 1019—2013 數(shù)字通信用聚烯烴水平對(duì)絞電纜［S］.

［5］ 劉江鋒.數(shù)學(xué)通信用水平對(duì)絞電纜屏蔽結(jié)構(gòu)型式的討論［J］.電線(xiàn)電纜，2004（5）：30-36.

Shielding of Pair Effect on the Transm ission Performance

XIAO Biao
（Chengdu Putian Te1ecommunications Cab1e Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China）

This PaPer first from the PersPective of theory qua1itative1y ana1yses the inf1uence of HF symmetrica1Pair's shie1ding effect on the cab1e's transmission Performance，and then according to the tyPica1examP1e of numerica1ca1-cu1ation is consistentwith the theoretica1ana1ysis.

shie1ding of Pair；transmission Performance；numerica1 ca1cu1ation；natura1 attenuation；characteristic imPedance

TM248.2

A

1672-6901（2016）03-0004-07

2015-05-12

肖 飚（1971-），男，高級(jí)工程師.

作者地址：四川成都市高新西區(qū)新航路18號(hào)［611731］.