EMC测试案例分析——屏蔽电缆的 “Pigtail”对辐射发射的影响

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该文章主要观点来自于郑军奇老师的作品《emc电磁兼容设计与测试案例分析》，欢迎购买老师的作品进行反复拜读。



本文主要简要讲述屏蔽电缆的 “Pigtail”对辐射发射的影响分析以及相关应对措施。
本案例主要涉及接地问题，这个问题在其它的案例分析中也有讲述，如《产品中电缆、连接器、接口电路、PCB互联对EMC的影响概述（一）——线缆》，大家可以翻看前面的一些案例分析。


Part 1



现象描述:
某工业控制产品, 其信号输出端口使用屏蔽电缆, 对该产品进行辐射发射测试时发现, 辐射虽然在CLASS B限值线下但是裕量不足。
其未通过的测试频谱图如下图所示：





考虑到测试的不确定度, 需要对产品做一些优化改进, 使测试结果离限值线有大于6dB的裕量?
经过初步定位, 去掉信号输出电缆后辐射很低, 满足CLASSB要求, 并有6dB以上的裕量?



那本案例中，为什么会辐射发射超标呢？下面我们详细分析。



Part 2

   
原因分析：
一般的辐射发射问题，大多是从线缆上辐射出去的，上面的测试也在好验证了这点。
从前面的测试结果可知, 辐射较高的频点集中在150~230MHz（波长为1.3-2m）之间。
又由于该产品的尺寸较小, 只有电缆的长度与较高辐射频点的波长可以比拟。
因此该产品辐射较高肯定与电缆有关?
从EMI的角度理解, 电缆中增加屏蔽层, 相当于给电缆内导体产生共模电流时提供了 一条回流路径。
使得内导体的共模电流与屏蔽层回流产生的磁场方向相反, 大小相等, 相互抵消, 从而降低辐射发射?
本案例中屏蔽电缆的连接方式, 如下图所示：



由图中可知, 该产品使用屏蔽电缆, 但是电缆的屏蔽层在接近产品信号端口的地方拧成 “Pigtail” (猪尾巴) 状, 长约 8cm?
下图可以解释 “Pigtail” 产生EMC问题的原理及其对产品带来的影响?



由上图可得，“Pigtail” 的存在等效成一个共模电压ΔU, 并且ΔU驱动着与 “Pigtail” 直接相连的信号线屏蔽层, 从而形成辐射?
要解释 “Pigtail” 的原理, 可以从转移阻抗的概念来解释?
转移阻抗为在屏蔽电缆上注入射频电流时, 中心导体上的电压与这个电流的比值?
对于给定的频率, 较低的ZT , 意味着当在屏蔽电缆上注入射频电流时, 中心导体上只会产生较低的电压, 即对外界干扰具有较好的屏蔽效果（EMS）。
同样也说明中心导体上有电压时, 屏蔽电缆上感应的电流也会较小, 即对中心导体产生的骚扰具有较高的屏蔽效果（EMI）?
如果一屏蔽电缆的ZT 在整个频率段上值仅为数毫欧, 那 么这根电缆的屏蔽效果是比较好的?
同时, 具有较低的转移阻抗的屏蔽电缆也意味着具有较好的屏蔽外接干扰的能力和屏蔽本身辐射发射的能力。
然而 “Pigtail” 的存在, 相当于在屏蔽层上串联了一个数十nH的电感。
它能够在接口的电缆屏蔽层上因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压?
从前面的图中可以看出，随着频率的增大, “Pigtail” 连接的等效转移阻抗也将迅速增大, 这样会使屏蔽电缆全然失去屏蔽效果?
从图中还可以看出， 同一频率下，“Pigtail” 越长，阻抗越大（主要是等效电感变大）。
ZL=2πfL
上图表示有 “Pigtail” 的屏蔽电缆形成辐射的原理, “Pigtail” 的存在造成了较大的阻抗, 形成了一个较大的压降UPigtail , 该压降成为辐射的驱动, 屏蔽层变成了天线?


Part 3


处理措施：
根据以上分析结果, 要解决此问题,只需要将“Pigtail”，将 “Pigtail” 缩短为1cm后, 测试结果如下图所示，测试通过。




Part 4


思考与启示：
由以上分析过程我们可以得到以下启示和结论：
1. 屏蔽电缆的屏蔽层一定要360°搭接处理?



2. 如果从风险的概念来评估, 据经验：
30MHz以上的频率下, 屏蔽层电缆具有零长度的 “Pigtail”, 则没有风险
1cm长度的 “Pigtail” 存在30%风险
3cm长度的 “Pigtail” 存在50%风险
5cm长度的 “Pigtail” 存在70%风险?
3. 所有电缆受其寄生电阻? 电容? 电感影响? 先看下面几个简单的例子? 可以帮助读者有个感性的认识:
直径1mm的导线, 在160MHz时, 其电阻是直流状态时的50倍还要多, 这是趋肤效应的结果。
迫使67%的电流在该频率处流动于导体最外层5μm厚度范围内?
长度为25mm, 直径为1mm的导线具有约1pF的寄生电容?
这听起来似乎微不足道, 但在176MHz 时呈现大约1kΩ的负载作用?
若这根25mm长的导线在自由空间中, 由理想的峰-峰电压为5V? 频率为16MHz的方波信号驱动。
则在16MHz的11次谐波处, 仅驱动这根导线就有0.45mA的共模电流, 这是一个导致辐射发射失败的危险电流?
连接器中的引脚长度约为10mm, 直径为1mm, 这根导体具有约10nH的自感?
这听起来也是微不足道的, 但当通过它向母板总线传输16MHz的方波信号时, 若驱动电流为40mA, 则连接器件上的电压跌落约40mV, 足以引起严重的信号完整性和或 EMC 方面的问题?
1m长的导线具有约1μH的电感, 把它用于设备接地, 便会影响浪涌保护器和滤波器的效果?
滤波器的100mm长的地线的自感可达100nH, 当频率超过5MHz 时, 会导致滤波器失效?
经验数据: 对于直径在2mm以下的导线, 其寄生电容和电感分别是: 1pF/英寸和 1nH/毫米 ? 其简单的阻抗计算关系式为：




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