Расчет экрана кабеля на основании теории передаточного сопротивления
Поиск

Расчет экрана кабеля на основании теории передаточного сопротивления


Для экранированного кабеля, до первого его резонанса (кГц) приблизительное соотношение может быть получено из его импеданса передачи или передаточного сопротивления (Zt), позволяющего предсказать параметры экранирования кабеля.

Выражение эффективности экранирования, в том числе экранов кабелей - постоянная проблема ЭМС сообщества. Это связано с потребностью в прогнозировании, расчетах и проектировании широкого спектра проектов и областей. Обычно, в зависимости от применяемой области и простоты выражений через них нужных величин, инженеры используют следующие характеристики кабелей:

- Эффективность экранирования (SE, дБ);

- Передаточное сопротивление (Zt, Ом/м);

- Коэффициент экранирования (Kr, дБ).

Эффективность экранирования. Обычно определяется как отношение измеряемых величин с экраном и без него SE (дБ) = 20 lg [Eэ / Е0] и является безразмерной величиной. Экспериментальное определение SE имеет несколько недостатков:

  • Полного спектра дорогостоящих приборов: генератора, усилителя, антенн, экранированнй или безэховой камеры и т. д.

  • Большие погрешности полевых измерений порядка 6 дБ.

  • Сильная зависимость от условий измерений и параметров образца: высота над землей, нагрузки, способ возбуждения, ближнее поле, длина кабеля, отражения и т.д.

Импеданс передачи (Zt). В отличие от SE, является полу- расчетным методом. Снижена неопределенность измерений до 10% (1 дБ).

Коэффициент экранирования, Kr. Сочетает оба метода, используя лучшее из них.

Коэффициент Kr определяется как отношение дифференциального напряжения Vd на экране на приемном конце кабеля к напряжению общего вида Vcm:

Kr (дБ) = 20 lg (Vd/Vcm) (1)


Иногда используются и другие версии этого определения, например:

Kr (дБ) = 20 Log (Vd2 / Vd1), где

Vd1 : дифференциальное напряжение на приемном конце, когда экран отсутствует (отключен),

Vd2 : дифференциальное напряжение на приемном конце с нормально заземленным экраном, с обоих концов.

Это определение было бы более строгим, оно устраняет вклад сопротивления активной зоны и самоиндукции, поскольку они одинаково влияют и на Vd1 и Vd2.

Расчетные значения для случая l <λ/2.

Давайте предположим, что что ближний конец кабеля закорочен. Тогда по классической модели Zt: Vd = Zt x l x Iэ, где l - длина экранированного кабеля.

Выражая ток экрана Ish = Vcm / Zloop, мы можем заменить Vd на его значение в выражении для Kr и получить Kr = Zt * l / Zloop, Z - импеданс цепи «экран-земля».

Zloop (Ом) = (Rэ + jωLвнеш)*l где,

Rэ = сопротивление экрана,

Lвнеш = цепи «экран-земля».

Заменив выражение Zloop в уравнении для Kr, получим: Kr = Zt / (Rэ + jωLвнеш). На рисунке изображены зависимости Zt для некоторых типов кабелей. Zt состоит из сопротивления экранов Rэ и индуктивности передачи (или утечки). Таким образом, Kr становится безразмерной величиной, не зависящей от длины кабеля: Kr = (Rэ + jωLt) / (Rэ + jωLвнеш). Выражение можно разбить на 3 случая:

1) для очень низкой частоты, где член ωLt пренебрежимо мал:

Kr = Rэ / (Rэ + jωLвнеш) ≈ 1 (0дБ) ниже нескольких кГц.

2) на средних частотах (обычно выше 5-10 кГц для кабеля с обычной "плетенкой"): Kr = (Rэ + jωLt) / (jωLвнеш). Коэффициент линейно увеличивается с частотой.

3) на более высоких частотах (обычно выше 1МГц), вплоть до первого резонанса λ/2: Kr = Lt / Lвнеш. Коэффициент Kr остается примерно постоянным, независимо от длины и частоты.

Можно получить удобную инженерную формулу любой частоты от 10кГц до первого резонанса λ/2:

Kr (дБ) = - 20 log [1 + (6F(MHz) / Zt (Ом/м)] (3)

Расчет Kr для длин кабеля λ/2 или меньше.

