南宫NG·28

汽车屏蔽线缆的屏蔽特性测试研究

顾佳丽

    上海南宫NG·28科学研究所（集团）有限公司

    南宫NG·28检测所汽车事业部项目工程师

工作方向：

目前从事项目管理工作，熟悉各项南宫NG·28测试项目及测试方法，参与电动车高压部件团体标准的研制、起草；在电动车高压线束屏蔽效能以及汽车智能网联产品南宫NG·28测试方法的研究中有深入的理解，并就屏蔽效能测试研究出版了相关论文。

01

屏蔽线缆的物理结构

汽车屏蔽线缆是由导体使用多股裸铜或镀锡铜丝，pvc绝缘，芯线胶合铝镁丝隔离，最外层为镀锡铜编织隔离，pvc外皮构造而成的，它的作用是避免干扰信号进入内层导体干扰同时降低传输信号的损耗。

汽车屏蔽线缆要获得一个持久不变的平衡特性，就是在所有芯线外加多一层铝箔进行接地，或者采用编织成网状的金属线和采用金属薄膜的方法【7】，有单屏蔽和多屏蔽的多种不同方式。单屏蔽是指单一的屏蔽网或屏蔽膜，其中可包裹一条或多条导线。多屏蔽方式是多个屏蔽网，屏蔽膜共处于一条线缆中。有的用于隔绝导线之间的电磁干扰，有的是为了加强屏蔽效果而采用的双层屏蔽。这些屏蔽措施保护，都是为了创造一个平衡环境，具有良好的南宫NG·28特性。汽车屏蔽线缆的屏蔽原理是利用金属对电磁波的反射、吸收和抵消原理来防止外部电磁干扰进入线缆，同时也阻止内部信号辐射出去，干扰其他设备的工作。

当外部干扰（电磁场）入射到线缆的屏蔽层上时, 在线缆上会发生电磁耦合现象。外部入射场和线缆本身发射的电磁场通过矢量叠加形成的合成场，在物理模型中被认为是干扰源, 决定了屏蔽层上各点的总电磁场大小。而干扰耦合的途径主要是电场以电耦合（容性耦合）和磁场以磁耦合（感性耦合）的方式穿透屏蔽层的孔径到达屏蔽线缆的内部或外部。耦合的强度或者电磁泄漏的程度可以用屏蔽效能(Shielding Effectiveness, SE) 来表示。

屏蔽层的结构最常见的是金属网状编织层，其使用方便、重量轻。在通常情况下，金属网状编织的屏蔽效能随编织密度的增加而增加，随频率的上升而下降。当频率越高，吸收损耗就越大；频率较低时，吸收损耗就很小。但在低频磁场中，屏蔽效能除了随频率变化外，还随编织密度和材料磁导率有关。屏蔽线缆的屏蔽层只有在接地之后才能起到屏蔽作用。当线缆工作在低频时，其长度比波长短得多，为不使屏蔽层上有电流流通,必须要将屏蔽层完全良好地接地。如果接地不良，会在传输过程的某两点之间形成电位差，从而产生电流流过，造成干扰，降低屏蔽效能。

导体材料如铜箔、铝箔等，在频率较高时，屏蔽体表面会产生电磁感应涡流，这个涡流可以产生一个反向的磁场来抵消穿过该屏蔽体的磁场。涡流越大，屏蔽效能越好。导电性能好的屏蔽材料可以产生更大的涡流，提高屏蔽效能。由于高频的集肤效应，涡流只会在屏蔽材料的表面流动，因此只需要一层很薄的金属材料就可以将高频的电场屏蔽掉。导电金属箔的缺点就是韧性较差，容易断裂，从而会降低屏蔽效能。

02

屏蔽线缆屏蔽效能测试标准研究

对线缆屏蔽效能更进一步研究的测试方法考虑线注入法，该方法在VG95214-11_2002_11【8】、IEC62153-4和IEC96-1,2/1993 修改版中有详细描述。我们采用网络分析仪设备来进行屏蔽效能的测试，适用于频段在100kHz-3GHz。线注入法由两个回路组成, 外回路由馈线, 注入线以及被测线缆的屏蔽层组成, 它模拟的是外界的辐射场，注入线可由一条扁平的铜带，紧贴着被测线缆的长度相连（例如用胶带），和被测线缆外导体组成一段输出线作为注入电路; 内回路由被测线缆的芯线以及屏蔽层组成。其测试布置图如图1所示，典型的测试原理图如图2所示。等效电路如下图3所示

