汽车用线路专家施爱伟：汽车用高频电缆的电磁兼容性分析

汽车用高频电缆的电磁兼容性分析

 

施爱伟

 

 

一、概述

随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛。今天的汽车已经逐步进入了电脑控制的时代。国外专家预测未来3 ~ 5年内汽车上装用的电子装置成本将占汽车整车成本的25%以上，汽车将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车”。 众所周知，汽车电子所工作的环境很恶劣：环境温度范围为－40^oC到125 ^oC或更高；振动和冲击经常发生；有很多噪声源，如刮水器电动机、燃油泵、火花点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇切断，以及某些无线电子设备，如手机、寻呼机和卫星导航系统等。汽车电气的的电磁兼容性变得很重要。

在概念上，电磁兼容性(EMC)包含系统本身对噪声的敏感性以及噪声发射两个部分。噪声可以通过电磁场的方式传播从而产生辐射干扰，也可以通过电气连接线缆的寄生效应传导。如果设计的系统不干扰其它系统，也不受其它系统发射影响，并且不会干扰系统自身，那么所设计的系统就是电磁兼容的。

在美国出售的任何电子设备和系统都必须符合联邦通讯委员会(FCC)制定的EMC标准，而美国主要的汽车制造商也都有自己的一套测试规范来制约其供应商。其它的汽车公司通常也都有各自的要求，如：

SAE J1113(汽车器件电磁敏感性测试程序)给出了汽车器件推荐的测试级别以及测试程序。

SAE J 1338则提供关于整个汽车电磁敏感性如何测试的相关信息。

SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是专用于IC发射测试的两个标准。

欧洲也有自己的标准，欧盟EMC指导规范89/336/EEC于1996年开始生效，从此欧洲汽车工业引入了一个新的EMC指导标准(95/54/EEC)。

1992年我国颁布了第一部规范汽车行业电磁兼容（EMI）试验的国家强制性标准GB14023-92，并于2000年颁布了修正版本GB14023-2000。为了规范汽车电子器零部件的抗干扰性，汽车电子电器零部件抗干扰性方面的标准GB/T17619-1998也及时出台。因此，近年来有关汽车EMT和EMC的试验技术研究便成为业内新的研究热点。

中国汽研中心于2000年立项投资1000余万元人民币建设了电磁兼容试验室，并通过了国家质量技术监督局实验室认可委员会和国家商检局实验室认可委员会的双重认可。最近又有几家汽车的的电磁兼容试验室相继建成，如TUV，标志着我国汽车EMC试验技术和试验研究向更深入、更全面的领域发展。

由于电子元气件几何尺寸不断减小，以及时钟速度的不断增加都会导致器件发射超过500MHz的时钟谐波，因此EMC设计非常重要。检查汽车对于电磁辐射的敏感性，应该确保整个汽车在20到1000MHz的90％带宽范围内参考电平均方根值限制在24V/米的以内，在整个带宽范围以内的均方根值在20V/米以内。在测试过程中要试验驾驶员对方向盘、制动以及引擎速度的直接控制，而且不允许产生可能导致路面上任何其他人混淆的异常，或者驾驶员对汽车直接控制的异常。

电缆及设备会对其他元件产生干扰或被其他干扰源严重干扰，汽车用电线电缆本身为无源器件，自身不产生电磁干扰，但可能会作为噪音的寄生和引导，或成为干扰信号的发射源和接收源。汽车用电线电缆的抗干扰性成为汽车电子电磁兼容的重要组成部分。

