鐵氧體磁環(huán)對(duì)同軸電纜耦合脈沖干擾的影響

鐵氧體磁環(huán)對(duì)同軸電纜耦合脈沖干擾的影響

1鐵氧體磁環(huán)的等效電路在gjb152a-1997年的國家軍標(biāo)準(zhǔn)中，cs125和cs1106是測量設(shè)備電纜束注入的脈沖傳遞的敏感性。cs115的標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流最大為5a，cs116的標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流為10a。由于注入干擾的電流強(qiáng)度較大，實(shí)際測試中敏感現(xiàn)象的概率較高。提高設(shè)備對(duì)CS115和CS116抗擾度的常用電磁兼容加固措施有電纜屏蔽、濾波和平衡電路等,實(shí)現(xiàn)濾波和平衡電路的技術(shù)難度與成本都較大,因此常采用電纜屏蔽的方法。軍用電子設(shè)備一般都采用屏蔽電纜作為互連電纜,這對(duì)提高抗擾度很有效,但實(shí)際電纜的屏蔽性能受到屏蔽層端接方式、厚度和編織孔徑等因素的影響而并不理想,電纜芯線與屏蔽層會(huì)因耦合作用而產(chǎn)生干擾,加上目前設(shè)備較多采用數(shù)字電路,尤其是高速率、低電平的敏感電路,即使干擾信號(hào)幅度非常小,也易使之產(chǎn)生誤觸發(fā),導(dǎo)致設(shè)備功能失效。鐵氧體磁環(huán)具有價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各類線纜抑制電磁干擾。本文嘗試在同軸線外加載鐵氧體磁環(huán)來抑制芯線耦合干擾,對(duì)等效電路的分析表明磁環(huán)形成等效阻抗,等效阻抗對(duì)芯線耦合脈沖干擾具有抑制作用,時(shí)域測量結(jié)果驗(yàn)證了該效應(yīng)。此外,本文還就磁環(huán)加載位置對(duì)抑制性能的影響進(jìn)行了分析,指出了實(shí)際使用中的誤區(qū)。2耦合干擾試驗(yàn)為模擬同軸電纜的實(shí)際使用狀態(tài),搭建了如圖1所示的測試系統(tǒng),試驗(yàn)采用50?同軸電纜(SYV-50-5-1),屏蔽層為120編銅網(wǎng)編織層。同軸電纜通過金屬支座水平架于導(dǎo)電平臺(tái)上,距離平臺(tái)5cm,電纜A端接50?同軸匹配負(fù)載,B端用示波器(Tektronix公司TDS3052B,500MHz帶寬,5GSa/s采樣率)監(jiān)測電纜芯線上耦合的干擾電壓。磁環(huán)加載于距離A端的L處,為防止耦合干擾,示波器測試電纜使用屏蔽性能良好的50?同軸電纜。CS115試驗(yàn)使用Solar9355—1脈沖發(fā)生器,產(chǎn)生30ns脈沖寬度,上升沿和下降沿小于2ns的梯形脈沖波形。CS116試驗(yàn)使用Solar9354—1脈沖發(fā)生器,產(chǎn)生阻尼正弦脈沖波形。兩類脈沖干擾的注入都采用GJB151—1997中規(guī)定的電流卡鉗(Solar9142/9144)注入方式,注入頻率與幅度見GJB152A—1997中要求,這里采用最嚴(yán)酷限值注入,即注入最大校準(zhǔn)峰值電流分別為5A和10A。3等效阻抗測試圖2為圖1所示測試系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖中Za為50?同軸負(fù)載,Zb為示波器輸入阻抗(50?),Vb(ω)為示波器讀數(shù),即同軸電纜芯線耦合的干擾電壓。Zg為A與B之間導(dǎo)電平臺(tái)的阻抗,Zga、Zgb為導(dǎo)電支座與平臺(tái)的連接阻抗和模擬實(shí)際設(shè)備的接地阻抗,Zce為電纜屏蔽層的阻抗,Is(ω)為電纜屏蔽層上的感應(yīng)電流。Zf為鐵氧體磁環(huán)產(chǎn)生的等效阻抗,上述參數(shù)均為頻率的函數(shù)。Cerri等人研究了靜電放電(ESD)在同軸電纜芯線上產(chǎn)生耦合干擾信號(hào)的EMI模型。Fujiwara等人研究了在同軸線上加載鐵氧體磁環(huán)對(duì)連續(xù)波干擾的抑制效應(yīng),并得出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)公式。在此基礎(chǔ)上,本文給出以阻抗表示的測試系統(tǒng)等效電路,如圖3所示。圖中Zc為芯線的特性阻抗,Ic(ω)為芯線上耦合的干擾電流。由于測試系統(tǒng)的分布參數(shù)比較復(fù)雜,因此,此等效電路基于集總電路理論給出,未考慮高頻下同軸電纜與導(dǎo)電平臺(tái)之間的分布參數(shù)。磁環(huán)對(duì)芯線耦合干擾電壓的抑制效果用下式表示式中,bV′(ω)為加載磁環(huán)后示波器讀數(shù);Vb(ω)為未加載磁環(huán)時(shí)的示波器讀數(shù)。