電纜分布電容對航天器低頻交流信號傳輸?shù)挠绊懛治?/h1>
2012-11-28 02:22陳曉光
航天器環(huán)境工程 2012年5期
丁 凱，陳曉光，溫 源
（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）
0 引言
在航天器低頻信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計中，為了抑制信號的共模干擾，常使用雙絞線；有時為了避免電磁干擾，還采用屏蔽電纜。航天器中較為常見的低頻信號除了包括常用的指令脈沖、數(shù)字通信信號、圖像信號等直流信號外，還包括話音附載波信號等正弦波調(diào)制信號。前者對導(dǎo)線的分布電容不敏感，因此對電纜的連接方式?jīng)]有特殊要求；而后者在航天器中較為常見的都是高頻信號（頻率通常在1 MHz以上），一般選用高頻同軸電纜傳輸信號。對于頻率較低（低于1 MHz）的正弦波調(diào)制信號，在一般的電纜選用規(guī)范中沒有專門的選用標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，通常使用非同軸電纜進(jìn)行傳輸；但由于該類信號對電纜的分布電容較為敏感[4]，在選用電纜時，應(yīng)注意電纜的雙絞及屏蔽方式。
本文針對載人航天器中話音附載波等低頻正弦波調(diào)制信號的特點，分析了分布電容對交流信號傳輸?shù)挠绊?，并提出了一種使用雙絞線傳輸交流信號的方法。
1 電纜間耦合電容模型
由于交流信號能夠通過電容傳輸，電纜間的分布電容對信號會造成較大的干擾。本節(jié)先介紹2種耦合電容模型[5]，在后續(xù)章節(jié)中，將根據(jù)這2種模型進(jìn)行信號傳輸影響分析。
1.1 平行電纜間的耦合電容模型
圖1所示的電路中，U0為交流信號源，R1為負(fù)載電阻，C1為2根導(dǎo)線之間的耦合電容。
圖1 存在分布電容的電路模型Fig. 1 Circuit model with distributed capacitance
設(shè)2根導(dǎo)線間距離為D1，導(dǎo)線直徑為d，電纜長度為L，2根平行導(dǎo)線之間每米的分布電容值按照
進(jìn)行計算，其中，ε0＝8.85×10-12F·m-1，為真空介電常數(shù)。
由于交流信號源的峰-峰值電壓大小恒定，信號源電阻R0和負(fù)載電阻R1恒定，則負(fù)載端電壓U1的大小取決于耦合電容的大小。耦合電容越大，其交流對地阻抗1/(jωC1)就越小，U1的值也就越小。
1.2 同軸電纜間的耦合電容模型
設(shè)同軸電纜的外導(dǎo)體直徑為D2，內(nèi)導(dǎo)體直徑為d，電纜長度為L，電纜絕緣層的介電常數(shù)為εr，則同軸電纜的分布電容C2可按照
進(jìn)行計算。
2 電纜耦合電容對信號傳輸?shù)挠绊懛治?/h2>
在工程應(yīng)用中，常使用雙絞線、雙絞屏蔽線來傳輸交流信號。使用屏蔽線時，分屏蔽皮接地與不接地2種情況?，F(xiàn)分別對幾種不同模式下電纜分布電容對信號的影響進(jìn)行分析。
2.1 模式1——信號線與地線雙絞，屏蔽皮接地
這種模式是航天器中傳輸?shù)皖l信號最為常用的方式，但該方式對交流信號的衰減最為嚴(yán)重。在這種模式下，信號線與地線可等效為平行線，存在分布電容 C1；同時信號線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在分布電容C2。等效電路如圖2所示。
圖2 模式1的信號傳輸模型Fig. 2 Circuit model of case 1
在模式1下，由于分布電容C1、C2與負(fù)載電阻為并聯(lián)關(guān)系，使負(fù)載總阻抗Z減小，從而降低了信號到達(dá)負(fù)載端的電壓值，即信號衰減最嚴(yán)重。
2.2 模式2——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮接地
