浅谈电线电缆在电磁兼容方面的设计要点

张忠贵

摘 要：电磁兼容技术能够有效地对抗电磁干扰，被广泛应用到各个领域。文章重点讨论了电线电缆在屏蔽技术、滤波技术、接线及搭桥技术的设计要点，以期能为相关人士提供借鉴和参考。

关键词：电磁兼容；屏蔽技术；滤波技术

中图分类号：TM24 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0095-02

前言

随着社会经济的发展和生产力的不断提高。电磁环境日益恶化，电子元器件对电磁兼容的要求进一步提高，各企业把提高电线电缆的电磁兼容效果作为企业发展的重中之重。加强电磁兼容设计，能够有效减少电磁的干扰，促进设备的正常运转。因此，加强电线电缆在电磁兼容方面的设计，对电器企业的发展具有十分重要的现实意义。

1 屏蔽技术的设计要点

1.1 屏蔽技术的原理和目的

屏蔽技术即利用导电材料将电磁场局限在一定范围内，从而抑制电磁扩散，减少对电器设备的干扰。屏蔽的目的有两个，首先是防止内部辐射的电磁能泄露至系统内部，其次是限制外来电磁干扰进入系统。

1.2 屏蔽技术的类型

根据屏蔽的作用原理，可以将电磁屏蔽分为电场屏蔽技术、磁场屏蔽技术和电磁场屏蔽技术。

（1）电场屏蔽技术采用具有良好导电性能的导体充当屏蔽体，并具有良好的接地功能，有效的把电场中止在导体表面，通过接地线与导体表面的电荷的感应，实现了对电场的屏蔽。因此，要想有效的减少因静电耦合产生的干扰，应主要从以下两方面着手，首先要应用导电和接地性能良好的金属屏蔽体，有效对抗静电干扰，其次要分离相互耦合的电子元器件，减少相邻导体间因静电耦合产生的寄生电容。（2）磁场屏蔽技术通过采用高导磁率的材料制成导磁体，并对电磁形成阻碍作用，从而有效的防止电磁内部的泄漏、扩散和外部磁场的干扰。当导磁体的工作频率低于100KHz时，通常采用铁、硅钢片等高导磁率的材料对磁场进行干扰。而在高频磁场，通常应用银和铜等低电阻率的材料，利用电磁感应原理，在屏蔽体表面形成涡流的反磁场与原磁场进行对抗，实现对磁场的屏蔽效果。（3）电磁屏蔽技术是指对电场和磁场同时进行屏蔽，电磁屏蔽技术主要用于高频磁场，通过电磁通过金属保护层的衰减过程，完成对磁场的屏蔽。电磁波在金属保护层中产生的损耗可以用传输方程进行计算和分析，应用此种方法，不仅能够方便快捷的计算金属保护层的屏蔽效果，还能使屏蔽的原理更清晰明了。构建的传输方程如下：

其中，S为屏蔽体吸收损耗，A为电磁波在金属保护层表面产生的反射损耗，B为屏蔽体内多次反射的损耗。方程中t表示屏蔽体的厚度，o表示屏蔽材料的导电率，？自为导电率，？姿为传输的频率。当处于低频磁场或者屏蔽层厚度较薄的情况下，B较为重要。

1.3 屏蔽技术的设计要点

屏蔽体的导电率、导磁率、厚度以及工作频率是影响电线电缆屏蔽性能的关键。因此，为了提升电线电缆的屏蔽性能，在设计的过程中，应注意以下几点。首先，应选择保护层较厚的屏蔽体，并增加屏蔽体的层数，以此不断吸收电磁损耗，实现较好的屏蔽效果。其次，屏蔽材料的选择也制约着屏蔽性能的发挥。在设计过程中加大对导电高分子吸波材料的利用程度，能够有效减少电磁波的干扰。

