电缆对低频磁场的抑制

低频磁场干扰在实际中是很常见的，例如电源线的附近、马达或变压器的附近等。当电缆穿过这种磁场时，电缆所连接的电路中就会产生干扰。这种干扰是由于导体回路面积所包围的磁通量发生变化所致。根据电磁感应定律，导体上感应的电压幅度与它所包围的磁通变化率成正比。如果回路面积所含的磁通量为j，则：VN=(dj/dt)

如果假设回路面积A中所包围的磁场是均匀的，也即，回路中各点的磁通密度B是相等的，则j=AB，则：VN=A(dB/dt)

如果磁场按正弦规律变化，且表示成：B=B0e-jwt则：VN=jwAB

从公式中，可以看出，感应电压与磁场的频率、磁通密度、回路面积等成正比。由于外界干扰场的频率是不受控的，因此为了减小感应电压，应尽量减小回路中所包围的磁通密度和回路的面积。减小磁通密度只能通过增加电缆与磁场辐射源之间的距离来实现。减小回路面积可以通过使用适当的电缆和接地方式来实现。克服磁场的干扰有效方法是减小回路的面积，也就是使信号线与其回线尽量靠近。双绞线和同轴线在减小磁场干扰方面有很好的效果。双绞线：双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。但是，如果电路的两端接地，则不再具有上述特征。因为这时每根导线与地平面之间构成了一个面积很大的回路，在这个回路中会产生感应电流。由于两根导线是不平衡的，因此会产生差模电压。同轴电缆：当同轴电缆适当连接时，对磁场干扰的抑制效果是十分理想的。因为同轴电缆上信号电流与回流可以等效为在几何上重合，其面积为0。为了保持同轴电缆的这个特性，在电缆的两端，非同轴部分，要保持面积尽量小。即屏蔽层的联线尽量短。实际的同轴电缆，由于芯线与外层不一定是完全同心，因此会有一定的等效面积，影响其抑制效果。与双绞线的情况相似，同轴线的两端也不能接地，否则在芯线与大地的回路中和外层与大地的回路中都会产生电流，由于电路非平衡性，会产生差模噪声。由于天线的对称原理，上述结构的电缆如果接收效率低，则它们的辐射效率也低，因此，双绞线电缆和同轴电缆的辐射也较小。利用这个特点，可以减小电缆的磁场辐射。屏蔽电缆的效果与屏蔽层和电路的接地密切相关。特别是当外界干扰为磁场时，不同的连接方法效果大不相同。这组数据是在磁场中针对不同的接地结构试验获得的：

结构A：　在信号线上套一个非磁性材料的屏蔽套，并且单点接地。对于磁场而言，当非磁性材料的屏蔽层单点接地时，信号回路中的磁场没有变化，因此磁场感应是相同的，即这种结构没有屏蔽效果。这种情况屏蔽效果定义为0dB，作为参考点。

结构B：

将A中的屏蔽层两端接地。这时就能够提供一定的屏蔽效能了。因为由屏蔽层与地平面构成的环路中也感应了电流，这个电流产生了一个与原磁场相反的磁场，使信号回路中的磁场减弱，感应噪声减小。

结构C：

双绞线本应提供较好的屏蔽效果(由于相邻绞节中感应的电流方向相反，相互抵消)，但由于电路两端接地，实际的感应回路并不小，因此效果较差。

结构D：

在双绞线上加了一个单端接地的屏蔽层，由于单端接地的屏蔽层对磁场没有屏蔽效果，因此并没有改善双绞线的屏蔽效能。

结构E：

将屏蔽层两端接地后，同B一样，屏蔽层中的电流产生的反磁场削弱了原磁场，屏蔽效能有所提高。说明：结构C是一种常见的错误，在实践中要避免。

结构F：

电路只在单点接地，利用电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同轴电缆回路面积为0，不会感应上任何噪声电压。实际同轴电缆的屏蔽效果取决于芯线与外层轴心的偏差。

结构G：

双绞线由于具有很小的感应回路，并且相邻绞节中的感应电流对消，因此表现出较高的磁场屏蔽效果。实际的抑制效果比55更高，因为这里有些电场感应了进来。这从结构H可以看出。在结构H中，单端接地的屏蔽层抑制了电场感应，是屏蔽效果提高到70。

结构H：

在G的基础上增加一个单端接地的屏蔽层，消除了(实验装置产生的附加)电场的影响。这里的屏蔽效果没有F高，是因为双绞线的回路面积没有同轴电缆的小。增加绞节密度可以进一步提高抑制效果。