屏蔽電纜的屏蔽特性可用下式表示由于由式(1)~式(3)可得式中,Is′(ω)為加載磁環(huán)后屏蔽電纜外層上的電流;Is(ω)為未加載磁環(huán)屏蔽電纜外層上的電流。其中式中,ZA=Za+Zb+Zc,ZB=Zga+Zgb+Zg。由式(4)~式(6)可得本試驗(yàn)中ZAZB(Zga≈Zgb≈Zg≈0)故式(7)可簡化為即可見,在同軸電纜外層加鐵氧體磁環(huán)對(duì)芯線耦合干擾的抑制同樣有效。抑制效果正比于磁環(huán)的等效阻抗,等效阻抗越大抑制效果越明顯。4時(shí)間間隔測量4.1添加磁環(huán)前后vb的情況比較選用TDK公司ZCAT2436—1330鐵氧體磁環(huán)作為試驗(yàn)用磁環(huán),加載位置統(tǒng)一為L=90cm,分別在CS115和CS116試驗(yàn)波形下測試。圖4是CS115試驗(yàn)下加載磁環(huán)前后芯線上耦合的干擾電壓Vb對(duì)比。未加磁環(huán)時(shí),芯線上的耦合干擾電壓峰值為0.15V,加載后降為0.09V,按式(4)計(jì)算磁環(huán)對(duì)干擾電壓的抑制效果為4.44dB。圖5a~圖5d分別是CS116的四個(gè)試驗(yàn)頻率下加載磁環(huán)前后Vb對(duì)比,可以明顯看到芯線耦合的干擾電壓得到了抑制,如10MHz頻點(diǎn)加載磁環(huán)前Vb正向峰值達(dá)到0.48V,該電壓對(duì)數(shù)字電路足以構(gòu)成威脅,加載后峰值電壓降至0.29V,抑制效果為4.38dB。因此,加載磁環(huán)對(duì)耦合干擾有明顯的抑制作用,CS116的30MHz頻點(diǎn)由于高頻分布參數(shù)和磁環(huán)自身磁導(dǎo)率下降(等效阻抗Zf降低)的影響,抑制效果有所減弱。4.2不同位置中磁環(huán)加載的vb實(shí)際使用時(shí),磁環(huán)一般被加載至靠近有干擾的設(shè)備一端(對(duì)應(yīng)圖2中B端),文中前述等效電路基于集總電路理論建立,在此模型下磁環(huán)加載至電纜的任何部位應(yīng)有相同的抑制效果,然而在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)磁環(huán)加載位置不同對(duì)抑制效果的影響非常顯著。圖6是在CS115試驗(yàn)下,磁環(huán)位于三個(gè)不同位置測得的Vb比較,相對(duì)于其他兩個(gè)位置,磁環(huán)加載至遠(yuǎn)離被測端(L=90cm)時(shí)抑制效果較好。造成該現(xiàn)象是由于CS115試驗(yàn)波上升沿非常小,產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻率上限達(dá)數(shù)百兆赫茲,此頻率下的波長與測試系統(tǒng)尺寸(電纜長度)非常接近,因此系統(tǒng)已不再是集中參數(shù)電路,而更接近于由電纜屏蔽層與導(dǎo)電平臺(tái)構(gòu)成的傳輸線系統(tǒng),磁環(huán)的加載將引起傳輸阻抗不匹配,從而引起反射或駐波,導(dǎo)致波形失真。上述分析可由CS116的低頻(100kHz)與高頻(100MHz)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)波形來驗(yàn)證。圖7是CS116在100kHz實(shí)驗(yàn)波形下磁環(huán)加載至三個(gè)不同位置測得的Vb對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),在此頻率下磁環(huán)加載位置的變化對(duì)抑制效果基本沒有影響。但在100MHz測試頻率下,位置的變化帶來Vb的改變非常顯著,當(dāng)磁環(huán)加載至靠近被測端(L=10cm)和電纜中間(L=40cm)時(shí),干擾電壓反而被放大,如圖8所示。因此,磁環(huán)的加載位置并不能簡單確定,尤其在高頻下,還必須考慮電纜長度,信號(hào)頻率和分布參數(shù)等因素的影響,若磁環(huán)使用不當(dāng)反而會(huì)帶來電磁兼容問題。5鐵氧體磁環(huán)氧化對(duì)耦合干擾的抑制作用本文探討了在同軸屏蔽電纜外層加載鐵氧體磁環(huán)來抑制芯線耦合外部脈沖干擾的可能性,通過在測試系統(tǒng)中注入CS115(梯形波)和CS116(阻尼正弦波)兩類強(qiáng)脈沖干擾進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明鐵氧體磁環(huán)對(duì)耦合干擾具有抑制作用,對(duì)CS115典型試驗(yàn)波形具有4.44dB的抑制效果,對(duì)CS116在