二、汽车内电磁场和干扰

汽车内存在大量干扰源，从一般开关电源到微处理器，从高压火花线圈到这车载无线电系统，一般开关电源的工作基频一般在2kHz至500kHz之间。开关电源在其工作频率1000倍的频率处仍具有很强的发射是常见的。这将干扰包括调频广播在内的广播通信。由16MHz时钟微处理器或微控制器产生的发射频谱通常会在200MHz甚至更高的频率超过发射极限值。目前，由于微处理器采用400MHz甚至1GHz以上的时钟频率，因此数字技术必然会对高端频谱产生干扰。之所以会发生以上各种现象，是因为所有导体都是天线。它们把传输的电能转变成电磁场，然后泄漏到广阔的环境中。同时，它们也能把其周围的电磁场转变成传导电信号。因此，导体是信号产生辐射发射的主要原因，也是外来场使信号受到污染的原因（敏感度和抗扰度）。
　　电场（E）由导体上的电压产生，磁场（M）由环路中流动的电流产生。导体上的各种电信号均可产生磁场和电场，因此，所有导体都可将其上的电信号泄漏至外部环境中，同时也将外部场导入信号中。在远大于所关心频率的波长（λ）的1/6处，电场和磁场汇合成包含电场和磁场的完整电磁场（平面波）。例如：对于30MHz，平面波的转折点在1.5m；对于300MHz，平面波的转折点在150m；对于900MHz，平面波的转折点在50m。因此随着频率的增加，仅仅把导体视为电场或磁场的发射和接收器是不够的。 随频率增加的另一个效应是：当波长（λ）与导体的长度比拟时，会发生谐振。这时信号信号几乎可以100%转换成电磁场（或反之）。例如，标准的振子天线仅是一段导线，但当其长度为信号波长的1/4时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器。
　　很明显，在常用的频段内，即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz处，1米长的导体就是很有效的天线，在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。前几年， 汽车中广泛使用的频率都较低，典型的导线不能成为很有效的天线，随频率增加的一个效应是：当波长（λ）与导体的长度比拟时，会发生谐振。这时信号信号几乎可以100%转换成电磁场（或反之）。在常用的频段内，即使很短的导体也能产生发射和抗扰度问题。可以看到，在100MHz处，1米长的导体就是很有效的天线，在1GHz处，100mm的导体就成为很好的天线。

三、屏蔽汽车电线电缆结构性能要求

1.  导体和绝缘结构

和一般高频线缆不同，汽车电线导体必须采用多根绞合结构，以便提高其抗震动能力，但这样对其传导性有一定影响。对于绝缘材料，传统汽车电线是采用PVC，由于PVC 的介电损耗较大，不适应高频传输，所以应采用PE、PP，特别是对特性阻抗有要求的对绞线。近年来，也趋向采用氟塑料。氟塑料具有较高的耐热性、阻燃性、机械强度和耐磨性，特别适合汽车内环境，而且还具有优异的介电性能，介电损耗比通常的PE 还小。

2．汽车电路传输方式

汽车内电气传输方式一般分为不对称传输和对称传输两种，汽车电路多数是单线制回路，采用公共接地网络，信号的传输是不对称的，这是因为汽车上很多信号仍是低频或低速率的，其信号并非很容易引起发射或受到干扰，而且汽车上的布线空间非常紧张，这样的信号在多芯电缆中以单根导线传送可以节省成本，减少空间占用。在传输高速率的信号时，如音频、视频、数据总线，应采用对称回路。对称传输由一对对称的双绞线形成回路。双绞线中的绞合线对在可以靠自身的绞合来抵抗外来干扰及线对之间的串音，而且线路均匀性高，阻抗均匀，容易和设备匹配。当特性阻抗在互联电缆的全长上都保持恒定，且驱动和/或输出阻抗（源端和负载端）与特性阻抗匹配时，就形成了受控阻抗的传输线，这种传输线不会发生谐振。导线的固有电感与电容也不会带来太多问题。，可以有效降低反射衰减和噪音。但在高频情况下或外界干扰较大时仅靠线对绞合已无法达到抗干扰的目的，必须屏蔽才能够抵抗外界干扰。

3.  对称回路电缆传输机理

对称回路主要用于音、视频模拟信号和高频数字信号，如汽车音响、数据总线等，传输信号比较弱、频率比较高。对称回路的传输质量，主要决定线路传输参数Zc——波阻抗（也叫特性阻抗）和α——衰减系数，A——近端串音衰减属于二次参数，而二次参数决定于一次参数和信号频率。一次参数决定于电缆结构。一次参数包括：R——回路电阻，L——电感，C——电容，G——绝缘电导。