在這種模式下，信號線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在耦合電容 C2。由于負(fù)載電阻并聯(lián)了電容C2，使負(fù)載總阻抗減小，降低了負(fù)載端的電壓值；但由于沒有信號線與地線之間的雙絞，不存在分布電容 C1，負(fù)載總阻抗大于模式 1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式2的信號衰減小于模式1。
2.3 模式3——信號線與地線雙絞，不使用屏蔽線
在這種模式下，信號線與地線之間成為平行線，存在耦合電容 C1，使負(fù)載總阻抗 Z小于負(fù)載電阻R1，降低了負(fù)載端的電壓值。但由于沒有屏蔽皮，不存在信號線與屏蔽皮之間的分布電容C2，負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式3的信號衰減小于模式1。
2.4 模式4——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，不使用屏蔽線
這種模式類似于模式3，均沒有分布電容C2，因此負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗，電纜對信號的衰減小于模式1。由于信號線與地線沒有雙絞，信號線與地線之間的距離較模式 1中的距離大，分布電容C1的值遠(yuǎn)小于模式1中分布電容C1的值。即模式4下分布電容對信號的衰減遠(yuǎn)小于模式1。
2.5 模式5——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮不接地，信號線屏蔽皮與地線屏蔽皮隔離
在這種模式下，由于屏蔽皮不接地，不存在信號線與屏蔽皮的分布電容 C2。同時由于屏蔽皮的存在，信號線和地線間的分布電容 C1被分離為C21、C22和C3這3個電容的串聯(lián)，如圖3所示。其中 C21是屏蔽皮與信號線間的耦合電容，C22是屏蔽皮與地線間的耦合電容，C3是信號線屏蔽皮和地線屏蔽皮間的耦合電容。這 3個電容串聯(lián)使C1電容要小于模式4中的分布電容C1，即模式5的連接方式對信號的衰減最小，使負(fù)載端電壓 U1達(dá)到最大。
圖3 模式5的信號傳輸模型Fig. 3 Circuit model of case 5
3 試驗驗證
為了通過試驗驗證上述 5種電纜連接方式對信號的影響，本文選用55/1822號電纜進(jìn)行計算和試驗驗證。從廠家資料中可以知道，d＝0.44 mm，D1＝1.4 mm， D2＝2.2 mm，εr＝2.7×8.85×10-12F·m-1。試驗中選取L＝8.1 m，U0＝2.83 V（峰-峰值），R0＝510 ?，R1＝51 k?，選取信號頻率為384 kHz，即ε＝2π×384 kHz。
模式1信號傳輸模型如圖2所示，根據(jù)公式(1)、公式(2)計算得到 C1＝3.23×10-10F，C2＝7.6×10-10F，Z1＝1/(ωC1)=1 280 ?，Z2=1/(ωC2)＝243 ?，總阻抗Z＝204 ?。由于 U0＝2.83 V（峰-峰值），且 R0＝510 ?，所以 U1＝2.83×204/(204+510)＝0.81 V。實測電纜輸出端信號峰-峰值電壓為 0.817 V，與計算值基本一致，可見負(fù)載電壓U1已被嚴(yán)重衰減。
模式 2測得電纜輸出端信號峰-峰值電壓為0.89 V，雖然高于模式1中電纜的輸出端峰-峰值電壓，但遠(yuǎn)小于信號源峰-峰值電壓，信號衰減量仍較大。
模式 3測得電纜輸出端信號峰-峰值電壓為1.23 V，信號衰減量較模式2有所減小。
模式4信號傳輸模型如圖1所示，2根導(dǎo)線間的距離增大為 D1＝3 mm。根據(jù)公式(1)計算得到C1＝8.6×10-11F，Z1＝1/(ωC1)=4.8 k?，總阻抗 Z 約為 4.8 k?，U1＝2.83×4 800/(4 800+510)＝2.6 V(rms)。實測電纜輸出端信號峰-峰值電壓為2.63 V，信號衰減量已得到極大減小。
