摘    要：斷路器繼電保護裝置中一些端口間的互連需要用到扁平電纜，扁平電纜是數根導線并列在一起傳輸的一組數據線，其中有模擬信號線、數字信號線和地線。由于傳輸的信號各不相同，信號頻率較高，導線距離較長，因此其產生的串擾不容忽視。研究在電纜結構參數確定的情況下，如何布置各數據線的排列順序，以使關鍵信號線不至于受到不可接受的干擾，數字信號線不發生高低電平誤判斷。

關鍵詞：斷路器;電磁兼容;扁平電纜;串擾;

0 引言

智能電器和電子技術的日益發展使得電子產品的工作頻率越來越高，而對其體積要求越來越小，電子元器件的分布不可避免地越來越密集，走線也越來越緊湊，從而對電子產品的電磁兼容性能(EMC)提出了更高的要求。而應用于電力系統中的繼電保護裝置，極易受到來自靜電放電、斷路器操作及大型變壓器等產生的電磁干擾[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

斷路器繼電保護裝置中一些端口間的互連需要用到扁平電纜。扁平電纜是數根導線并列在一起傳輸的一組數據線，其中有模擬信號線、數字信號線和地線。由于傳輸的信號各不相同，信號頻率較高，導線距離較長，因此其產生的串擾不容忽視。本文主要研究在電纜結構參數確定的情況下，如何布置各數據線的排列順序，以使關鍵信號線不至于受到不可接受的干擾，數字信號線不發生高低電平誤判斷。

1 建立HFSS仿真模型

模擬扁平電纜由6根數字信號輸入、6根數字信號輸出、4根模擬信號線和4根地線組成。其結構類似于常見的硬盤數據線，20根線布置成一排，中間用工業塑料作為絕緣介質隔開，線長50 cm, 間距2.5 mm。傳輸的數字信號最高頻率約為30 MHz, 模擬信號數伏。

如圖1所示，在HFSS中建立該扁平電纜的模型，導線介質為銅，絕緣介質為聚乙烯(Polyethylene)。在導線的兩端建立波端口，添加從0～1 GHz的頻率掃描，運算后可畫出各傳輸線的S參數。

圖1 扁平電纜模型 

如圖2所示，最上面一條接近于0的是傳輸線trace1的插入損耗，下面一條是傳輸線trace1的返回損耗，另外兩條表示trace2受到trace1干擾時的近端和遠端串擾的S參數。將S參數仿真結果導出FWS子電路模型到Ansoft Designer/Nexxim中進行串擾仿真。

圖2 鄰近傳輸線trace1和trace2的S參數 

如圖3所示，從HFSS中導入的是一個有40個端口加1個參考地的模型，在Ansoft Designer/Nexxim中給數字信號線加一30 MHz的5 V方波信號源，給模擬信號線加1 V或2 V的直流信號源，地線和其他接收端直接兩端通過50 Ω電阻接地。

圖3 Ansoft Designer/Nexxim中扁平電纜的仿真電路

2 仿真計算

(1)信號30MHz, 4、10、13、18號線接地的情況。

HFSS中的模型從左往右共20根導線的一端對應于Ansoft Designer中的1～20號端口，第一次仿真選擇地引腳間錯布置，即4、10、13、18號線接地，仿真得到的波形圖如圖4所示。從圖4中可以看出5 V方波信號傳輸到導線末端時有一過沖，并有約3 ns的時延，模擬信號和地線受到串擾影響有大約250 mV的改變。

(2)信號300MHz, 4、10、13、18號線接地的情況。

增大信號頻率到300 MHz, 仿真結果如圖5所示。由于數字信號接收端有0.5 ns左右的上升時間限制，接收到的數字信號波形有明顯的失真，模擬信號線和電線的串擾信號增大到350 mV。

觀察以上的仿真結果，發現離數字信號線越近的地線和模擬信號線受到的串擾越大。為驗證此假設，模擬一串擾最嚴重的情況，即將某一條模擬信號線或地線置于數根數字信號線之中，觀察其串擾信號大小。

如圖6所示，在模擬信號線和地線鄰近有多條數字信號線時，模擬信號線和地線都有在30 MHz時最大的250 mV的串擾信號干擾。

圖4 信號30 MHz, 4、10、13、18號線接地時的仿真結果

圖5 信號300 MHz, 4、10、13、18號線接地時的仿真結果 

圖6 模擬信號線和地線鄰近有多條數字信號線時仿真結果 

(3)信號30MHz, 17、18、19、20號線接地的情況。

將模擬信號線和地線都盡量遠離數字信號線，并將17、18、19、20號線接地時進行仿真。如圖7所示，模擬信號線的電壓串擾信號依然約為250 mV,而地線的電壓只有最接近數字信號線的那條地線有100 mV的串擾信號，其他3條都只有微弱的串擾。

圖7 信號30 MHz, 17、18、19、20號線接地時的仿真結果

3 優化設計

由以上的分析可知，最優的設計是將數字信號線和模擬信號線分離，考慮數字信號線從1到12布置、13～16為地線、17～20為模擬信號線的情況，仿真結果如圖8所示。4根地線上的電壓最大串擾為40 mV,為最接近數字信號線的13號地線。模擬信號線因為與數字信號線之間隔了4根地線，所以幾乎無串擾信號。而多根數字信號線在一起相互影響，也有最大為250 mV的串擾信號，但此串擾信號與5 V的方波相比影響并不很大，且數字信號只要不影響其高低電平的判斷，在一定范圍內的變化是可以接受的。

圖8 最優設計時的仿真結果 

4 結果分析

(1)扁平電纜串擾特性。

①相同布線條件下，信號的頻率越高則串擾信號越大。②串擾信號的主要來源是具有較高頻率的數字信號。③對于模擬信號線和地線，其串擾信號主要由最近數字信號線引起，兩邊都有數字信號線時串擾約為250 mV,一邊有數字信號線時串擾約為100 mV。

(2)優化方法。

布線時可將造成串擾的最大影響因素——數字信號線集中在一起，使關鍵信號線遠離這些集中的數字信號線。這里提出一種布線方式：數字信號線從1到12布置，13～16為地線，17～20為模擬信號線，將可能產生的主要串擾都集中在數字信號線上，模擬信號線幾乎沒有串擾信號。

5 結語

本文研究的是數根導線并列在一起傳輸的一組數據線，即實際應用的扁平電纜，其中有模擬信號線、數字信號線和地線，由于模擬和數字信號并存，信號頻率高，導線長度較長，因而存在比較明顯的串擾問題。

首先，用HFSS建立了扁平電纜的仿真模型，將S參數仿真結果導出FWS子電路模型到Ansoft Designer/Nexxim中進行串擾仿真，得到了各傳輸線的電壓波形，并對其進行了分析。

其次，根據仿真要求改變了各數據線的排列方式，仿真了不同信號頻率和不同信號線布置情況下的串擾情況，并逐步分析，明確得出了扁平電纜的串擾特性。

最后，根據對仿真結果的分析，在利用扁平電纜串擾特性的情況下，盡量避免產生較大串擾，通過合理設計，提出了最優方案，使得串擾信號降低到最小的程度，對工程實際應用具有指導意義。

參考文獻

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文章來源：電工技術