线路衰减和串扰都和传输长度成正比，由于汽车内线路传输距离很短，衰减和串扰不是问题，可以只考虑特性阻抗。

Zc =

在传输频率f＞30kHz时，Ωl＞＞R，ωC＞＞G

Zc =

对称回路的电感计算：

当回路通以信号时，则在回路的导电线芯中和回路周围产生磁通Ф，导电线芯内的叫内磁通，导电线芯外的叫外磁通。电感为磁通Ф与引起磁通的电流I之比，所以相应的内外磁通亦有内外电感（L内和L外），总电感为L = L内 + L外。

    L内=Q（x）*10-4（H/km）

            Q（x）是和x = 相关的特定函数。

其中；K为导体内涡流系数。d为导体直径。

K =  = 21.3×10^-3

其中：       μ为磁导率，μ = 4π×10^-7（H/m）

                 σ为电导率，σ =57.2（S m/mm²）

                 f为频率，当频率较大时，x ＞ 10，Q（x）=并趋近于0。

L外是导线外（与回路本身所交链的）磁通与流过被交链导线中电流之比，即L外=Ф/I。回路两导线中，由导线阿电流所产生的磁场强度为H_a =，由导线b中电流所产生的磁场强度为H_b=， H = H_a + H_b =。

    L外 =  =

回路两导线rα=rb=，由于回路中间为非磁性介质，μ=μrμ0=4π*10-7亨/米，则

L外=4ln×10^-7H/m。

   式中：

λ—总的绞合系数；

    α—回路两导线中心间距离（毫米）；

    d —导电线芯直径（毫米）；

    可以看出外电感决定于导电线芯的直径和导电线芯间的距离，内电感决定导电线芯本身的特性（如导线直径、材料的磁导率和电导率）和传输电流的频率，还有他俩也都和绞合的情况有关。

对称回路的电容计算：

回路的电容和一般电容器的电容相似，两根导线相当于两个极板，导线间的绝缘相当于电容器极板间的介质。因此导线上带有的电荷的电量Q与两导线间的电位差U之比，为该回路的电容，即C = 。

孤立二导线间的工作电容。导线a上的电荷Q在距导线a为r点的电场强度

Ea =

导线b上的电荷Q在同一点的电场强度为

Eb =

则该点的总的电场强度为

E= Eα+ Eb =

因此回路间的电位差：

U =  =  =   

回路中两导线rα＝rb＝，则有

Ｕ＝

    则孤立回路的工作电容为：

    Ｃ＝ ＝

    把ε＝ε_rε₀ =  F／m，代入上式可得：

    Ｃ＝ （F／m）

式中：

εr—组合绝缘介质的等效相对介电常数；

    a —— 回路两导线中心间距离（mm）；

    d —— 导体直径（mm）；

可以看出工作电容与导体直径、线间距离和绝缘介质有关。   

特性阻抗可以近似用下列公式求得：

Zc =  = = =

这样看来影响特性阻抗值和工作电容的都是绝缘外径（外径可以看成和导线间距a相等）、导体直径、组合绝缘介质的等效相对介电常数（ε_r）。只要控制好了尺寸和εr的值，也就能控制好了Zc和C；在尺寸不变的情况下，采用不同绝缘材料，Zc和C变化较大，ε_r增大，电容增大，特性阻抗减小，绝缘外径增大，电容减小，特性阻抗增大。

因为特性阻抗是一个比较难于测量的参数，但在材料的相对介电常数不变的情况下，可以通过测量和控制工作电容来估算出特性阻抗。工作电容和特性阻抗成反比。如一些材料如聚烯烃、氟塑料的介电常数非常稳定。所以只要控制好结构尺寸，工作电容和特性阻抗是均匀的，稳定的，而且比值恒定。如聚乙烯的相对介电常数为2.3，测的工作电容为50×10^-12 F/m则 Zc ≈ 100Ω。

一般高频线缆都不采用聚氯乙烯，是因为聚氯乙烯混合物介电常数大，且不稳定，所以工作电容和特性阻抗难于控制。

    以上只是从理想状态中分析特性阻抗。而实际生产控制中，单线导体和外径的均匀性对ZC的波动也是很重要，绞对和成缆的节距及节距的稳定性，对特性阻抗也有很大影响，屏蔽层的松紧度及松紧的均匀性、厚度等也会很大程度的影响特性阻抗。