例如，在低频磁场中，通过设计合理的电缆结构，能够有效减少电磁对电缆的干扰。在电缆传输信号强度较大且对电磁干扰敏感度较低的情况下，可以设计双绞线的电缆结构，实现对抗电缆干扰的目的。在电缆传输信号强度较弱且对电磁干扰敏感度较高的情况下，可以在选用双绞线电缆结构的同时，增加屏蔽体的厚度和层数，以达到对抗电磁干扰的目的。在低频磁场中，磁场的干扰是主要的屏蔽对象。因此，在设计电线电缆结构的过程中，选用导磁率较高的材料，如铁，硅钢片等，对电磁干扰形成分路，对电磁的传输形成阻碍，从而起到屏蔽磁场的作用。在此基础上，还应增加导磁体的层数，形成多层铁氧体材料的总屏蔽，使电线电缆能够有效对抗电磁干扰。在高频磁场中，可以利用屏蔽体因电磁感应在表面形成的涡流反磁场，形成對原磁场电磁的屏蔽。因此，在电线电缆的材料选择中，应尽量选择电阻率较低的材料制作保护层，如金、银等，屏蔽层的电阻越小，涡流的反磁场效果越强烈。保护层可以采用薄带材料绕包和圆线编织缠绕的方式，同时，为了对抗强度过大的干扰对象，还可以采用多层复合屏蔽的方式[1]。

2 滤波技术的设计要点

2.1 滤波器的定义和原理

滤波器通过选择合适频率的信号和对有害电波的抑制作用，实现防止电磁干扰的目的。实践证明，即便设计再严密的屏蔽体，都会有传导干扰信号进入系统。通过在屏蔽体的导体端口处安装滤波器的方式，能够将有害的干扰频率降低到最小程度，从而减少其通过屏蔽体的几率，维护设备的正常运行。

滤波的主要特性参数有额定电压、额定电流、输入输出抗组、插入损耗等。其中，插入损耗是计算滤波器工作频率的重要依据，其公式如下。

其中，V1和V2是接入滤波器和不接入滤波器时信号源在负载抗组上产生的电压。

2.2 滤波器的种类

插入损耗随着滤波器的工作频率而上下波动，因此，一般用插入损耗的波动曲线衡量滤波器的频率特性。根据滤波器的频率特性，可将其分为高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和阻通滤波器。高通滤波器常用在电源线周围，通过允许高频信号通过，抑制有害低频信号，完成对电源谐波干扰的滤除工作。带通滤波器一般在信号频率带宽较窄的条件下使用，安装位置通常在通信接收机的天线接口。带组滤波器通常在信号频率带宽较宽且干扰信号带宽较窄的情况下使用，一般安置在距离电视、广播等发射台较近的电缆端口处。

2.3 滤波器的结构和安装要点

将铁氧体材料填充进电缆，由此形成了电缆滤波器。电缆滤波器具有体积小的优点，且能够有效实现高频电磁的衰减，例如，电缆滤波器仅通过1米长的电缆，就可以实现低通滤波的效果[2]。滤波连接器也是通过将铁氧体材料直接填充进连通器里制成的，具有较宽的电磁衰减范围，例如，在100MHz到10GHz的范围内，可以实现60dB左右的衰减。磁环扼流圈从形式上看是一个圆形磁环，由铁氧体材料制成，在信号线上套上这种磁环，导线在穿过磁环时，由于磁环附近导线单匝扼流圈的性能，其抗组与导线的屏蔽性能呈现正相关的发展趋势，屏蔽功能越强，抗组越高，由此实现对高频电磁的抑制和衰减。将此种方法应用到电线电缆的滤波过程中，既简单方便，又经济实惠[3]。穿心电容器由金属播磨卷绕而成，是一种短引线电容。将电容器的一端焊接在中心导电杆上，另一端与电容器的外壳焊接在一起作为接地端，对干扰信号形成旁路作用。穿心电容器的安装方式简单，且价格经济实惠，经常被应用于电源中高频电波的干扰。此外，在实际的应用中，常采用磁环扼流圈和穿心电容器相结合的方式，形成高频滤波电路，有效对抗电源中的高频电波。endprint

在安装滤波器的过程中，应注意以下几点。首先，为了降低接触抗组，应将滤波器直接固定在机箱的金属板上。其次，为了防止高频电波耦合产生的寄生电流，滤波器的输入端口和输出端口应分别固定在屏蔽机箱的两端。最后，为了防止电磁泄露对设备造成的威胁，应在机箱的金属板和滤波器之间安装密封衬垫，从而形成良好的过滤高频电波的效果[4]。

