汽車用高頻電纜的電磁兼容性分析

 

施愛偉

 

 

一、概述

隨著汽車工業與電子工業的不斷發展，在現代汽車上，電子技術的應用越來越廣泛。今天的汽車已經逐步進入了電腦控制的時代。國外專家預測未來3 ~ 5年內汽車上裝用的電子裝置成本將占汽車整車成本的25%以上，汽車將由單純的機械產品向高級的機電一體化產品方向發展，成為所謂的“電子汽車”。眾所周知，汽車電子所工作的環境很惡劣：環境溫度范圍為－40^oC到125 ^oC或更高；振動和沖擊經常發生；有很多噪聲源，如刮水器電動機、燃油泵、火花點火線圈、空調起動器、交流發電機線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設備，如手機、尋呼機和衛星導航系統等。汽車電氣的的電磁兼容性變得很重要。

在概念上，電磁兼容性(EMC)包含系統本身對噪聲的敏感性以及噪聲發射兩個部分。噪聲可以通過電磁場的方式傳播從而產生輻射干擾，也可以通過電氣連接線纜的寄生效應傳導。如果設計的系統不干擾其它系統，也不受其它系統發射影響，并且不會干擾系統自身，那么所設計的系統就是電磁兼容的。

在美國出售的任何電子設備和系統都必須符合聯邦通訊委員會(FCC)制定的EMC標準，而美國主要的汽車制造商也都有自己的一套測試規范來制約其供應商。其它的汽車公司通常也都有各自的要求，如：

SAE J1113(汽車器件電磁敏感性測試程序)給出了汽車器件推薦的測試級別以及測試程序。

SAE J 1338則提供關于整個汽車電磁敏感性如何測試的相關信息。

SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是專用于IC發射測試的兩個標準。

歐洲也有自己的標準，歐盟EMC指導規范89/336/EEC于1996年開始生效，從此歐洲汽車工業引入了一個新的EMC指導標準(95/54/EEC)。

1992年我國頒布了第一部規范汽車行業電磁兼容（EMI）試驗的國家強制性標準GB14023-92，并于2000年頒布了修正版本GB14023-2000。為了規范汽車電子器零部件的抗干擾性，汽車電子電器零部件抗干擾性方面的標準GB/T17619-1998也及時出臺。因此，近年來有關汽車EMT和EMC的試驗技術研究便成為業內新的研究熱點。

中國汽研中心于2000年立項投資1000余萬元人民幣建設了電磁兼容試驗室，并通過了國家質量技術監督局實驗室認可委員會和國家商檢局實驗室認可委員會的雙重認可。最近又有幾家汽車的的電磁兼容試驗室相繼建成，如TUV，標志著我國汽車EMC試驗技術和試驗研究向更深入、更全面的領域發展。

由于電子元氣件幾何尺寸不斷減小，以及時鐘速度的不斷增加都會導致器件發射超過500MHz的時鐘諧波，因此EMC設計非常重要。檢查汽車對于電磁輻射的敏感性，應該確保整個汽車在20到1000MHz的90％帶寬范圍內參考電平均方根值限制在24V/米的以內，在整個帶寬范圍以內的均方根值在20V/米以內。在測試過程中要試驗駕駛員對方向盤、制動以及引擎速度的直接控制，而且不允許產生可能導致路面上任何其他人混淆的異常，或者駕駛員對汽車直接控制的異常。

電纜及設備會對其他元件產生干擾或被其他干擾源嚴重干擾，汽車用電線電纜本身為無源器件，自身不產生電磁干擾，但可能會作為噪音的寄生和引導，或成為干擾信號的發射源和接收源。汽車用電線電纜的抗干擾性成為汽車電子電磁兼容的重要組成部分。

