抑制电缆干扰的制胜武器－滤波连接器

1．电缆是系统的最薄弱环节

　　令许多产品开发人员不解的事情是：为什么两台独立进行电磁干扰测试时完全合格的设备通过电缆连接起来后，系统就不在合格了。这是忽略了电缆的辐射作用。实践表明，按照屏蔽设计规范设计的屏蔽机箱一般很容易达到60-80dB的屏蔽效能，但往往由于电缆处置不当，造成系统产生严重的电磁兼容问题。90%的电磁兼容问题是由于电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线。

　　电缆产生的辐射尤其严重。电缆之所以会辐射电磁波，是因为电缆端口处有共模电压存在，电缆在这个共模电压的驱动下，如同一根单极天线，如图1所示。



图1 电缆共模辐射模型

　　它产生的电场辐射如下式所示：

E = 12.6 × 10 -7 ( f I L ) ( 1 / r )

　　式中，I是电缆中的共模电流强度，L是电缆的长度，f是共模信号的频率，r是观测点到辐射源的距离。要减小电缆的辐射，可以减小高频共模电流强度，缩短电缆长度。电缆的长度往往不能随意减小，控制电缆共模辐射的最好的方法是减小高频共模电流的幅度，因为高频共模电流的辐射效率很高，是造成电缆超标辐射的主要因素。

　　减小电缆上共模高频电流的一个有效方法是在电缆的端口处使用低通滤波器，滤除电缆上的高频共模电流。传统上都是将滤波器安装在线路板上的电缆端口处，如图2所示。



图2 线路板上的共模低通滤波器

　　滤波器的这种安装方式有一个问题就是经过滤波后的信号线在机箱内较长，容易再次感应上干扰信号，形成新的共模电流，导致电缆辐射。再次感应的信号有两个来源，一个是机箱内的电磁波会感应到电缆上，另一个是滤波器前的干扰信号会通过寄生电容直接耦合到电缆端口上。解决这个问题的方法是尽量减小滤波后暴露在机箱内的导线长度。

　　滤波连接器是解决这个问题的理想器件。滤波连接器的每个插针上有一个低通滤波器，能够将插针上的共模电流滤掉。这些滤波连接器往往在外形和尺寸上与普通连接器相同，可以直接替代普通连接器。由于连接器安装在电缆进入机箱的端口处，因此滤波后的导线不会再感应上干扰信号，如图3所示。



图3 滤波连接器能够防止滤波后的导线再次感应上干扰

　　当然使用屏蔽电缆也能够解决电缆辐射的问题。但使用滤波连接器的方案在许多方面要优于屏蔽电缆，下面列举一些滤波连接器的优点：

滤波连接器能够将电缆中的干扰电流滤除掉，从而彻底消除电缆的辐射因素。而屏蔽电缆仅仅是防止干扰通过电缆辐射，实际这些干扰电流还在电缆中。因此当主机通过屏蔽电缆与打印机连接时，干扰电流会流进打印机，通过打印机的天线效应辐射。
滤波连接器抑制电缆辐射的效果比屏蔽电缆更稳定。屏蔽电缆的效果在很大程度上决定于电缆的端接。由于电缆频繁的拆装或较长时间后搭接点的氧化，端接阻抗会增加，造成屏蔽效能下降。
使用滤波连接器后，可以降低对电缆端接的要求，降低生产成本，避免使用价格昂贵的高质量屏蔽电缆，降低成本。
　　滤波连接器中的滤波电路有较简单的单电容型或单电感电路，也有较复杂的 ? 型，? 型或T型电路。

2．使用滤波连接器的注意事项

2.1　滤波器的接地

　　滤波连接器必须良好接地才能起到预期的滤波作用。对于直接安装在面板上的滤波连接器，似乎只要保证机箱与滤波连接器之间是导电接触就不会有问题，但是在要求较严格的场合（如要满足军标的干扰发射限制要求），还是需要足够的重视。因为许多场合滤波连接器与机箱之间的接触并不是十分充分的，而仅在一些点接触。这样高频的接触阻抗是比较大的。为了避免这一点，往往需要在滤波连接器与机箱面板之间安装电磁密封衬垫。