图1-线性注入法试验布置图

X-被测线缆；G-发生器；f-接收机（网络分析仪等）；g-注入电路发射器；h1,h2-黄铜/紫铜管，用作被测线缆的附件屏蔽；i-注入线的馈电线缆（低耗）；k-发生器的馈电线缆；m1 ,m2 ,m3, m4铁氧体环；q-注入线；d-有屏蔽的同轴馈电孔的屏蔽室墙面；n-被测线缆与屏蔽室之间连接部分的附加屏蔽；p-被测线缆匹配电阻的屏蔽盒;C-连接器（SMA,N等）

图2-线注入法原理图

n-近端；f-远端；1-（初级）注入电路；2-次级电路；Z01-注入电路的特性阻抗；

Z02-次级电路的特性阻抗；G-信号发生器；V-接收机；E-仪器接地；L是被测线缆的长度;U1-初级电路回路电压；I1-初级电路电流；U2n-次级电路在近端的回路电压；U2f-次级电路在远端的回路电压

图3-屏蔽线缆线注入法测试方法原理图

RF 信号发生器相连的发射线将 FR-信号注入被测线缆屏蔽层上，由接收端测量耦合到被测线缆上的信号。之后根据 AT（对数比率）值计算转移阻抗。AT与输入电压 U1 和耦合电压 U2 有关。

按照定义：ZTEnf= IZF士 ZTI→ ZTE=max (ZTEn ; ZTEnf)

公式中ZF—容性耦合阻抗；ZT—表面转移阻抗；ZTE—有效转移阻抗

式（1）

公式中Env(Tnf)——近端/远端耦合函数的包络线；L——被测线缆的长度

式（2）

公式（2）中：

+表示近端，-表示远端;

v1表示初级电路的相速;v2表示次级电路的相速

AT=AS-（AC/2）-（Ai/2）

注：当ZT＞ZF,，则ZT≈ZTE，近端(Tn,v+)或远端(Tf，v-)数据都可使用。

所有当ZT＞ZF,则ZT可以用下面公式计算

式（3）

公式中AT=AS-（AC/2）-（A1/2）（单位：dB）

Z02—被测屏蔽线缆的阻抗

Z01—注入电路的阻抗

A0—基准数据（单位：dB）

A1—注入电路的插入损耗A1=A1-A0（单位：dB）

Ac—被测屏蔽线缆的插入损耗Ac=Ac-A0（单位：dB）

As—转移函数As=As-A0（单位：dB）

转移阻抗 ZT的测试频率上限取决于被测线缆的长度，信号在线缆上的传播速率和外部系统。对于汽车屏蔽线缆，测试频率可以参考100k-1GHz。

03屏蔽线缆屏蔽效能测试方法研究

3.1

测试步骤：

第一、网络分析仪先进行校准

第二、 用网络分析仪测量注入电路的阻抗Z01

第三、被测屏蔽线缆连接网络分析仪，测量被测屏蔽线缆的阻抗Z02

第四、注入线连接网络分析仪，测量注入电路的插入损耗A1

第五、 被测屏蔽线缆连接网络分析仪，测量被测屏蔽线缆的插入损耗Ac

第六、被测屏蔽线缆和注入线分别接网络分析仪，测量转移函数As

第七、 根据公式（3），计算转移阻抗 ZT

3.2

测试注意事项：

（1）减小初级线缆。当用常规的仪器进行远端测量时，接收机通常在Ef处接地(如图2)。在电阻效应可能超过电感效应的低频点，或由于在高千赫范围的谐振，一部分注人电流会从Ef直接流向Eg而不沿被试线缆的屏蔽层回流。