     一般规定的特性阻抗在100～150Ω之间，偏差在+15Ω是很有它的必要性，是由它与外界阻抗的匹配要求和它本身在各个方面与衰减性能的相反性而决定的。特性阻抗不好，一方面说明自身均匀性不好，同时和终端器件难于匹配，造成摔件增大和和反射干扰。

3.  不对称回路电缆传输机理

不对称回路的渡传输参数非常复杂，且和线路连接方式关系密切，一次参数和二次参数都变化很大，一般无法控制，所以回路间耦合和干扰比较大，一般不适合传输高频和微弱的信号。

四、  屏蔽分析

1. 屏蔽机理

所谓屏蔽就是利用金属材料将干扰源和被干扰线路个开，并借以减弱干扰电磁场的一种方法。按屏蔽的作用原理，电缆的屏蔽分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽。

静电屏蔽的作用是使电场终止于屏蔽的金属表面上，并将电荷送入地，其效果和接地质量有关。

静磁屏蔽的作用是使磁场限制于屏蔽内，它是由强磁材料制成。

静电屏蔽和静磁屏蔽只在低频下有效，频率增高需采用电磁屏蔽。电磁屏蔽的原理由电磁波的反射衰减和屏蔽层内能量损耗造成。既反射屏蔽和吸收屏蔽

屏蔽作用的大小可用屏蔽系数表示。其值等于有屏蔽层时，被屏蔽空间内某一点的电场强度E，或磁场强度H，与没有屏蔽层时的该点的电场强度E或磁场强度H之比。屏蔽系数：

S = =

屏蔽作用的大小还可以以干扰电磁场通过屏蔽层的衰减值来表示，屏蔽衰减：

As = 20 lg  (dB)

屏蔽效果的理论计算是非常复杂的，是个双曲函数，下面是单层屏蔽的简化公式。

对称回路的屏蔽系数可用下式计算：

As ≈ Kt +ln 

不对称回路的屏蔽系数可用下式计算：

As ≈ Kt

其中：

K——屏蔽层金属的涡流系数（1/mm），K = ；

T——屏蔽金属的厚度（mm）；

r_s——屏蔽体半径

对称回路比不对称回路的屏蔽衰减多第二项，是因为对称回路有反射，而不对称回路用地作回路，不存在反射。

从以上公式可以看出，增加金属的磁导率和电导率都可以增强屏蔽效果。以上只是单层屏蔽，下图是不同屏蔽结构的计算机仿真计算曲线。

2. 屏蔽方式

编织网状屏蔽

网状屏蔽在保持良好的柔韧性及抗挠寿命的同时，提供了超群的结构整体性。这些屏蔽对于降低低频干扰是理想的选择，比起箔层屏蔽来说，降低了直流阻抗。网状屏蔽在音频以及射频范围非常有效。通常，网状屏蔽覆盖率越高，屏蔽效果就越好。编织网屏蔽层在多数频率范围内都比箔带要好得多，但当频率超过10MHz时，其性能逐渐变差。
      缠绕屏蔽

是一 种螺旋形屏蔽， 这种屏蔽柔软性好，密度高，屏蔽效果和编织网状屏蔽相当。且节省铜材，端接容易，生产效率高。但结构不如编织网状屏蔽稳定。不适合较大直径的屏蔽。

箔层屏蔽

箔层屏蔽是由聚酯或聚丙烯薄膜上附着一层铝箔形成。这层薄膜给屏蔽提供了机械强度及良好的绝缘性能。箔层屏蔽可100％覆盖电缆。由于它们的体积小，箔层屏蔽可用于多对数电缆的单线对屏蔽以减少相互的串扰。箔层屏蔽重量轻、体积小，比网状屏蔽造价低，在射频范围内通常更加有效。箔层屏蔽比起网状屏蔽的柔韧性更好，但抗挠寿命较短。与箔层屏蔽一起使用的接地线，使端接更加容易，并将静电释放入大地。

箔层屏蔽一般是在护层上粘合一层附着物。粘合的优点在于进行更加快捷、方便及可靠地端接。此外，粘合还能防止屏蔽层下的水分发生扩散。如果电缆护套破损，粘合的屏蔽还能帮助保护电缆绝缘层免受污染。