模式 5和模式 4對信號衰減量的改善基本一致，但模式5使用了屏蔽電纜，增加了電纜的重量及成本。如果實際應(yīng)用中對信號強度要求不是很嚴(yán)格，采用模式4的連接方式同樣可獲得較好的傳輸效果。
4 結(jié)束語
本文討論了 5種使用雙絞線傳輸?shù)皖l交流信號的方式，其中采用信號線與信號線雙絞、地線與地線雙絞的方式傳輸交流信號，能夠有效減小電纜耦合電容對信號強度的衰減。如果應(yīng)用中對信號強度要求嚴(yán)格，同時允許增加電纜重量時，可以選用屏蔽線，并采用信號線的屏蔽皮與地線的屏蔽皮相互隔離且不接地的連接方式。若對信號強度要求不嚴(yán)格，可采用非屏蔽電纜，在保證良好的傳輸效果的同時，可有效降低電纜重量和成本。
（References）
[1]中國航天科技集團(tuán)公司. QJ 1312—87 衛(wèi)星布線設(shè)計制造及驗收技術(shù)條件[S], 1987-09-24
[2]中國航天科技集團(tuán)公司. QJ 2176—91 航天器布線設(shè)計和試驗通用技術(shù)條件[S], 1991-02-01
[3]中國空間技術(shù)研究院. Q/W 1236—2010 航天器布線束設(shè)計、制造及驗收技術(shù)要求[S], 2010-01-27
[4]杜建華, 王長水. 控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 28(9):120-122 Du Jianhua, Wang Changshui. Effect analysis and processing of the distributed capacitance for control cable on control loop[J]. Techniques of Automation and Applications, 2010, 28(9): 120-122
[5]何宏. 電磁兼容原理與技術(shù)[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008
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0 引言
在航天器低頻信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計中，為了抑制信號的共模干擾，常使用雙絞線；有時為了避免電磁干擾，還采用屏蔽電纜。航天器中較為常見的低頻信號除了包括常用的指令脈沖、數(shù)字通信信號、圖像信號等直流信號外，還包括話音附載波信號等正弦波調(diào)制信號。前者對導(dǎo)線的分布電容不敏感，因此對電纜的連接方式?jīng)]有特殊要求；而后者在航天器中較為常見的都是高頻信號（頻率通常在1 MHz以上），一般選用高頻同軸電纜傳輸信號。對于頻率較低（低于1 MHz）的正弦波調(diào)制信號，在一般的電纜選用規(guī)范中沒有專門的選用標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，通常使用非同軸電纜進(jìn)行傳輸；但由于該類信號對電纜的分布電容較為敏感[4]，在選用電纜時，應(yīng)注意電纜的雙絞及屏蔽方式。
本文針對載人航天器中話音附載波等低頻正弦波調(diào)制信號的特點，分析了分布電容對交流信號傳輸?shù)挠绊?，并提出了一種使用雙絞線傳輸交流信號的方法。
1 電纜間耦合電容模型
由于交流信號能夠通過電容傳輸，電纜間的分布電容對信號會造成較大的干擾。本節(jié)先介紹2種耦合電容模型[5]，在后續(xù)章節(jié)中，將根據(jù)這2種模型進(jìn)行信號傳輸影響分析。
1.1 平行電纜間的耦合電容模型
圖1所示的電路中，U0為交流信號源，R1為負(fù)載電阻，C1為2根導(dǎo)線之間的耦合電容。
圖1 存在分布電容的電路模型Fig. 1 Circuit model with distributed capacitance