二、汽車內電磁場和干擾

汽車內存在大量干擾源，從一般開關電源到微處理器，從高壓火花線圈到這車載無線電系統，一般開關電源的工作基頻一般在2kHz至500kHz之間。開關電源在其工作頻率1000倍的頻率處仍具有很強的發射是常見的。這將干擾包括調頻廣播在內的廣播通信。由16MHz時鐘微處理器或微控制器產生的發射頻譜通常會在200MHz甚至更高的頻率超過發射極限值。目前，由于微處理器采用400MHz甚至1GHz以上的時鐘頻率，因此數字技術必然會對高端頻譜產生干擾。之所以會發生以上各種現象，是因為所有導體都是天線。它們把傳輸的電能轉變成電磁場，然后泄漏到廣闊的環境中。同時，它們也能把其周圍的電磁場轉變成傳導電信號。因此，導體是信號產生輻射發射的主要原因，也是外來場使信號受到污染的原因（敏感度和抗擾度）。
　　電場（E）由導體上的電壓產生，磁場（M）由環路中流動的電流產生。導體上的各種電信號均可產生磁場和電場，因此，所有導體都可將其上的電信號泄漏至外部環境中，同時也將外部場導入信號中。在遠大于所關心頻率的波長（λ）的1/6處，電場和磁場匯合成包含電場和磁場的完整電磁場（平面波）。例如：對于30MHz，平面波的轉折點在1.5m；對于300MHz，平面波的轉折點在150m；對于900MHz，平面波的轉折點在50m。因此隨著頻率的增加，僅僅把導體視為電場或磁場的發射和接收器是不夠的。隨頻率增加的另一個效應是：當波長（λ）與導體的長度比擬時，會發生諧振。這時信號信號幾乎可以100%轉換成電磁場（或反之）。例如，標準的振子天線僅是一段導線，但當其長度為信號波長的1/4時，便是一個將信號轉變成場的極好的轉換器。
　　很明顯，在常用的頻段內，即使很短的導體也能產生發射和抗擾度問題。可以看到，在100MHz處，1米長的導體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導體就成為很好的天線。前幾年， 汽車中廣泛使用的頻率都較低，典型的導線不能成為很有效的天線，隨頻率增加的一個效應是：當波長（λ）與導體的長度比擬時，會發生諧振。這時信號信號幾乎可以100%轉換成電磁場（或反之）。在常用的頻段內，即使很短的導體也能產生發射和抗擾度問題。可以看到，在100MHz處，1米長的導體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導體就成為很好的天線。

三、屏蔽汽車電線電纜結構性能要求

1.  導體和絕緣結構

和一般高頻線纜不同，汽車電線導體必須采用多根絞合結構，以便提高其抗震動能力，但這樣對其傳導性有一定影響。對于絕緣材料，傳統汽車電線是采用PVC，由于PVC 的介電損耗較大，不適應高頻傳輸，所以應采用PE、PP，特別是對特性阻抗有要求的對絞線。近年來，也趨向采用氟塑料。氟塑料具有較高的耐熱性、阻燃性、機械強度和耐磨性，特別適合汽車內環境，而且還具有優異的介電性能，介電損耗比通常的PE 還小。

2．汽車電路傳輸方式

汽車內電氣傳輸方式一般分為不對稱傳輸和對稱傳輸兩種，汽車電路多數是單線制回路，采用公共接地網絡，信號的傳輸是不對稱的，這是因為汽車上很多信號仍是低頻或低速率的，其信號并非很容易引起發射或受到干擾，而且汽車上的布線空間非常緊張，這樣的信號在多芯電纜中以單根導線傳送可以節省成本，減少空間占用。在傳輸高速率的信號時，如音頻、視頻、數據總線，應采用對稱回路。對稱傳輸由一對對稱的雙絞線形成回路。雙絞線中的絞合線對在可以靠自身的絞合來抵抗外來干擾及線對之間的串音，而且線路均勻性高，阻抗均勻，容易和設備匹配。當特性阻抗在互聯電纜的全長上都保持恒定，且驅動和/或輸出阻抗（源端和負載端）與特性阻抗匹配時，就形成了受控阻抗的傳輸線，這種傳輸線不會發生諧振。導線的固有電感與電容也不會帶來太多問題。，可以有效降低反射衰減和噪音。但在高頻情況下或外界干擾較大時僅靠線對絞合已無法達到抗干擾的目的，必須屏蔽才能夠抵抗外界干擾。

3.  對稱回路電纜傳輸機理

對稱回路主要用于音、視頻模擬信號和高頻數字信號，如汽車音響、數據總線等，傳輸信號比較弱、頻率比較高。對稱回路的傳輸質量，主要決定線路傳輸參數Zc——波阻抗（也叫特性阻抗）和α——衰減系數，A——近端串音衰減屬于二次參數，而二次參數決定于一次參數和信號頻率。一次參數決定于電纜結構。一次參數包括：R——回路電阻，L——電感，C——電容，G——絕緣電導。

