电缆分布电容对航天器低频交流信号传输的影响分析

丁 凯，陈晓光，温 源

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

在航天器低频信号传输系统设计中，为了抑制信号的共模干扰，常使用双绞线；有时为了避免电磁干扰，还采用屏蔽电缆。航天器中较为常见的低频信号除了包括常用的指令脉冲、数字通信信号、图像信号等直流信号外，还包括话音附载波信号等正弦波调制信号。前者对导线的分布电容不敏感，因此对电缆的连接方式没有特殊要求；而后者在航天器中较为常见的都是高频信号（频率通常在1 MHz以上），一般选用高频同轴电缆传输信号。对于频率较低（低于1 MHz）的正弦波调制信号，在一般的电缆选用规范中没有专门的选用标准[1-3]，通常使用非同轴电缆进行传输；但由于该类信号对电缆的分布电容较为敏感[4]，在选用电缆时，应注意电缆的双绞及屏蔽方式。

本文针对载人航天器中话音附载波等低频正弦波调制信号的特点，分析了分布电容对交流信号传输的影响，并提出了一种使用双绞线传输交流信号的方法。

1 电缆间耦合电容模型

由于交流信号能够通过电容传输，电缆间的分布电容对信号会造成较大的干扰。本节先介绍2种耦合电容模型[5]，在后续章节中，将根据这2种模型进行信号传输影响分析。

1.1 平行电缆间的耦合电容模型

图1所示的电路中，U0为交流信号源，R1为负载电阻，C1为2根导线之间的耦合电容。

图1 存在分布电容的电路模型Fig. 1 Circuit model with distributed capacitance

设2根导线间距离为D1，导线直径为d，电缆长度为L，2根平行导线之间每米的分布电容值按照

进行计算，其中，ε0＝8.85×10-12F·m-1，为真空介电常数。

由于交流信号源的峰-峰值电压大小恒定，信号源电阻R0和负载电阻R1恒定，则负载端电压U1的大小取决于耦合电容的大小。耦合电容越大，其交流对地阻抗1/(jωC1)就越小，U1的值也就越小。

1.2 同轴电缆间的耦合电容模型

设同轴电缆的外导体直径为D2，内导体直径为d，电缆长度为L，电缆绝缘层的介电常数为εr，则同轴电缆的分布电容C2可按照

进行计算。

2 电缆耦合电容对信号传输的影响分析

在工程应用中，常使用双绞线、双绞屏蔽线来传输交流信号。使用屏蔽线时，分屏蔽皮接地与不接地2种情况。现分别对几种不同模式下电缆分布电容对信号的影响进行分析。

2.1 模式1——信号线与地线双绞，屏蔽皮接地

这种模式是航天器中传输低频信号最为常用的方式，但该方式对交流信号的衰减最为严重。在这种模式下，信号线与地线可等效为平行线，存在分布电容 C1；同时信号线与屏蔽皮近似为同轴电缆，存在分布电容C2。等效电路如图2所示。

图2 模式1的信号传输模型Fig. 2 Circuit model of case 1

在模式1下，由于分布电容C1、C2与负载电阻为并联关系，使负载总阻抗Z减小，从而降低了信号到达负载端的电压值，即信号衰减最严重。

2.2 模式2——信号线与信号线双绞，地线与地线双绞，屏蔽皮接地

在这种模式下，信号线与屏蔽皮近似为同轴电缆，存在耦合电容 C2。由于负载电阻并联了电容C2，使负载总阻抗减小，降低了负载端的电压值；但由于没有信号线与地线之间的双绞，不存在分布电容 C1，负载总阻抗大于模式 1的负载总阻抗。因此负载端电压U1大于模式1中的负载端电压，即模式2的信号衰减小于模式1。

2.3 模式3——信号线与地线双绞，不使用屏蔽线

在这种模式下，信号线与地线之间成为平行线，存在耦合电容 C1，使负载总阻抗 Z小于负载电阻R1，降低了负载端的电压值。但由于没有屏蔽皮，不存在信号线与屏蔽皮之间的分布电容C2，负载总阻抗大于模式1的负载总阻抗。因此负载端电压U1大于模式1中的负载端电压，即模式3的信号衰减小于模式1。

2.4 模式4——信号线与信号线双绞，地线与地线双绞，不使用屏蔽线

这种模式类似于模式3，均没有分布电容C2，因此负载总阻抗大于模式1的负载总阻抗，电缆对信号的衰减小于模式1。由于信号线与地线没有双绞，信号线与地线之间的距离较模式 1中的距离大，分布电容C1的值远小于模式1中分布电容C1的值。即模式4下分布电容对信号的衰减远小于模式1。