3 接地及搭线技术的设计要点

3.1 接地方式

电磁接地的方式需要依据信号的工作频率进行选择，由此产生了三种不同的接地方式。

单点接地通常应用于信号工作频率较低的环境中，将电路系统作为结构点，所有的接地线通过接地安全螺栓连接到这个点上，有效对抗接地各点间产生的静电耦合。同时，电路的接地方式又分为串联接地和并联接地两种，因为串联电路接地方式会产生共地电阻的静电耦合，因此，一般采用并联的单点接地方式。为了防止闲散电流对信号工作频率的干扰，信号的接地线应具有良好的绝缘性能，且只与接地安全螺栓相连。多点接地通常应用于信号工作频率较高的环境中，通常是指将接地导体作为接地信号的回路，各子系统的接地线分别与其相连，实现提高电磁兼容性能的目的。由于接地线的抗组随接地线的长度变化而变化，因此，为了减弱接地线抗组产生的干扰，应尽量缩短接地线的长度，并尽量选择电阻值较低的点进行接地。混合接地通常应用于低频电路和高频电路混合的电子系统中。工作频率在1MHz以下时，采用单点接地方式；工作频率在10MHz以上时，采用多点接地方式；工作频率在1MHz和10MHz之间且接地线的长度小于波长的条件下，可以采用单点接地，反之，则采用多点接地方式。两种接地方式的混合运用，能够实现良好的滤波效果。

3.2 接地电阻

由于电流经过电阻时，会产生共地阻抗，对电磁形成干扰，影响设备使用的同时，对人身安全也会造成极大的损害，因此，接电电阻越小越好，尤其是移动设备，一般规定其电阻值小于10Ω。接地电阻由接触电阻、地电阻和接地线电阻构成，因此，为了降低接地电阻，也应该将以上三方面作为着眼点，首先要采用截面大、长度短的细导线降低接地线的电阻，其次，应增加接地端和土壤的接地面积，用接线安全螺栓牢牢固定接电线和接地端，以此降低接地电阻。最后，要通过在土壤中注射盐水的方式增加土壤的导电率，从而降低地电阻。

接地电阻R的计算公式为：R=0.336（P/L）lg（4L/d）Ω

其中，P代表土壤的电阻率，单位为Ω/m，L代表接地极在土壤中的深度，单位为m，d代表接地极的直径，单位为m。

3.3 设备接地

一台设备为了实现对抗电磁的要求，往往设计了包括高频电路、数字电路、供电电路和继电电路在内的多种电路。同时，为了安装电路板和元器件，需要电路设备具有机械强度较大的金属外壳。因此，在进行设备接地的过程中，应注意以下几点问题。首先，接地安全螺栓应设置在设備的金属外壳上，并具有良好的导电性能，电源零线的工作频率应为50Hz，并牢牢固定在接地安全螺栓上。其次，电源的零线不能作为机壳地线的替代品，避免因机壳带电导致的人员伤亡。最后，应将供电路和继电器电路等电流和功率较大的电路作为功率地，将数字电路、高频电路等功率较弱的电路作为信号地，实现信号地和功率地接地线的分离，使其与机壳的接地线彻底分离，降低其对设备安全和人身安全的威胁。

3.4 系统接地

在进行系统接地设计的过程中，应注意以下几点。首先，要保证接地安全螺栓的接地安全性能良好，并牢牢固定在电路系统的金属机壳。其次，设备外壳应用设备外壳接地线与机柜外壳相连，机柜外壳应用机柜外壳接地线与系统外壳相连。第三，考虑到系统机柜内部因设备过多导致接地线过多的情况，应在系统机柜内部铺设两条与系统外壳绝缘的半环形接地母线，并使其相互平行，其中一条为信号地母线，另一条为机壳接地母线。将机柜内各信号地通过信号地螺栓连接到信号地母线上，屏蔽地通过接地安全螺栓连接到机壳接地母线上，以此形成完善的接地系统，有效的提升电磁兼容的效果。例如，当系统运用三相电源进行供电时，由于用电负载量的差异，导致三相电源间的不平衡，基于此，通过将电源的零线连接到接地安全螺栓上，能够使三相电源的电位保持在零点位附近，有效的避免了因三相电源的电位偏移引起的干扰。

4 结束语

通过以上研究发现，在完善电线电缆的电磁兼容设计过程中，设计合理的电缆结构，选择合理的导电材料，能够有效抑制电磁对电缆的干扰。在此基础上，安装合适的滤波器，采取正确的接地及搭线方式，能够及时滤除有害电波，提高电磁兼容性能。因此，在完善电线电缆的电磁兼容设计过程中，可以采用上述几种方法。

参考文献：

[1]田雨，唐生亮，于海英.电磁干扰的危害与电磁兼容技术[J].电子世界，2017，01：73-74.

[2]李丽.电工技术领域中的电磁兼容[J].电子技术与软件工程，2017，09：84.endprint