線路衰減和串擾都和傳輸長度成正比，由于汽車內線路傳輸距離很短，衰減和串擾不是問題，可以只考慮特性阻抗。

Zc =

在傳輸頻率f＞30kHz時，Ωl＞＞R，ωC＞＞G

Zc =

對稱回路的電感計算：

當回路通以信號時，則在回路的導電線芯中和回路周圍產生磁通Ф，導電線芯內的叫內磁通，導電線芯外的叫外磁通。電感為磁通Ф與引起磁通的電流I之比，所以相應的內外磁通亦有內外電感（L內和L外），總電感為L = L內 + L外。

    L內=Q（x）*10-4（H/km）

            Q（x）是和x =

 相關的特定函數。

其中；K為導體內渦流系數。d為導體直徑。

K =

 =21.3×10^-3

其中：       μ為磁導率，μ = 4π×10^-7（H/m）

                 σ為電導率，σ =57.2（S m/mm²）

                 f為頻率，當頻率較大時，x ＞ 10，Q（x）=

并趨近于0。

L外是導線外（與回路本身所交鏈的）磁通與流過被交鏈導線中電流之比，即L外=Ф/I。回路兩導線中，由導線阿電流所產生的磁場強度為H_a =

，由導線b中電流所產生的磁場強度為H_b=

， H = H_a + H_b =

。

    L外 = 

=

回路兩導線rα=rb=

，由于回路中間為非磁性介質，μ=μrμ0=4π*10-7亨/米，則

L外=4ln

×10^-7H/m。

   式中：

λ—總的絞合系數；

    α—回路兩導線中心間距離（毫米）；

   d —導電線芯直徑（毫米）；

    可以看出外電感決定于導電線芯的直徑和導電線芯間的距離，內電感決定導電線芯本身的特性（如導線直徑、材料的磁導率和電導率）和傳輸電流的頻率，還有他倆也都和絞合的情況有關。

對稱回路的電容計算：

回路的電容和一般電容器的電容相似，兩根導線相當于兩個極板，導線間的絕緣相當于電容器極板間的介質。因此導線上帶有的電荷的電量Q與兩導線間的電位差U之比，為該回路的電容，即C =

。

孤立二導線間的工作電容。導線a上的電荷Q在距導線a為r點的電場強度

Ea=

導線b上的電荷Q在同一點的電場強度為

Eb=

則該點的總的電場強度為

E=Eα+ Eb =

因此回路間的電位差：

U =

 =

 =

  

回路中兩導線rα＝rb＝

，則有

Ｕ＝

    則孤立回路的工作電容為：

    Ｃ＝

 ＝

    把ε＝ε_rε₀ =

 F／m，代入上式可得：

    Ｃ＝

（F／m）

式中：

εr—組合絕緣介質的等效相對介電常數；

    a—— 回路兩導線中心間距離（mm）；

    d—— 導體直徑（mm）；

可以看出工作電容與導體直徑、線間距離和絕緣介質有關。   

特性阻抗可以近似用下列公式求得：

Zc =

 =

=

=

這樣看來影響特性阻抗值和工作電容的都是絕緣外徑（外徑可以看成和導線間距a相等）、導體直徑、組合絕緣介質的等效相對介電常數（ε_r）。只要控制好了尺寸和εr的值，也就能控制好了Zc和C；在尺寸不變的情況下，采用不同絕緣材料，Zc和C變化較大，ε_r增大，電容增大，特性阻抗減小，絕緣外徑增大，電容減小，特性阻抗增大。

因為特性阻抗是一個比較難于測量的參數，但在材料的相對介電常數不變的情況下，可以通過測量和控制工作電容來估算出特性阻抗。工作電容和特性阻抗成反比。如一些材料如聚烯烴、氟塑料的介電常數非常穩定。所以只要控制好結構尺寸，工作電容和特性阻抗是均勻的，穩定的，而且比值恒定。如聚乙烯的相對介電常數為2.3，測的工作電容為50×10^-12F/m則 Zc ≈ 100Ω。

一般高頻線纜都不采用聚氯乙烯，是因為聚氯乙烯混合物介電常數大，且不穩定，所以工作電容和特性阻抗難于控制。

    以上只是從理想狀態中分析特性阻抗。而實際生產控制中，單線導體和外徑的均勻性對ZC的波動也是很重要，絞對和成纜的節距及節距的穩定性，對特性阻抗也有很大影響，屏蔽層的松緊度及松緊的均勻性、厚度等也會很大程度的影響特性阻抗。