结构I：

将H中的屏蔽层两端接地后，导致屏蔽效能下降。这是因为屏蔽层两端接地后，在屏蔽层上产生了感应电流，这个电流在双绞线上感应出电流，由于电路不是平衡的，导致产生差模电压。

结构J：

将H中的屏蔽层非接地的一端接到电路公共端，进一步提高了屏蔽效能，但没有达到F的水平，因为F中的电缆是同轴电缆，具有很小的感应回路。问题：结构H的屏蔽效能比结构G提高了一些，这是因为单端接地的屏蔽层消除了实验装置产生的附加额外的电场，为什么结构D的屏蔽效能没有比结构C的屏蔽效能提高?

平衡电路：

平衡电路中的两个导体及与其连接的所有电路对地或其它导体有相同的阻抗。

平衡电路对电磁场的响应：平衡电路中的两个导体几何尺寸相同，并且靠得很近，因此可以认为是处于同一个场强。由于它们相对于任何参照物体的阻抗都相等，因此它们上面感应的电流是相同的，在导体两端相对于参考点的电压也是相同的。因此两根导体之间的电压为0V。

若这两个导体连接在电路的输入端，为电路提供输入信号电压，由于它们之间没有噪声电压，因此外界电磁场对电路的输入没有影响。理想的平衡电路能够抵抗任何强度的电磁场干扰。

平衡电路性能的评估：平衡电路的平衡程度用共模抑制比来描述。共模抑制比定义为共模电压与它所产生的差模电压之比，常用分贝来表示。

CMRR=20lg(VC/VD)dB

例如，如果电路的共模抑制比为60dB，则1000V的共模电压在电路的输入端只能产生1V的差模电压。该电路的抗雷电等产生的共模干扰的性能很好。

设计良好的电路，其共模抑制比可以达到60-80dB。但在高频时，由于寄生参数的影响，电路的平衡性很难作得很好。所以，平衡电路对高频的共模干扰也没有很好的抑制效果。

注意1：

在使用平衡电路时，不仅要选用平衡电路，而且，在布线时也要保证两根线的对称性，这样才能保证高频的平衡性。

注意2：

双绞线是一种平衡结构双绞线是一种平衡结构，因此在平衡系统中经常使用双绞线。同轴电缆则不是平衡结构，在平衡系统中使用时要注意连接方法。同轴电缆只能做一根导体使用，其外层作为屏蔽层使用。

平衡电路对空间和地线的电磁干扰具有很好的抑制作用，因此在通信电缆上得到广泛的应用。当平衡电路的共模抑制比不能满足要求时，可以用屏蔽、共模扼流圈等方法来进行改善。但屏蔽的方法仅适合于空间电磁场造成共模干扰的场合。共模扼流圈的方法可以适合于任何共模干扰的场合，如地线电位差造成的共模干扰。

屏蔽：将电路的输入电缆屏蔽起来，屏蔽层按照规范进行连接，可以起到屏蔽电磁场的作用，它的抑制效果与电路平衡性对空间电磁场的共模干扰的抑制效果是相加的。例如，屏蔽提供的共模抑制效果是30dB，平衡电路的共模抑制比是60dB，则总的共模抑制效果是90dB。电缆屏蔽层的屏蔽效果在很大程度上决定于屏蔽层的端接方式，端接不好的话(不是360度搭接方式)，高频的屏蔽效能会下降。

共模扼流圈：共模扼流圈的特殊绕制方法决定了它仅对共模电流有抑制作用，而对电路工作所需要的差模电流没有影响。因此，共模扼流圈是解决共模干扰的理想器件。理想的共模扼流圈低频的共模抑制作用小，而随着频率的升高，抑制效果增加。这与平衡电路低频的共模抑制比高，随着频率升高，平衡性变差，共模抑制比降低的特性正好相反，因此具有互补性。所以，在平衡电路中使用了共模扼流圈后，电路在较宽的频率范围内能保持较高的共模抑制比。

说明1：实际共模扼流圈的频率特性与磁芯的材料，线圈的绕法等因素有关，在实际使用时，要根据具体情况进行参数的调整。

说明2：共模扼流圈的特性与许多共模抑制器件的特性都有互补性，例如，隔离变压器，由于初次级之间寄生电容的影响，对于高频共模干扰抑制效果很差，与共模扼流圈一起使用后，就改善了这个缺陷。共模扼流圈的另一个好处是，不需要接地。这为设计提供了很大方便。