2.5 模式5——信号线与信号线双绞，地线与地线双绞，屏蔽皮不接地，信号线屏蔽皮与地线屏蔽皮隔离

在这种模式下，由于屏蔽皮不接地，不存在信号线与屏蔽皮的分布电容 C2。同时由于屏蔽皮的存在，信号线和地线间的分布电容 C1被分离为C21、C22和C3这3个电容的串联，如图3所示。其中 C21是屏蔽皮与信号线间的耦合电容，C22是屏蔽皮与地线间的耦合电容，C3是信号线屏蔽皮和地线屏蔽皮间的耦合电容。这 3个电容串联使C1电容要小于模式4中的分布电容C1，即模式5的连接方式对信号的衰减最小，使负载端电压 U1达到最大。

图3 模式5的信号传输模型Fig. 3 Circuit model of case 5

3 试验验证

为了通过试验验证上述 5种电缆连接方式对信号的影响，本文选用55/1822号电缆进行计算和试验验证。从厂家资料中可以知道，d＝0.44 mm，D1＝1.4 mm， D2＝2.2 mm，εr＝2.7×8.85×10-12F·m-1。试验中选取L＝8.1 m，U0＝2.83 V（峰-峰值），R0＝510 Ω，R1＝51 kΩ，选取信号频率为384 kHz，即ε＝2π×384 kHz。

模式1信号传输模型如图2所示，根据公式(1)、公式(2)计算得到 C1＝3.23×10-10F，C2＝7.6×10-10F，Z1＝1/(ωC1)=1 280 Ω，Z2=1/(ωC2)＝243 Ω，总阻抗Z＝204 Ω。由于 U0＝2.83 V（峰-峰值），且 R0＝510 Ω，所以 U1＝2.83×204/(204+510)＝0.81 V。实测电缆输出端信号峰-峰值电压为 0.817 V，与计算值基本一致，可见负载电压U1已被严重衰减。

模式 2测得电缆输出端信号峰-峰值电压为0.89 V，虽然高于模式1中电缆的输出端峰-峰值电压，但远小于信号源峰-峰值电压，信号衰减量仍较大。

模式 3测得电缆输出端信号峰-峰值电压为1.23 V，信号衰减量较模式2有所减小。

模式4信号传输模型如图1所示，2根导线间的距离增大为 D1＝3 mm。根据公式(1)计算得到C1＝8.6×10-11F，Z1＝1/(ωC1)=4.8 kΩ，总阻抗 Z 约为 4.8 kΩ，U1＝2.83×4 800/(4 800+510)＝2.6 V(rms)。实测电缆输出端信号峰-峰值电压为2.63 V，信号衰减量已得到极大减小。

模式 5和模式 4对信号衰减量的改善基本一致，但模式5使用了屏蔽电缆，增加了电缆的重量及成本。如果实际应用中对信号强度要求不是很严格，采用模式4的连接方式同样可获得较好的传输效果。

4 结束语

本文讨论了 5种使用双绞线传输低频交流信号的方式，其中采用信号线与信号线双绞、地线与地线双绞的方式传输交流信号，能够有效减小电缆耦合电容对信号强度的衰减。如果应用中对信号强度要求严格，同时允许增加电缆重量时，可以选用屏蔽线，并采用信号线的屏蔽皮与地线的屏蔽皮相互隔离且不接地的连接方式。若对信号强度要求不严格，可采用非屏蔽电缆，在保证良好的传输效果的同时，可有效降低电缆重量和成本。

（References）

[1]中国航天科技集团公司. QJ 1312—87 卫星布线设计制造及验收技术条件[S], 1987-09-24

[2]中国航天科技集团公司. QJ 2176—91 航天器布线设计和试验通用技术条件[S], 1991-02-01

[3]中国空间技术研究院. Q/W 1236—2010 航天器布线束设计、制造及验收技术要求[S], 2010-01-27

[4]杜建华, 王长水. 控制电缆分布电容对控制回路的影响分析及处理[J]. 自动化技术与应用, 2010, 28(9):120-122 Du Jianhua, Wang Changshui. Effect analysis and processing of the distributed capacitance for control cable on control loop[J]. Techniques of Automation and Applications, 2010, 28(9): 120-122

[5]何宏. 电磁兼容原理与技术[M]. 西安电子科技大学出版社, 2008