     一般規定的特性阻抗在100～150Ω之間，偏差在+15Ω是很有它的必要性，是由它與外界阻抗的匹配要求和它本身在各個方面與衰減性能的相反性而決定的。特性阻抗不好，一方面說明自身均勻性不好，同時和終端器件難于匹配，造成摔件增大和和反射干擾。

3.  不對稱回路電纜傳輸機理

不對稱回路的渡傳輸參數非常復雜，且和線路連接方式關系密切，一次參數和二次參數都變化很大，一般無法控制，所以回路間耦合和干擾比較大，一般不適合傳輸高頻和微弱的信號。

四、  屏蔽分析

1. 屏蔽機理

所謂屏蔽就是利用金屬材料將干擾源和被干擾線路個開，并借以減弱干擾電磁場的一種方法。按屏蔽的作用原理，電纜的屏蔽分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽和電磁屏蔽。

靜電屏蔽的作用是使電場終止于屏蔽的金屬表面上，并將電荷送入地，其效果和接地質量有關。

靜磁屏蔽的作用是使磁場限制于屏蔽內，它是由強磁材料制成。

靜電屏蔽和靜磁屏蔽只在低頻下有效，頻率增高需采用電磁屏蔽。電磁屏蔽的原理由電磁波的反射衰減和屏蔽層內能量損耗造成。既反射屏蔽和吸收屏蔽

屏蔽作用的大小可用屏蔽系數表示。其值等于有屏蔽層時，被屏蔽空間內某一點的電場強度E，或磁場強度H，與沒有屏蔽層時的該點的電場強度E或磁場強度H之比。屏蔽系數：

S =

=

屏蔽作用的大小還可以以干擾電磁場通過屏蔽層的衰減值來表示，屏蔽衰減：

As = 20 lg

 (dB)

屏蔽效果的理論計算是非常復雜的，是個雙曲函數，下面是單層屏蔽的簡化公式。

對稱回路的屏蔽系數可用下式計算：

As ≈ Kt +ln

 

不對稱回路的屏蔽系數可用下式計算：

As ≈ Kt

其中：

K——屏蔽層金屬的渦流系數（1/mm），K =

；

T——屏蔽金屬的厚度（mm）；

r_s——屏蔽體半徑

對稱回路比不對稱回路的屏蔽衰減多第二項，是因為對稱回路有反射，而不對稱回路用地作回路，不存在反射。

從以上公式可以看出，增加金屬的磁導率和電導率都可以增強屏蔽效果。以上只是單層屏蔽，下圖是不同屏蔽結構的計算機仿真計算曲線。

2. 屏蔽方式

編織網狀屏蔽

網狀屏蔽在保持良好的柔韌性及抗撓壽命的同時，提供了超群的結構整體性。這些屏蔽對于降低低頻干擾是理想的選擇，比起箔層屏蔽來說，降低了直流阻抗。網狀屏蔽在音頻以及射頻范圍非常有效。通常，網狀屏蔽覆蓋率越高，屏蔽效果就越好。編織網屏蔽層在多數頻率范圍內都比箔帶要好得多，但當頻率超過10MHz時，其性能逐漸變差。
      纏繞屏蔽

是一 種螺旋形屏蔽， 這種屏蔽柔軟性好，密度高，屏蔽效果和編織網狀屏蔽相當。且節省銅材，端接容易，生產效率高。但結構不如編織網狀屏蔽穩定。不適合較大直徑的屏蔽。

箔層屏蔽

箔層屏蔽是由聚酯或聚丙烯薄膜上附著一層鋁箔形成。這層薄膜給屏蔽提供了機械強度及良好的絕緣性能。箔層屏蔽可100％覆蓋電纜。由于它們的體積小，箔層屏蔽可用于多對數電纜的單線對屏蔽以減少相互的串擾。箔層屏蔽重量輕、體積小，比網狀屏蔽造價低，在射頻范圍內通常更加有效。箔層屏蔽比起網狀屏蔽的柔韌性更好，但抗撓壽命較短。與箔層屏蔽一起使用的接地線，使端接更加容易，并將靜電釋放入大地。

箔層屏蔽一般是在護層上粘合一層附著物。粘合的優點在于進行更加快捷、方便及可靠地端接。此外，粘合還能防止屏蔽層下的水分發生擴散。如果電纜護套破損，粘合的屏蔽還能幫助保護電纜絕緣層免受污染。