設(shè)2根導(dǎo)線間距離為D1，導(dǎo)線直徑為d，電纜長度為L，2根平行導(dǎo)線之間每米的分布電容值按照
進(jìn)行計算，其中，ε0＝8.85×10-12F·m-1，為真空介電常數(shù)。
由于交流信號源的峰-峰值電壓大小恒定，信號源電阻R0和負(fù)載電阻R1恒定，則負(fù)載端電壓U1的大小取決于耦合電容的大小。耦合電容越大，其交流對地阻抗1/(jωC1)就越小，U1的值也就越小。
1.2 同軸電纜間的耦合電容模型
設(shè)同軸電纜的外導(dǎo)體直徑為D2，內(nèi)導(dǎo)體直徑為d，電纜長度為L，電纜絕緣層的介電常數(shù)為εr，則同軸電纜的分布電容C2可按照
進(jìn)行計算。
2 電纜耦合電容對信號傳輸?shù)挠绊懛治?/h2>
在工程應(yīng)用中，常使用雙絞線、雙絞屏蔽線來傳輸交流信號。使用屏蔽線時，分屏蔽皮接地與不接地2種情況?，F(xiàn)分別對幾種不同模式下電纜分布電容對信號的影響進(jìn)行分析。
2.1 模式1——信號線與地線雙絞，屏蔽皮接地
這種模式是航天器中傳輸?shù)皖l信號最為常用的方式，但該方式對交流信號的衰減最為嚴(yán)重。在這種模式下，信號線與地線可等效為平行線，存在分布電容 C1；同時信號線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在分布電容C2。等效電路如圖2所示。
圖2 模式1的信號傳輸模型Fig. 2 Circuit model of case 1
在模式1下，由于分布電容C1、C2與負(fù)載電阻為并聯(lián)關(guān)系，使負(fù)載總阻抗Z減小，從而降低了信號到達(dá)負(fù)載端的電壓值，即信號衰減最嚴(yán)重。
2.2 模式2——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮接地
在這種模式下，信號線與屏蔽皮近似為同軸電纜，存在耦合電容 C2。由于負(fù)載電阻并聯(lián)了電容C2，使負(fù)載總阻抗減小，降低了負(fù)載端的電壓值；但由于沒有信號線與地線之間的雙絞，不存在分布電容 C1，負(fù)載總阻抗大于模式 1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式2的信號衰減小于模式1。
2.3 模式3——信號線與地線雙絞，不使用屏蔽線
在這種模式下，信號線與地線之間成為平行線，存在耦合電容 C1，使負(fù)載總阻抗 Z小于負(fù)載電阻R1，降低了負(fù)載端的電壓值。但由于沒有屏蔽皮，不存在信號線與屏蔽皮之間的分布電容C2，負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗。因此負(fù)載端電壓U1大于模式1中的負(fù)載端電壓，即模式3的信號衰減小于模式1。
2.4 模式4——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，不使用屏蔽線
這種模式類似于模式3，均沒有分布電容C2，因此負(fù)載總阻抗大于模式1的負(fù)載總阻抗，電纜對信號的衰減小于模式1。由于信號線與地線沒有雙絞，信號線與地線之間的距離較模式 1中的距離大，分布電容C1的值遠(yuǎn)小于模式1中分布電容C1的值。即模式4下分布電容對信號的衰減遠(yuǎn)小于模式1。
2.5 模式5——信號線與信號線雙絞，地線與地線雙絞，屏蔽皮不接地，信號線屏蔽皮與地線屏蔽皮隔離
在這種模式下，由于屏蔽皮不接地，不存在信號線與屏蔽皮的分布電容 C2。同時由于屏蔽皮的存在，信號線和地線間的分布電容 C1被分離為C21、C22和C3這3個電容的串聯(lián)，如圖3所示。其中 C21是屏蔽皮與信號線間的耦合電容，C22是屏蔽皮與地線間的耦合電容，C3是信號線屏蔽皮和地線屏蔽皮間的耦合電容。這 3個電容串聯(lián)使C1電容要小于模式4中的分布電容C1，即模式5的連接方式對信號的衰減最小，使負(fù)載端電壓 U1達(dá)到最大。
