抑制電纜干擾的制勝武器－濾波連接器

1．電纜是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)

　　令許多產(chǎn)品開發(fā)人員不解的事情是：為什么兩臺(tái)獨(dú)立進(jìn)行電磁干擾測(cè)試時(shí)完全合格的設(shè)備通過電纜連接起來后，系統(tǒng)就不在合格了。這是忽略了電纜的輻射作用。實(shí)踐表明，按照屏蔽設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的屏蔽機(jī)箱一般很容易達(dá)到60-80dB的屏蔽效能，但往往由于電纜處置不當(dāng)，造成系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁兼容問題。90%的電磁兼容問題是由于電纜造成的。這是因?yàn)殡娎|是高效的電磁波接收天線和輻射天線。

　　電纜產(chǎn)生的輻射尤其嚴(yán)重。電纜之所以會(huì)輻射電磁波，是因?yàn)殡娎|端口處有共模電壓存在，電纜在這個(gè)共模電壓的驅(qū)動(dòng)下，如同一根單極天線，如圖1所示。



圖1 電纜共模輻射模型

　　它產(chǎn)生的電場(chǎng)輻射如下式所示：

E = 12.6 × 10 -7 ( f I L ) ( 1 / r )

　　式中，I是電纜中的共模電流強(qiáng)度，L是電纜的長(zhǎng)度，f是共模信號(hào)的頻率，r是觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離。要減小電纜的輻射，可以減小高頻共模電流強(qiáng)度，縮短電纜長(zhǎng)度。電纜的長(zhǎng)度往往不能隨意減小，控制電纜共模輻射的最好的方法是減小高頻共模電流的幅度，因?yàn)楦哳l共模電流的輻射效率很高，是造成電纜超標(biāo)輻射的主要因素。

　　減小電纜上共模高頻電流的一個(gè)有效方法是在電纜的端口處使用低通濾波器，濾除電纜上的高頻共模電流。傳統(tǒng)上都是將濾波器安裝在線路板上的電纜端口處，如圖2所示。



圖2 線路板上的共模低通濾波器

　　濾波器的這種安裝方式有一個(gè)問題就是經(jīng)過濾波后的信號(hào)線在機(jī)箱內(nèi)較長(zhǎng)，容易再次感應(yīng)上干擾信號(hào)，形成新的共模電流，導(dǎo)致電纜輻射。再次感應(yīng)的信號(hào)有兩個(gè)來源，一個(gè)是機(jī)箱內(nèi)的電磁波會(huì)感應(yīng)到電纜上，另一個(gè)是濾波器前的干擾信號(hào)會(huì)通過寄生電容直接耦合到電纜端口上。解決這個(gè)問題的方法是盡量減小濾波后暴露在機(jī)箱內(nèi)的導(dǎo)線長(zhǎng)度。

　　濾波連接器是解決這個(gè)問題的理想器件。濾波連接器的每個(gè)插針上有一個(gè)低通濾波器，能夠?qū)⒉遽樕系墓材ｋ娏鳛V掉。這些濾波連接器往往在外形和尺寸上與普通連接器相同，可以直接替代普通連接器。由于連接器安裝在電纜進(jìn)入機(jī)箱的端口處，因此濾波后的導(dǎo)線不會(huì)再感應(yīng)上干擾信號(hào)，如圖3所示。



圖3 濾波連接器能夠防止濾波后的導(dǎo)線再次感應(yīng)上干擾

　　當(dāng)然使用屏蔽電纜也能夠解決電纜輻射的問題。但使用濾波連接器的方案在許多方面要優(yōu)于屏蔽電纜，下面列舉一些濾波連接器的優(yōu)點(diǎn)：

濾波連接器能夠?qū)㈦娎|中的干擾電流濾除掉，從而徹底消除電纜的輻射因素。而屏蔽電纜僅僅是防止干擾通過電纜輻射，實(shí)際這些干擾電流還在電纜中。因此當(dāng)主機(jī)通過屏蔽電纜與打印機(jī)連接時(shí)，干擾電流會(huì)流進(jìn)打印機(jī)，通過打印機(jī)的天線效應(yīng)輻射。
濾波連接器抑制電纜輻射的效果比屏蔽電纜更穩(wěn)定。屏蔽電纜的效果在很大程度上決定于電纜的端接。由于電纜頻繁的拆裝或較長(zhǎng)時(shí)間后搭接點(diǎn)的氧化，端接阻抗會(huì)增加，造成屏蔽效能下降。
使用濾波連接器后，可以降低對(duì)電纜端接的要求，降低生產(chǎn)成本，避免使用價(jià)格昂貴的高質(zhì)量屏蔽電纜，降低成本。
　　濾波連接器中的濾波電路有較簡(jiǎn)單的單電容型或單電感電路，也有較復(fù)雜的 ? 型，? 型或T型電路。

2．使用濾波連接器的注意事項(xiàng)

2.1　濾波器的接地

　　濾波連接器必須良好接地才能起到預(yù)期的濾波作用。對(duì)于直接安裝在面板上的濾波連接器，似乎只要保證機(jī)箱與濾波連接器之間是導(dǎo)電接觸就不會(huì)有問題，但是在要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合（如要滿足軍標(biāo)的干擾發(fā)射限制要求），還是需要足夠的重視。因?yàn)樵S多場(chǎng)合濾波連接器與機(jī)箱之間的接觸并不是十分充分的，而僅在一些點(diǎn)接觸。這樣高頻的接觸阻抗是比較大的。為了避免這一點(diǎn)，往往需要在濾波連接器與機(jī)箱面板之間安裝電磁密封襯墊。

