何谓屏蔽?
屏蔽是指在电缆连接中,通过在电缆周围使用导电材料来隔离电磁干扰场,以确保无干扰的数据传输。这种屏蔽既防止外部干扰侵入电缆,又避免因信号外泄而影响车辆内其他电子系统。
为什么需要屏蔽?
在现代车辆中,由于众多驾驶员辅助系统被采用,高带宽的线缆传输路径的使用日益增多。这些系统需要无故障的数据传输,特别是在底盘、制动、转向和驱动器等安全关键领域。为了能够通过铜电缆实现高数据传输速率,不再使用具有两个电压电平的二进制NRZ编码,而是使用具有多电平状态的编码,例如在10GBASE-T1(IEEE 802.3 ch-2020)标准中,通过双绞线电缆实现10 Gbit/s的传输速率时,使用具有4个电压电平的PAM4(脉冲幅度调制)。因此传输速率可以翻倍。如果在最大电压保持不变的情况下增加电平的数量,则各个电平之间的电压差变小。然而这个间距对于区分接收器中的状态很重要。由于电平间距较小,传输路径上的干扰更容易干扰接收器中的电平区分,导致误码率上升。由于车辆内多种系统的线缆经常被捆扎铺设,这进一步增加了干扰发生的概率。有效屏蔽及其正确接线是避免系统功能失效的重要措施。
通过相应屏蔽减少电场的影响和辐射
干扰场可以可根据其频率进行划分。静电和准静电,或低频电场可以通过围绕信号传输芯线,具有良好导电性材料制成的屏蔽编织物来减少。屏蔽编织物根据法拉第笼的原理工作。外部施加的电场导致金属编织物中的电荷发生位移,从而在编织物内部产生与之相反的电场,通过这两个相反场的叠加来抵消外部场。随着电场频率的增加,趋肤效应导致的屏蔽效果也随之增强。趋肤效应是指随着频率升高,电流从电导体中心向表面迁移的现象。场的穿透深度不仅取决于频率,还与电导率有关。由于趋肤效应,高频电场和电磁场也可以通过导电性好的薄金属箔或金属蒸镀膜进行屏蔽。这些屏蔽既可防止信号的意外散布(干扰散布,电磁干扰(EMI)),也能抵御干扰对信号线路的影响(抗扰度,电磁兼容(EMC))。这同样适用于电场、磁场和电磁场。
通过相应屏蔽减少磁场的影响和辐射
最高可达数百千赫兹的低频磁场可以穿透金属屏蔽,并在信号导体中感应出干扰电流。这些场用高渗透性材料进行屏蔽。这种屏蔽的作用是磁场被捆绑在屏蔽材料中,这样磁场就不会穿透到信号导体。然而由于这些高渗透材料非常昂贵,并且可能限制电缆的灵活性,因此低频磁场通过差分信号传输及双绞信号导体得以规避。在差分信号传输中,使用两条电压为额定值一半但正负号相反的芯线,并在接收器中评估这两条芯线之间的电压差。通过将这两条芯线绞合在一起,使得每个回路中感应到的干扰电流的电流方向发生变化,并通过对称绞合得到平均补偿。这种方法主要用于UTP(非屏蔽双绞线)线缆。在高频磁场和电磁场中,导电材料的集肤效应具有衰减作用。此时需区分编织物屏蔽和箔屏蔽。使用金属丝编织物作为屏蔽时,随着频率升高,屏蔽效果会减弱,原因在于表面覆盖不完全。屏蔽编织物存在微小缝隙,部分高频磁场穿过这些缝隙。为了增强屏蔽效果,高品质电缆在屏蔽编织物下设有一层导电箔,用于屏蔽剩余的高频场。
屏蔽与系统参考电位的连接起什么作用?
如果屏蔽端没有正确地连接到系统的参考电位,则带导电良好的屏蔽编织物和金属箔或金属化箔的屏蔽电缆无法提供可靠的保护。如果不连接到系统的参考电位,则补偿电流无法流动,因此屏蔽对干扰场的影响很小。如果屏蔽连接到线缆一侧的参考电位,则仅屏蔽电场。为了屏蔽千赫兹以上的磁场,屏蔽必须在两侧接地,以允许电流流动。在接触区域,屏蔽应与屏蔽插头外壳的所有侧面 (360°) 接触,否则会形成开口,高频干扰场可以通过这些开口穿透并散布信号。
如何掌握屏蔽效果?
需要测量值来比较具有不同屏蔽编织物的电缆的屏蔽效果。此处区分低频和高频测量。在低频范围内确定传输阻抗或耦合电阻。在这种测量中,电流被施加到屏蔽的外部,并测量内导体和屏蔽之间的电压。在高频范围内采用屏蔽衰减。屏蔽衰减可以例如通过三轴测量方法进行确定。屏蔽衰减在此表现为馈入信号与经屏蔽散布出的信号之间的比值。