同轴电缆串扰的仿真计算与测试

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1、同轴电缆串扰的仿真计算与测试张文娟;袁格侠;邓博文【摘 要】鉴于互连系统中电缆的电磁干扰问题,首先论述了由传输线理论对同轴电 缆串扰的计算仿真,进而根据此模型自制了同轴电缆电磁耦合测试装置,测试若干结 构参数对同轴电缆串扰电压的影响,得出了同轴电缆的串扰电压大小随电缆长度、 干扰源电压和频率的增大而增大,最后比较仿真结果和测试结果,基本上达到了很好 的一致性,此测试方法和结论对电气工程师测试和解决电缆串扰问题具有一定的实 用价值.期刊名称】现代电子技术年(卷),期】2007(030)007【总页数】3页(P184-186) 【关键词】 传输线理论;同轴电缆;串扰;仿真;测试【作 者】 张文娟;

2、袁格侠;邓博文【作者单位】 西安科技大学,电气与控制工程学院,陕西,西安,710054;西安科技大学, 电气与控制工程学院,陕西,西安,710054;西安科技大学,电气与控制工程学院,陕西, 西安,710054【正文语种】 中 文【中图分类】 TM246在工业局域网中，各种电气电子设备的互联都是通过信号电缆完成的，电缆以不同 的形式出现，常常是同轴电缆或双绞线，但无论如何，来自电磁耦合的干扰严重影 响着设备的可靠性，因此本文主要以同轴电缆为例，讨论其线间串扰的仿真计算， 并利用自制的测试装置，测试了各个结构参数对同轴电缆串扰电压的影响。1 同轴电缆串扰的计算与仿真1.1 同轴电缆串扰的计算从一

3、根传输线到另一根传输线的传输称为串扰(crosstalk)。工业局域网中的同轴 电缆屏蔽层多为金属网编织形式，由于编织网屏蔽层存在着缝隙,内屏蔽体中电流 在周围引起的磁场有一部分可穿过缝隙,并与中心导体回路相交链,在屏蔽体回路与 内导体或其他导体间引起互感,由屏蔽体的电位引起的外界电通量就将穿过屏蔽体 缝隙并在屏蔽体内的导体上产生电荷,此电荷的出现意味着在中心导体与外部结构 (大地或其他导体)间存在电容耦合，其内、外导体的电磁耦合电路如图1所示。图中，Z1、Z2分别为始端和终端电阻，ZL为内导体的阻抗，ZOC为屏蔽体外网 络波阻抗，M12、C12分别为屏蔽体与外部结构的耦合电容和耦合电感。 图

4、1同轴电缆内、外导体的电磁耦合 根据传输线理论，可以推导出两导体传输线的波动方程：(1)式中，分别为相电压和相电流向量，Z和Y是同轴电缆单位长度的阻抗和导纳：Z=R+jwLY=G+jwC(2)R,L,C,G的定义见文献13。当频率高到一定程度时，运用分布参数理论和二端口网络模型，得到一均匀段的链 参矩阵为：(3)式中，中间的矩阵为传输矩阵，X为距离端点处的距离，链参矩阵申是2x2阶矩 阵，分别为：(4)式中各参数的定义见文献3，矩阵T满足T-1YZT二y2,即T为YZ的特征向量矩阵， Y2对角元素为特征值平方。计算出整个线长的链参矩阵后，引入终端条件即可确定电缆沿线电压电流分布。1.2 同轴电

5、缆串扰的仿真 根据上述介绍的理论，建立仿真模型，如图2所示:参考面上平行放置两条互相平 行的同轴电缆，参考面为大地，其中干扰线与被干扰线相同，具体参数如表1所 示。图2 两线模型示意图表1导线参数电缆类型:同轴电缆导线数目：1导线长度：1.45 m导线半径217 mm相对磁导率:1 相对介电常数：1距参考面高度：0.07 m直流阻抗:1.1 Q/m利用上面的模型用Matlab编写具体程序来分析各个结构参数对同轴电缆终端串扰电压大小的影响，并利用结果绘制相应的仿真曲线，如图3所示，这些仿真曲线 中的量均为相对量，没有标出单位，但他和原始数据有相同的变化趋势。2 同轴电缆串扰的测试 利用上面建立的