Когда размер кабеля достигает полуволны, нельзя продолжать умножать Zt на физическую длину кабеля, т.к. ток на ней становится неравномерно распределен. Фактически, линия перестает быть «электрически короткой» еще для значений λ/10. На длинах, кратных λ/2, дипольные свойства длины кабеля, вызывающие резонансы тока, будут приводить к наихудшему значению Kr. При определенных условиях измерений длина кабеля и кратные ей нечетные nλ/4 также приведут к резонансам. Теперь нужно учесть фактическую скорость распространения волны C' в линии, где C' медленнее, чем света в вакууме C. Обычно C' = 0,7-0,8C. Следовательно, фактическая длина волны в цепи кабеля к земле: λ' = от 0,7 до 0,8 × λ. Даже при качественном экранировании токи на экране при нечетных λ'/4 объясняют типовое ухудшение Kr на величину порядка 10дБ.


Расчет для первого значения λ'/ 2, где принимаемое напряжение Vd является максимальным (из-за пикового тока), приводит к низкому значению Kr. Помимо первой точки резонанса напряжение окончания Vd будет проходить через последовательность пиков (при нечетных кратных λ/2) и нулях, но их амплитуда не будет превышать амплитуду, достигаемую при первом резонансе. Просто учитывая, что длина «электрически активного» сегмента экранов ограничена λ'/ 2, Vdmax можно предсказать следующим образом:

Vdmax = Zt x 0,5λ' x Iэ (4), где

Zt - передаточное сопротивление на частоте, соответствующей значению λ'. На такой частоте Zt доминирует Lt.

λ' = 0,75 * 300 / F (МГц) = 220 / F (МГц) (среднее значение) (4).

Vdmax = 0,5ωLt*(220/F) x Iэ = 0,5 Lt (Гн/м) * 2πF * (220/F) x Iэ) ≈ Lt (нГн/м) x 0,7 x Iэ (5) Кроме того, мы можем выразить Iэmax для экрана, заземленного на обоих концах, освещенном однородным полем:

max = Iконтура (max) = Vcmmax / Zc, где

Zc - характеристический импеданс кабельной линии = 150 Ом для соотношения высоты/диаметра = 4 (типичный для испытательной установки MIL-STD-461) или 300 Ом для соотношения высоты/диаметра = 50, как в ГОСТ Р 51317.4.6. Таким образом, Zc можно в среднем оценить в 210 Ом (+/- 3dB).

Решая уравнения 4 и 5 мы получаем простое выражение для наихудшего случая Kr над резонансом:

Kr (min) = Vdmax / Vcm= (0,7 Lt * Vcm / 210) / Vсм.

Krmin (дБ) = - 20 log [210/0.7 Lt (nH / m)].

Расчетные результаты по этим формулам для коаксиального кабеля с одинарным плетеным экраном длиной 5м и высотой 1м над заземляющей пластиной, с идеальным контактом на корпусах разъемов приведены на рисунке ниже. Первый резонанс λ'/2 достигается в районе 20 МГц.


На следующем рисунке приведены уже результаты испытаний 5-метрового коаксиального кабеля, где экран был намеренно испорчен косичкой из экрана длиной 10 см. Ухудшение Kr выше 8 МГц впечатляет.


А это результаты испытаний с заземлением через разъем SubD25:


Больше теорий и экспериментов в новостях и библиотеке Emctestlab.ru


Просмотров: 308

Полное или частичное копирование материалов запрещено. При согласованном использовании материалов сайта необходима ссылка на ресурс.

Вся представленная на сайте информация, касающаяся технических характеристик, наличия на складе, стоимости товаров, носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437(2) Гражданского кодекса РФ.

  • Instagram - черный круг
  • Twitter - ЭМСТЕСТЛАБ
  • Facebook Icon - Emctestlab profile
  • YouTube - Emctestlab LLC
  • Vkontakte - ЭМС группа
  • Google+ - Лаборатория ЭМС инноваций

© Компания Emctestlab llc 2017

ЭМСТЕСТЛАБ логотип