屏蔽層為螺旋纏繞箔帶的電纜在所有頻率都不理想，當頻率超過1MHz時，其性能逐漸變壞。箔帶軸向包裹的屏蔽層比螺旋纏繞箔帶要好得多。

組合屏蔽

組合屏蔽包括多層屏蔽。它們能夠在整個頻譜提供最大的屏蔽效果。箔層/網狀屏蔽結合了箔層屏蔽100％的覆蓋范圍與網狀屏蔽的機械強度和低直流阻抗等優點。其他現有的組合屏蔽包括各種箔層/網狀/箔層設計、網狀/網狀或網狀/螺旋設計等。在箔帶上覆蓋一層編織網、雙層編織網或三層編織網均比單層編織網好得多，但均在大于100MHz時逐漸變差。

兩層或更多層相互隔離開的屏蔽層更好一些，但僅限于大約10MHz以下，在較高頻率，屏蔽層之間的諧振將降低其屏蔽效能，因此在某些頻率它可能比單層屏蔽更差。

實心銅屏蔽層（比如，半剛性屏蔽層，剛性屏蔽層）比編織網類好得多，其屏蔽效能在高頻時不斷增加，這不象編織網或箔帶，超過某一頻率后開始下降。圓形金屬導管可用來增強極高頻率處的屏蔽特性。
　　“超級屏蔽”電纜采用編織網屏蔽層與(金屬或類似的高導磁率材料)包裹層組合起來。其性能與實心銅屏蔽層一樣好，甚至更好，而同時還有一定的柔韌性。但其價格昂貴，僅適合于性能比價格更重要的場合（比如航空、軍事）。
　　對于不同的干擾場，應選用不同的屏蔽方式。電纜屏蔽必須對整條電纜在360°范圍內覆蓋。目前，要以較低的成本使電纜屏蔽具有較高的效果越來越困難，除非信號線的干擾很小或不敏感。

3． 屏蔽效果的測試

對于屏蔽效果的測試和評價除了編織密度、覆蓋率等外，客觀的評價指標主要為屏蔽系數S和屏蔽衰減。

屏蔽效果的測量方法一般采用三同軸法、吸收鉗法和GTEM室法等，主要測試儀器為信號發生器、網絡分析儀、場強儀、等

下面是其中一個方法：

      取長度約1100 mm的試樣，剝除其兩端大約25 mm的護套，安裝圖 – 6所示的裝置。接著由信號發生器（Trackinggenerator）向銅管輸入 –10 dBmW的信號，讀取頻譜分析儀（Spectralanalyzer）的指示值。           這個測試在只有線芯（取除護套、金屬箔、接地線的狀態）下測得“V₀”和成品下測得“V₁”，把其差作為屏蔽效果。

屏蔽效果（dB）= V₀（dB）– V₁（dB）

（單位：mm）

 

五、結論

汽車的電磁干擾(EMI)主要有低頻干擾及高頻干擾兩種。低頻干擾中馬達、熒光燈以及電源線、開關電路是通常的電磁干擾源。射頻干擾(RFI)是指無線頻率干擾，主要是高頻干擾。打火線圈、車載無線電、電視轉播、測距雷和導航達及其他無線通訊是通常的射頻干擾源。

對于抵抗低頻干擾，選擇編織屏蔽最為有效，因其具有較低的臨界電阻；而對于高頻干擾,箔層屏蔽最有效,因編織屏蔽依賴于波長的變化，它所產生的縫隙使得高頻信號可自由進出導體。而對于高低頻混合的干擾場，則要采用具有寬帶覆蓋功能的箔層加編織網的組合屏蔽方式：編織屏蔽適用于低頻范圍，而箔層屏蔽適用于高頻范圍。

用電纜的屏蔽層作為信號回流路徑不再是最好的應用方法。問題是它的屏蔽層既傳輸信號的回流，又傳輸外部干擾電流。雖然應用趨膚原理可使電流處于屏蔽層的不同表面，但僅對于實心銅屏蔽層這是有效的，柔性編織屏蔽層并不能很好地分離電流，結果回流電流會發生泄漏，同時干擾電流也滲入進來。為了降低屏蔽電纜的成本，同時又要保證產品具有良好的電磁兼容特性，我們需對每一個信號和其回流采用雙饋送導線方法，最好使用雙絞線，如上面對非屏蔽電纜所討論的結果，采用平衡驅動/接收也是很有效的。

參考文獻

1．