（2）非可控电流。需要注意不通过馈电路回流的低频电流。这种电流流经非试验部分的设备，特别是网络分析仪机架。

（3）被测线缆屏蔽的四周方向不均匀性。注入电路所覆盖的圆周角取决于注入电路的特性阻抗与被测电路的阻抗的匹配情况(当使用两根或以上的平行导线时)。

图4-注入电路的覆盖角

如图4所示，为了充分覆盖圆周，应至少测量3次，每次相隔120°或测量 4次，每次相隔90°。

（4）被测线缆初级和次级线缆的衰减。电路衰减应足够低，以确保被测线缆所有长度都起作用。

（5）被测线缆的阻抗匹配

（6）屏蔽层的接地方式。如果接地不良，比如接地电阻过大，接地电压不均衡，在传输过程的某两点之间形成电位差，从而产生电流流通，造成干扰，这些都会影响屏蔽线缆的屏蔽效能。

04 测试结果分析

4.1

测试步骤：

选取了四根不同车型的屏蔽线缆用线性注入法进行测试，以下是转移阻抗对比示意图。

图5-汽车屏蔽线缆#01，#02，#03，#0

4转移阻抗对比示意图

在频率范围为100kHz-1GHz时，转移阻抗越接近于1，其屏蔽效能就越好。在低频段，耦合转移函数与不同频率下的表面转移阻抗和容性耦合阻抗有关。随着频率的增加，耦合转移函数上升至一定单位后，在近端和远端就会出现不同的截点频率fcn，f，低于截点频率fcn，f时，所测得屏蔽效能为表面转移阻抗ZT，表面转移阻抗ZT的值与被测线缆长度有关。但是高于1GHz，在频率高于截点频率fcn，f时，传输波长小于被测线缆长度，所测得的屏蔽效能为屏蔽衰减aS。屏蔽衰减与被测线缆长度无法。

对于长度短的被测线缆表面转移阻抗ZT定义为次级电路（内电路）上感应的纵向电压与初级电路（外电路）中流通的电流的比。所以在这基础上容性耦合可以忽略。但是如果屏蔽线缆长度长，那么容性耦合与感性耦合将同时作用于线缆，等效转移阻抗ZTE(它包括两种作用)或屏蔽衰减aS在高频对屏蔽效能有一定的影响，外界干扰太多。因此用线性注入法测量，我们应选择被测线缆的长度为0.5m。

4.2

测试结果影响因素分析

选取同一根屏蔽线缆，由于接地方式差异，测出数据如下：

图6-屏蔽线缆屏蔽层接地不良转移阻抗

图7-屏蔽线缆屏蔽层接地良好转移阻抗

通过图6和图7可以看出，虽然整体曲线图类似，但是由于屏蔽层接地不良好，测出的转移阻抗值偏大。

05

总结

根据实际汽车屏蔽线缆，用线性注入法测量转移阻抗的数据（图5）可以看出，汽车屏蔽线缆的转移阻抗在100kHz-1GHz整体趋势类似，可以有对比性，结果更可信。但该方法也存在一定的劣势，在1GHz以上由于连接的差异，会在不定频点形成谐振。因此通过该方法的测量，对于100kHz-1GHz在一定程度上能够辨别屏蔽线缆的屏蔽效能的水平。

参考文献

【1】郭鑫，邱扬，赵大浩.改进型线路注入法测量多芯电缆的屏蔽效能，现代有线传输，2003,6（2）：28-31

【2】张斌，秦会斌.屏蔽电缆的接地问题.科技咨讯，2006（7）:145

【3】 高攸纲.屏蔽与接地.北京邮电大学出版社，2004

【4】IEC SC 46A( Central Office) 142, Amendment t o IEC 96-1. Radio Frequency Cables, Part 1 : General requirem ents and measu ring m ethods, Appendix A5. 7: Line in jection meth od. 1990.

【5】 孙蓓云，郑振兴，周辉，刘顺坤，谢彦召.屏蔽电缆转移阻抗的测量，核电子学与探测技术，2002,3（2）:179-181

【6】Lauri Haime.Development of IEC shielding effetiveness standards[A].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility[C].1992.321-328.

【7】卢致皓. 线缆编织、被覆和绕包的优化计算图表法[J]. 光纤与电缆及其应用技术,1987,(04):41-50

【8】线注入法试验方法：VG 95214-11:2002-11