　　另外，对于含有旁路电容的滤波连接器（大部分都含有），由于信号线中的大部分干扰被旁路到地上，因此在滤波器与地的接触点上会有较大的干扰电流流过。如果滤波器与地的接触阻抗较大，会在这个阻抗上产生较大的电压降，导致较强的辐射。

　　如果滤波连接器安装在线路板上，并且通过线路板上的地线与机箱相连，则要注意为滤波器提供一个干净的滤波地，这个地与线路板上的信号地分开，仅通过一点连接。并且要与机箱保持良好的搭接。

2.2　所有针都要滤波

　　有些厂商提供的滤波连接器可以根据用户的要求提供特殊的滤波连接器，这些连接器的某些插针上没有滤波器。用户之所以要求某些芯上不装滤波器，大致有两种情况，一种是连接器中的某些芯传输的信号频率很高，轻微的滤波也会造成信号失真，因此只好不对这些芯进行滤波。另一种情况是有些用户为了降低成本，要求厂商仅在传输信号的芯上安装滤波器。

　　在使用种滤波器时，要注意它的滤波效果可能很差。因为机箱中的干扰信号会耦合到电缆中的所有导线上，这样电缆中没有经过滤波的芯线会将感应的信号带出机箱，产生共模辐射。另外，当频率较高时，电缆中导线之间的耦合也非常严重，这样没有经过滤波的导线上的电流会耦合到经过滤波的导线上，造成严重的辐射。

　　所以滤波连接器中的芯都需要滤波。实际上如果为了降低成本在某些芯线上不安装滤波器是没有必要的，因为现在流行的制造工艺是将电容阵列板安装在连接器中，这种工艺并不会因少几个电容而降低成本。如果有些信号由于频率较高而不允许滤波，则在设计时可以考虑将这些信号连接到单独的连接器上，然后对这些信号线使用屏蔽性能较好的屏蔽电缆。

2.3　屏蔽机箱

　　我们已经描述了滤波连接器的好处。但要注意，获得这些好处的前提条件是滤波器的输入端与输出端是被隔离开的。因此如果机箱本身不是屏蔽的，则滤波连接器就失去了这些好处。所以只有在屏蔽机箱上才有必要使用滤波连接器。

3．试验结果

　　我们在计算机上分别使用普通连接器和滤波连接器进行辐射发射研究。从这些结果中可以看出，当使用屏蔽机箱时，主要的辐射源是电缆。这时使用滤波连接器可以使辐射发射降低10-30dB。

　　图4是测试环境的背景，以这个作为参考。图5是计算机通过普通连接器连接上打印电缆时的宽带发射。



图4测试环境背景



图5主机通过普通连接器连接打印电缆

　　图6是使用了滤波连接器后的辐射情况，可以看出，辐射已经明显减小。如果将电缆拔下，辐射的情况与图6基本相同。因此，可以认为电缆产生的辐射已经基本消除。剩余的辐射是其它原因造成的，首先一个原因是电源线。要消除这些剩余的干扰，需要更换一个性能更好的电源线滤波器。



图 6 使用滤波连接器后的辐射情况

4．滤波连接器的选用

　　选用滤波器连接器时，除了要选用普通连接器时要考虑的因素外，滤波器的截止频率是一个重要的参数。当连接器中各芯线上传输的信号频率不同时，要以频率最高的信号为基准来确定截止频率。虽然许多厂商可以按照用户的要求在不同的芯上安装不同截止频率的滤波器，但这往往是不必要的。因为只要有一根信号线上有频率较高的共模电流，它就会耦合到连接到同一个连接器上的其它导线上，造成辐射。一般滤波连接器厂商给用户的参数是滤波器中的电容值，为了知道不同电容值对应的截止频率，往往还提供一张电容与截止频率的对照表。

　　对于脉冲信号，我们可以将滤波器的截止频率选在1/? tr处，tr是脉冲的上升时间。当脉冲的上升时间不知道是，可以用脉冲信号的15次谐波作为滤波器的截止频率。