6、串扰耦合模型，本文自制了同轴电缆电磁耦合测试装置，测试同轴 电缆各个结构参数对终端串扰电压大小的影响。图3 仿真结果与测试结果的比较2.1 测试装置的制作在一块长1.5 m,宽25 cm,厚6 cm的木板上，用厚度为0.4 mm的铜箔把上表面及 两侧面包起来，作为地,下面用6块橡胶垫支撑;在长30 cm,宽25 cm,厚 0.8 cm的 2块黄铜板材上各钻6个孔,用以固定电缆接口,电缆接口一端焊接在引出线上,另一 端用来旋接实验用的同轴电缆；最后把2块黄铜板材固定在木板的两端，作为电 缆支架，其中一块可通过调节螺丝改变位置,以便拉紧和改变测试电缆长度。黄铜 板材上具体孔和电缆布线位置如图5所示

7、。图4测试装置示意图图5 孔及电缆布局剖面图2.2 测试原理 将同轴电缆安装在测试装置内，利用屏蔽壁实现了同轴电缆输入与输出的相对隔离， 并且电缆接口与黄铜上孔洞的紧密接触，以求把外部电磁耦合对同轴电缆的影响及 输入输出间的电磁耦合的影响降到最低程度。测试原理图如图6所示，其中AC为 信号发生器，L1，L2分别为干扰线和被干扰线。图6同轴电缆传导干扰测量示意图2.3 实验研究实验中AC为EE1641B1型信号发生器，示波器为RIGOL DS5102C，测试电缆型 号为RG-58，特征阻抗为50 Q,测试时干扰线和被干扰线均以非屏蔽电缆使用。 同轴电缆的长度对传导干扰电压大小的影响。两电缆的间距

8、D=14 cm，离地 面距离H=7 cm ,即将电缆分别放在图5的A,C位置上，电缆一端固定在黄铜 板的电缆接口上，另一端固定在可以滑动的黄铜板上，通过调节螺丝以改变测试电 缆的长度。取测试电缆长度分别为1.30 m , 1.34 m , 1.38 m , 1.40 m , 1.45 m , 干扰线上施加频率1 MHz,电压峰-峰值10 V的正弦波信号，测量被干扰线上电 压。(2) 干扰源幅值大小对干扰电压大小的影响。电缆的位置如(1)所述，测试电缆长度 为1.45 m，干扰线上施加频率10 MHz,电压峰-峰值分别为6 V,7 V,8 V,9V, 10 V的正弦波信号，测量被干扰线上电压。(

9、3) 干扰源频率大小对干扰电压大小的影响。测试电缆的位置和长度如(2)所述，干 扰线上施加频率分别为1,5,10,15,20 MHz，电压峰-峰值为10 V的正弦波 信号,测量被干扰线上电压。由于篇幅所限,本文只给出了干扰源幅值不同时被干扰线远端的耦合电压波形,如 图7所示，为方便起见，用示波器通道ch1符号表示干扰源电压峰-峰值，ch2符 号表示被干扰线电压峰-峰值。通过上面的实验,将测试结果记录并处理,并且绘制在仿真图上加以比较,如图3所示。由比较结果可知,同轴电缆的串扰电压随电缆长度、干扰源电压和频率的增 大而增大。但由于外界电磁耦合的影响,测试点和仿真值有些误差,特别是在高频 时,测试

10、装置的耦合泄漏,两者偏差相对较大一些。但总的来说,测试和仿真曲线 的变化趋势比较吻合,证明该测试方法是比较可靠的。3结语通过理论和实验,对影响同轴电缆串扰的结构因素进行了讨论,根据以上分析,能 得到减小电缆串扰耦合的方法,使电气工程师更好的解决同轴线传输线系统中可能 出现或已经出现的电磁兼容问题,节约了大量的人力、物力和财力。此外,该测试 装置还可进行多种方式的试验研究,例如测试同轴电缆在不同外设情况下,屏蔽层 采取一端接地或两端接地等。图7 干扰源电压不同时被干扰线上电压参考文献1 Howard Johnson,Martin Graham.High-speed Digital Design

11、AHandbook of Black Magic,2003.2 Shenfeld S.Coupling Impendance of Cylindrical Tubes.IEEE Trans.onElecrtomagn.Compat.,1972,2.EMC-14(1):10-16.3 Clayton R Paul.Computation of the Transmission Line Inductance and Capacitance Matrices from the Generalizad Capacitance Matrix.IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility.1976,11,EMC-18(4):175-183.4 赵大浩多芯互连电缆抗干扰技术研究D西安：西安电子科技大学,2003.