抑制電纜干擾的制勝武器－濾波連接器

1．電纜是系統的最薄弱環節

　　令許多產品開發人員不解的事情是：為什么兩臺獨立進行電磁干擾測試時完全合格的設備通過電纜連接起來后，系統就不在合格了。這是忽略了電纜的輻射作用。實踐表明，按照屏蔽設計規范設計的屏蔽機箱一般很容易達到60-80dB的屏蔽效能，但往往由于電纜處置不當，造成系統產生嚴重的電磁兼容問題。90%的電磁兼容問題是由于電纜造成的。這是因為電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線。

　　電纜產生的輻射尤其嚴重。電纜之所以會輻射電磁波，是因為電纜端口處有共模電壓存在，電纜在這個共模電壓的驅動下，如同一根單極天線，如圖1所示。



圖1 電纜共模輻射模型

　　它產生的電場輻射如下式所示：

E = 12.6 × 10 -7 ( f I L ) ( 1 / r )

　　式中，I是電纜中的共模電流強度，L是電纜的長度，f是共模信號的頻率，r是觀測點到輻射源的距離。要減小電纜的輻射，可以減小高頻共模電流強度，縮短電纜長度。電纜的長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，因為高頻共模電流的輻射效率很高，是造成電纜超標輻射的主要因素。

　　減小電纜上共模高頻電流的一個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問題就是經過濾波后的信號線在機箱內較長，容易再次感應上干擾信號，形成新的共模電流，導致電纜輻射。再次感應的信號有兩個來源，一個是機箱內的電磁波會感應到電纜上，另一個是濾波器前的干擾信號會通過寄生電容直接耦合到電纜端口上。解決這個問題的方法是盡量減小濾波后暴露在機箱內的導線長度。

　　濾波連接器是解決這個問題的理想器件。濾波連接器的每個插針上有一個低通濾波器，能夠將插針上的共模電流濾掉。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入機箱的端口處，因此濾波后的導線不會再感應上干擾信號，如圖3所示。



圖3 濾波連接器能夠防止濾波后的導線再次感應上干擾

　　當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于屏蔽電纜，下面列舉一些濾波連接器的優點：

濾波連接器能夠將電纜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，實際這些干擾電流還在電纜中。因此當主機通過屏蔽電纜與打印機連接時，干擾電流會流進打印機，通過打印機的天線效應輻射。
濾波連接器抑制電纜輻射的效果比屏蔽電纜更穩定。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時間后搭接點的氧化，端接阻抗會增加，造成屏蔽效能下降。
使用濾波連接器后，可以降低對電纜端接的要求，降低生產成本，避免使用價格昂貴的高質量屏蔽電纜，降低成本。
　　濾波連接器中的濾波電路有較簡單的單電容型或單電感電路，也有較復雜的 ? 型，? 型或T型電路。

2．使用濾波連接器的注意事項

2.1　濾波器的接地

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

　　另外，對于含有旁路電容的濾波連接器（大部分都含有），由于信號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上會有較大的干擾電流流過。如果濾波器與地的接觸阻抗較大，會在這個阻抗上產生較大的電壓降，導致較強的輻射。

　　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箱相連，則要注意為濾波器提供一個干凈的濾波地，這個地與線路板上的信號地分開，僅通過一點連接。并且要與機箱保持良好的搭接。

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的信號頻率很高，輕微的濾波也會造成信號失真，因此只好不對這些芯進行濾波。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的芯上安裝濾波器。

　　在使用種濾波器時，要注意它的濾波效果可能很差。因為機箱中的干擾信號會耦合到電纜中的所有導線上，這樣電纜中沒有經過濾波的芯線會將感應的信號帶出機箱，產生共模輻射。另外，當頻率較高時，電纜中導線之間的耦合也非常嚴重，這樣沒有經過濾波的導線上的電流會耦合到經過濾波的導線上，造成嚴重的輻射。

　　所以濾波連接器中的芯都需要濾波。實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，因為現在流行的制造工藝是將電容陣列板安裝在連接器中，這種工藝并不會因少幾個電容而降低成本。如果有些信號由于頻率較高而不允許濾波，則在設計時可以考慮將這些信號連接到單獨的連接器上，然后對這些信號線使用屏蔽性能較好的屏蔽電纜。

2.3　屏蔽機箱

　　我們已經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。所以只有在屏蔽機箱上才有必要使用濾波連接器。

3．試驗結果

　　我們在計算機上分別使用普通連接器和濾波連接器進行輻射發射研究。從這些結果中可以看出，當使用屏蔽機箱時，主要的輻射源是電纜。這時使用濾波連接器可以使輻射發射降低10-30dB。

　　圖4是測試環境的背景，以這個作為參考。圖5是計算機通過普通連接器連接上打印電纜時的寬帶發射。



圖4測試環境背景



圖5主機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，可以認為電纜產生的輻射已經基本消除。剩余的輻射是其它原因造成的，首先一個原因是電源線。要消除這些剩余的干擾，需要更換一個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，除了要選用普通連接器時要考慮的因素外，濾波器的截止頻率是一個重要的參數。當連接器中各芯線上傳輸的信號頻率不同時，要以頻率最高的信號為基準來確定截止頻率。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。因為只要有一根信號線上有頻率較高的共模電流，它就會耦合到連接到同一個連接器上的其它導線上，造成輻射。一般濾波連接器廠商給用戶的參數是濾波器中的電容值，為了知道不同電容值對應的截止頻率，往往還提供一張電容與截止頻率的對照表。

　　對于脈沖信號，我們可以將濾波器的截止頻率選在1/? tr處，tr是脈沖的上升時間。當脈沖的上升時間不知道是，可以用脈沖信號的15次諧波作為濾波器的截止頻率。