屏蔽层为螺旋缠绕箔带的电缆在所有频率都不理想，当频率超过1MHz时，其性能逐渐变坏。箔带轴向包裹的屏蔽层比螺旋缠绕箔带要好得多。

组合屏蔽

组合屏蔽包括多层屏蔽。它们能够在整个频谱提供最大的屏蔽效果。箔层/网状屏蔽结合了箔层屏蔽100％的覆盖范围与网状屏蔽的机械强度和低直流阻抗等优点。其他现有的组合屏蔽包括各种箔层/网状/箔层设计、网状/网状或网状/螺旋设计等。在箔带上覆盖一层编织网、双层编织网或三层编织网均比单层编织网好得多，但均在大于100MHz时逐渐变差。

两层或更多层相互隔离开的屏蔽层更好一些，但仅限于大约10MHz以下，在较高频率，屏蔽层之间的谐振将降低其屏蔽效能，因此在某些频率它可能比单层屏蔽更差。

实心铜屏蔽层（比如，半刚性屏蔽层，刚性屏蔽层）比编织网类好得多，其屏蔽效能在高频时不断增加，这不象编织网或箔带，超过某一频率后开始下降。圆形金属导管可用来增强极高频率处的屏蔽特性。
　　“超级屏蔽”电缆采用编织网屏蔽层与(金属或类似的高导磁率材料)包裹层组合起来。其性能与实心铜屏蔽层一样好，甚至更好，而同时还有一定的柔韧性。但其价格昂贵，仅适合于性能比价格更重要的场合（比如航空、军事）。
　　对于不同的干扰场，应选用不同的屏蔽方式。电缆屏蔽必须对整条电缆在360°范围内覆盖。目前，要以较低的成本使电缆屏蔽具有较高的效果越来越困难，除非信号线的干扰很小或不敏感。

3． 屏蔽效果的测试

对于屏蔽效果的测试和评价除了编织密度、覆盖率等外，客观的评价指标主要为屏蔽系数S和屏蔽衰减。

屏蔽效果的测量方法一般采用三同轴法、吸收钳法和GTEM室法等，主要测试仪器为信号发生器、网络分析仪、场强仪、等

下面是其中一个方法：

      取长度约1100 mm的试样，剥除其两端大约25 mm的护套，安装图 – 6所示的装置。接着由信号发生器（Tracking generator）向铜管输入 – 10 dBmW的信号，读取频谱分析仪（Spectral analyzer）的指示值。           这个测试在只有线芯（取除护套、金属箔、接地线的状态）下测得“V₀”和成品下测得“V₁”，把其差作为屏蔽效果。

屏蔽效果（dB）= V₀（dB）– V₁（dB）

（单位：mm）

 

五、结论

汽车的电磁干扰(EMI)主要有低频干扰及高频干扰两种。低频干扰中马达、荧光灯以及电源线、开关电路是通常的电磁干扰源。射频干扰(RFI)是指无线频率干扰，主要是高频干扰。打火线圈、车载无线电、电视转播、测距雷和导航达及其他无线通讯是通常的射频干扰源。

对于抵抗低频干扰，选择编织屏蔽最为有效，因其具有较低的临界电阻；而对于高频干扰,箔层屏蔽最有效,因编织屏蔽依赖于波长的变化，它所产生的缝隙使得高频信号可自由进出导体。而对于高低频混合的干扰场，则要采用具有宽带覆盖功能的箔层加编织网的组合屏蔽方式：编织屏蔽适用于低频范围，而箔层屏蔽适用于高频范围。

用电缆的屏蔽层作为信号回流路径不再是最好的应用方法。问题是它的屏蔽层既传输信号的回流，又传输外部干扰电流。虽然应用趋肤原理可使电流处于屏蔽层的不同表面，但仅对于实心铜屏蔽层这是有效的，柔性编织屏蔽层并不能很好地分离电流，结果回流电流会发生泄漏，同时干扰电流也渗入进来。为了降低屏蔽电缆的成本，同时又要保证产品具有良好的电磁兼容特性，我们需对每一个信号和其回流采用双馈送导线方法，最好使用双绞线，如上面对非屏蔽电缆所讨论的结果，采用平衡驱动/接收也是很有效的。

参考文献

1．