电子设备互连电缆的电磁兼容分析

引言

随着电子技术和信息技术的迅速发展，电子设备已经广泛应用于人类生活的各个方面。繁多的电子设备产生各种频率的电磁波，造成电磁环境（EME）日益复杂，而恶劣的电磁环境又反过来影响电子设备的性能。

在电子设备朝着集成化、小型化、轻型化的方向发展过程中，电子设备的电缆敷设密度急剧增加；电子信号的传输频率越来越高，由此带来的电磁干扰问题影响了系统性能、降低了设备的可靠性。因此，研究电子设备的电磁干扰和电磁兼容问题具有重要的理论和实际意义。

电子设备之间以及电子设备内部，互连电缆间的电磁耦合能够导致系统性能降低甚至失效。大量的电磁干扰（EMI）信号通过互连电缆间的电磁耦合来传播。为保证整个系统安全可靠地工作，必须解决电子设备互连电缆间的电磁耦合带来的不良影响，从而保证整个电子系统的电磁兼容性。

1 电缆间电磁耦合模型

电子设备中不同类型的信号电缆密集敷设，容易产生电磁干扰问题。大多数电缆间电磁耦合现象发生在同一束或邻近的电缆之间。这种耦合通常用电路理论来分析，在低频的情况下，可用集中参数模型来表示；在高频的情况下，需要用分布参数模型来描述。电子设备内各模块间互连电缆以及模块内PCB印制线间的距离较小，相互间干扰主要属于近场感应耦合。互连电缆间的感应耦合主要指通过线间的电容C及互感M而形成电场耦合和磁场耦合两种耦合形式。

1.1 电场耦合

电容实际上是由两个导体构成的，因此，两根导线就可以构成一个电容。这种电容通常称为导线之间的寄生电容。正因为寄生电容的存在，一根导线中的能量能够耦合到另一根导线上。这种通过导线的电容使某一电路对另一电路形成电力线交链的耦合称为电容耦合或电场耦合。其耦合模型如图1所示。

当导线的长度远小于信号波长时，可以用集中参数模型来描述电场耦合，用电路分析的方法来计算电磁耦合量。利用等效电路图2，可以求得导线1中的干扰电压在导线2中产生的干扰电压。

由于此时不考虑C1G的影响，则有：

 （1）。

其中，  （2），

Z2为C2G的容抗与R的并联，即

 （3）。

将式（2）和（3）代入式（1）中得到：

 （4）。

其中，C12是两导体之间的电容，C1G是导体1与地之间的电容，C2G是导体2与地之间的电容，R是导体2与地之间的电阻。

图1 两导线间电场耦合模型

图2 两导线间电场耦合等效电路

1.2 磁场耦合

磁场耦合又称电感性耦合，是指两个存在磁场交链的通路之间的感应耦合。电感性耦合是由于干扰源的交变电流产生的交变磁场引起的，变化的磁场在邻近回路中引起变化的磁通，从而在该电路中产生感应电压，其耦合模型如图3所示。

图3 两导线间磁场耦合模型

图4 两导线间磁场耦合等效电路

根据电磁场理论，时谐场产生的感应电压为：

 （5）。

其中，M为两电路间的互感，为干扰回路的电流向量，为交变电流的角频率。

由以上电场耦合模型、磁场耦合模型可以看出，两线路之间的耦合量与干扰信号频率、电路阻抗、有效耦合长度、电路间距及屏蔽层接地方式等因素有关。

2 耦合模型电路参数的提取

由于不同结构、不同敷设方式、不同材料的电缆的电容矩阵[C]和电感矩阵[L]都不相同，计算互连电缆间电磁耦合量时必须准确地提取模型的电路参数（单位长度的电导矩阵[G]、电阻矩阵[R]、电容矩阵[C]和电感矩阵[L]等）。由于单位长度传输线间的电导与传输线横向间阻抗相比可以忽略，即[G]＝0，同时考虑传输线的实际电阻相对较小，为简化预测模型，我们假设电阻矩阵[R]＝0。因此，通常不予考虑[R] 和[G]，在多导体传输线系统的模型中只考虑[L] 和[C]。

本文采用电磁场有限元的数值方法，通过求解静电场问题得到传输线的电容矩阵[C]，则传输线的电感矩阵[L]可由式(6)求得：

（6）。

其中， 分别为自由空间的磁导率和介电常数。

通过对多导体传输线系统的电容矩阵和电感矩阵的提取计算，可以建立耦合模型的LC等效电路。当传输信号为低频时，我们可以采用简化的集中参数模型进行电路仿真分析。这种简化模型此时可以得到足够的精度。

但高频传输时我们必须采用分布参数模型，将信号传输线沿长度方向分为n段，把这n段LC电路级连起来得到整条传输线的等效模型。最后，对电路模型用SPICE进行仿真，得出其他导线的电磁耦合量。

3 数值结果分析

在电子设备中,各模块间的数据传输通常采用扁平电缆。以下对扁平电缆在不同的导线间距时的线间串扰进行预测分析。

该模型的结构参数为：两导体的半径r＝0.0004m，绝缘层厚度t＝0.0004m，耦合线长l＝1m。互连电缆串扰预测的频率范围为100kHz～100MHz。我们采用集中参数的等效电路进行仿真分析。在四种不同的导线间距情况下，用有限元方法提取的等效电路参数如表1所示。

表1 不同导线间距电缆的等效电路参数

图5 不同导线间距电缆电磁耦合响应曲线

四种不同间距情况下的近端耦合响应与频率变化的关系曲线如图5所示。分析表1和图5可以得出，随着导线间距的加大，导线的自电容相应增加，互电容、电感耦合系数减小，线间的串扰耦合也相应减少。该结果表明，串扰耦合量与导线间距成反比关系。在这四种敷设方案中，第四种为最优结果。

由以上分析得出：在电子设备互连电缆敷设的过程中，增加导线间距可以减少导线间的耦合量，但必须与电子设备的布线空间权衡综合考虑。

采用同样的方法预测、分析导线离地面高度、绝缘体厚度、以及导线的耦合长度对串扰的影响关系，得出下列分析结果：

（1）随着导线对地高度的增加，导线的自电容逐渐减小，而互电容逐步增加，反映电感耦合的耦合系数k也逐渐加大，所以线间的干扰也相应加大。

（2）随着耦合长度的增加，线间的自电容和互电容、自电感和互电感按比例相应增加，耦合量随着耦合长度的增加而加大。

（3）低频的情况下，不同的绝缘层的厚度对耦合量影响很小。高频的情况下，随着绝缘体厚度增加，振荡幅度增大。

因此，在电子设备互连电缆的选用和敷设上，可以根据传输数据的频率，尽量选用导线间距较宽的结构类型，以及较短的走线路径，以此来降低线间的串扰耦合，尽可能地降低电磁耦合，确保数据的正确传输。

4 结论

电子设备互连电缆的电磁耦合预测和分析，始终是电子设备的电磁兼容性预测与分析的重要方面。本文在建立电缆电磁耦合模型和提取耦合模型电路参数的基础上，利用场路结合的方法对电子设备互连电缆进行了电磁兼容性预测与分析。结果表明，在电子设备互连电缆的选用和敷设过程中，通过选用导线间距较宽的结构类型、减小电缆对地高度、缩短电缆的走线路径、增加电缆绝缘层厚度等措施可以有效地降低互连电缆间的电磁耦合，以保证电子设备良好的电磁兼容性。