圖3 模式5的信號傳輸模型Fig. 3 Circuit model of case 5
3 試驗驗證
為了通過試驗驗證上述 5種電纜連接方式對信號的影響，本文選用55/1822號電纜進(jìn)行計算和試驗驗證。從廠家資料中可以知道，d＝0.44 mm，D1＝1.4 mm， D2＝2.2 mm，εr＝2.7×8.85×10-12F·m-1。試驗中選取L＝8.1 m，U0＝2.83 V（峰-峰值），R0＝510 ?，R1＝51 k?，選取信號頻率為384 kHz，即ε＝2π×384 kHz。
模式1信號傳輸模型如圖2所示，根據(jù)公式(1)、公式(2)計算得到 C1＝3.23×10-10F，C2＝7.6×10-10F，Z1＝1/(ωC1)=1 280 ?，Z2=1/(ωC2)＝243 ?，總阻抗Z＝204 ?。由于 U0＝2.83 V（峰-峰值），且 R0＝510 ?，所以 U1＝2.83×204/(204+510)＝0.81 V。實測電纜輸出端信號峰-峰值電壓為 0.817 V，與計算值基本一致，可見負(fù)載電壓U1已被嚴(yán)重衰減。
模式 2測得電纜輸出端信號峰-峰值電壓為0.89 V，雖然高于模式1中電纜的輸出端峰-峰值電壓，但遠(yuǎn)小于信號源峰-峰值電壓，信號衰減量仍較大。
模式 3測得電纜輸出端信號峰-峰值電壓為1.23 V，信號衰減量較模式2有所減小。
模式4信號傳輸模型如圖1所示，2根導(dǎo)線間的距離增大為 D1＝3 mm。根據(jù)公式(1)計算得到C1＝8.6×10-11F，Z1＝1/(ωC1)=4.8 k?，總阻抗 Z 約為 4.8 k?，U1＝2.83×4 800/(4 800+510)＝2.6 V(rms)。實測電纜輸出端信號峰-峰值電壓為2.63 V，信號衰減量已得到極大減小。
模式 5和模式 4對信號衰減量的改善基本一致，但模式5使用了屏蔽電纜，增加了電纜的重量及成本。如果實際應(yīng)用中對信號強度要求不是很嚴(yán)格，采用模式4的連接方式同樣可獲得較好的傳輸效果。
4 結(jié)束語
本文討論了 5種使用雙絞線傳輸?shù)皖l交流信號的方式，其中采用信號線與信號線雙絞、地線與地線雙絞的方式傳輸交流信號，能夠有效減小電纜耦合電容對信號強度的衰減。如果應(yīng)用中對信號強度要求嚴(yán)格，同時允許增加電纜重量時，可以選用屏蔽線，并采用信號線的屏蔽皮與地線的屏蔽皮相互隔離且不接地的連接方式。若對信號強度要求不嚴(yán)格，可采用非屏蔽電纜，在保證良好的傳輸效果的同時，可有效降低電纜重量和成本。
（References）
[1]中國航天科技集團(tuán)公司. QJ 1312—87 衛(wèi)星布線設(shè)計制造及驗收技術(shù)條件[S], 1987-09-24
[2]中國航天科技集團(tuán)公司. QJ 2176—91 航天器布線設(shè)計和試驗通用技術(shù)條件[S], 1991-02-01
[3]中國空間技術(shù)研究院. Q/W 1236—2010 航天器布線束設(shè)計、制造及驗收技術(shù)要求[S], 2010-01-27
[4]杜建華, 王長水. 控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 28(9):120-122 Du Jianhua, Wang Changshui. Effect analysis and processing of the distributed capacitance for control cable on control loop[J]. Techniques of Automation and Applications, 2010, 28(9): 120-122
[5]何宏. 電磁兼容原理與技術(shù)[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008
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