　　另外，對(duì)于含有旁路電容的濾波連接器（大部分都含有），由于信號(hào)線中的大部分干擾被旁路到地上，因此在濾波器與地的接觸點(diǎn)上會(huì)有較大的干擾電流流過。如果濾波器與地的接觸阻抗較大，會(huì)在這個(gè)阻抗上產(chǎn)生較大的電壓降，導(dǎo)致較強(qiáng)的輻射。

　　如果濾波連接器安裝在線路板上，并且通過線路板上的地線與機(jī)箱相連，則要注意為濾波器提供一個(gè)干凈的濾波地，這個(gè)地與線路板上的信號(hào)地分開，僅通過一點(diǎn)連接。并且要與機(jī)箱保持良好的搭接。

2.2　所有針都要濾波

　　有些廠商提供的濾波連接器可以根據(jù)用戶的要求提供特殊的濾波連接器，這些連接器的某些插針上沒有濾波器。用戶之所以要求某些芯上不裝濾波器，大致有兩種情況，一種是連接器中的某些芯傳輸?shù)男盘?hào)頻率很高，輕微的濾波也會(huì)造成信號(hào)失真，因此只好不對(duì)這些芯進(jìn)行濾波。另一種情況是有些用戶為了降低成本，要求廠商僅在傳輸信號(hào)的芯上安裝濾波器。

　　在使用種濾波器時(shí)，要注意它的濾波效果可能很差。因?yàn)闄C(jī)箱中的干擾信號(hào)會(huì)耦合到電纜中的所有導(dǎo)線上，這樣電纜中沒有經(jīng)過濾波的芯線會(huì)將感應(yīng)的信號(hào)帶出機(jī)箱，產(chǎn)生共模輻射。另外，當(dāng)頻率較高時(shí)，電纜中導(dǎo)線之間的耦合也非常嚴(yán)重，這樣沒有經(jīng)過濾波的導(dǎo)線上的電流會(huì)耦合到經(jīng)過濾波的導(dǎo)線上，造成嚴(yán)重的輻射。

　　所以濾波連接器中的芯都需要濾波。實(shí)際上如果為了降低成本在某些芯線上不安裝濾波器是沒有必要的，因?yàn)楝F(xiàn)在流行的制造工藝是將電容陣列板安裝在連接器中，這種工藝并不會(huì)因少幾個(gè)電容而降低成本。如果有些信號(hào)由于頻率較高而不允許濾波，則在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將這些信號(hào)連接到單獨(dú)的連接器上，然后對(duì)這些信號(hào)線使用屏蔽性能較好的屏蔽電纜。

2.3　屏蔽機(jī)箱

　　我們已經(jīng)描述了濾波連接器的好處。但要注意，獲得這些好處的前提條件是濾波器的輸入端與輸出端是被隔離開的。因此如果機(jī)箱本身不是屏蔽的，則濾波連接器就失去了這些好處。所以只有在屏蔽機(jī)箱上才有必要使用濾波連接器。

3．試驗(yàn)結(jié)果

　　我們?cè)谟?jì)算機(jī)上分別使用普通連接器和濾波連接器進(jìn)行輻射發(fā)射研究。從這些結(jié)果中可以看出，當(dāng)使用屏蔽機(jī)箱時(shí)，主要的輻射源是電纜。這時(shí)使用濾波連接器可以使輻射發(fā)射降低10-30dB。

　　圖4是測(cè)試環(huán)境的背景，以這個(gè)作為參考。圖5是計(jì)算機(jī)通過普通連接器連接上打印電纜時(shí)的寬帶發(fā)射。



圖4測(cè)試環(huán)境背景



圖5主機(jī)通過普通連接器連接打印電纜

　　圖6是使用了濾波連接器后的輻射情況，可以看出，輻射已經(jīng)明顯減小。如果將電纜拔下，輻射的情況與圖6基本相同。因此，可以認(rèn)為電纜產(chǎn)生的輻射已經(jīng)基本消除。剩余的輻射是其它原因造成的，首先一個(gè)原因是電源線。要消除這些剩余的干擾，需要更換一個(gè)性能更好的電源線濾波器。



圖 6 使用濾波連接器后的輻射情況

4．濾波連接器的選用

　　選用濾波器連接器時(shí)，除了要選用普通連接器時(shí)要考慮的因素外，濾波器的截止頻率是一個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)連接器中各芯線上傳輸?shù)男盘?hào)頻率不同時(shí)，要以頻率最高的信號(hào)為基準(zhǔn)來確定截止頻率。雖然許多廠商可以按照用戶的要求在不同的芯上安裝不同截止頻率的濾波器，但這往往是不必要的。因?yàn)橹灰幸桓盘?hào)線上有頻率較高的共模電流，它就會(huì)耦合到連接到同一個(gè)連接器上的其它導(dǎo)線上，造成輻射。一般濾波連接器廠商給用戶的參數(shù)是濾波器中的電容值，為了知道不同電容值對(duì)應(yīng)的截止頻率，往往還提供一張電容與截止頻率的對(duì)照表。

　　對(duì)于脈沖信號(hào)，我們可以將濾波器的截止頻率選在1/? tr處，tr是脈沖的上升時(shí)間。當(dāng)脈沖的上升時(shí)間不知道是，可以用脈沖信號(hào)的15次諧波作為濾波器的截止頻率。