静磁屏蔽体的基本原理及其对信号干扰的防护作用

为了保证长距离上稳定的通信质量，很大程度上取决于回路对外来干扰和相互干扰的防卫能力，防止同轴回路及对称回路出现干扰电磁场的基本方法即为屏蔽。

屏蔽即是用金属屏蔽体（通常为铜、铝、钢、铅等金属材料），把主串回路和被串回路隔开，使干扰电磁场减弱。

电缆上的屏蔽体一般是圆柱形，它可以是单层、双层、三层或多层重叠绕包的金属带组成，也有的是由金属丝编织层组成，有时还采用挤压的金属套构成。

根据电缆结构、干扰和被干扰回路情况及敷设条件的情况，电缆的屏蔽形式有以下几种。

径向屏蔽：把缆芯分隔成两半。

组间屏蔽：包围一定线组。

环形屏蔽：把电缆按层分开。

总体屏蔽：把缆芯都置于同一屏蔽体内。

前三种形式一般用于高频对称电缆，第四种形式用于外界强电干扰处，如大综合小同轴电缆、铁道电气化信号电缆。

同轴对的外导体的作用是双重的：一是作为一个导线，另一是作为屏蔽层。所以同轴对的屏蔽主要取决于外导体结构及其电特性。

在选择屏蔽的形式和结构时，应根据屏蔽应能达到的附加串音衰减效果为依据，同轴电缆应在最低频率进行计算，对称电缆应在全部频率范围内进行计算。因为对称电缆的干扰防卫度随频率增高而减少，而屏蔽作用却是随频率的增加而增大，因此在某一频率范围内，总的串音衰减可能出现最小值。从图6-1可以看到，在频率为f₁时，B值最小，回路间有最大的干扰。

图6-1 屏蔽回路的串音衰减

B_u—屏蔽衰减 B₁₂—干扰防卫度

一般通信线路在交流作用时，回路间的干扰主要是由于交变电磁场引起的。干扰源的电磁场穿过被干扰回路后，将在被干扰回路中产生干扰电流，屏蔽体的作用就是限制由于干扰源所形成的电磁场，以此保护通信线路在正常工作时不受相互干扰及外来干扰的影响。

通信电缆的屏蔽体大致分为三种，分别为静电屏蔽体、静磁屏蔽体和电磁屏蔽体。

静电屏蔽体是把电场终止于屏蔽的金属表面上，并通过接地的方法把电荷传送到大地中去。其效果好坏与接地质量有关。一般静电屏蔽体用铜、铝等逆磁材料制成，如图6-2所示。

静磁屏蔽体是用强磁材料把磁场限制于屏蔽体厚度内。由于屏蔽体磁导率很高，磁阻很小，从而干扰源产生的大部分磁通就被限制在屏蔽体内，而只有少部分传入被屏蔽的空间。静磁屏蔽体如图6-3所示。

图6-2 静电屏蔽体

a）屏蔽体与大地不接时，被干扰体b上受到静电感应影响(www.xing528.com)

b）屏蔽体与大地接触时，被干扰导体b上不受静电感应影响

图6-3 静磁屏蔽体

屏蔽体磁导率越大，厚度越大，屏蔽效果越好，但屏蔽体的半径越大，屏蔽的效果越差。静磁屏蔽体一般由铁磁物质组成。静电屏蔽体和静磁屏蔽体只在低频时有效。频率增高后，屏蔽体内涡流作用增大，就会转入电磁屏蔽体的工作状态。

在高频时应用电磁屏蔽体，电磁波在屏蔽体表面上的反射和屏蔽体金属厚度内的高频能量的衰减是电磁屏蔽体作用的基础。

电磁能沿着屏蔽传输的过程，与电磁能沿着通信线路传输的过程相似。屏蔽过程中的屏蔽吸收衰减相当于传输过程中的固有损耗，屏蔽过程中的反射衰减相当于传输过程中波阻抗失配引起的反射衰减。

不同的是，电磁能沿着通信线路传输时，能量的方向是与导线的传输方向一致的。而电磁能在屏蔽体中，能量的方向是与导线的传输方向相垂直，通过介质、屏蔽体、介质的方向辐射出去。

电磁能通过屏蔽体的穿越过程如图6-4所示。

图6-4 电磁能通过屏蔽体的穿越过程

当线路上电磁能达到屏蔽体时，在介质与屏蔽的界面上会有一定的能量反射回来，该部分能量以W₁表示。由于金属与周围介质的界面上的波阻抗不同，因而会产生此种结果。同时，波阻抗越大，反射衰减越大，屏蔽效果也越好。能量在穿越屏蔽体的过程中损耗掉的能量以W₂来表示。屏蔽体内的能量损耗是由于金属内涡流产生的热能损耗造成的，因此，频率越高及屏蔽体越厚，或磁导率越大，涡流损耗增加，屏蔽衰减增大，屏蔽效果也越好，所以强磁屏蔽体的吸收屏蔽效果大于逆磁屏蔽体。但是，由于钢内能量损耗大，对传输效果有负面影响，所以一般不用钢作单层屏蔽体来使用。同样厚度的逆磁性材料的屏蔽效果仅由电导系数决定。按金属电导系数的顺序，钢最好，铝次之，铅较差。

当能量穿过第二个界面即屏蔽体与介质时，又有部分能量反射回来，这部分能量以W₃表示。而剩下的一部分能量穿过屏蔽体进入被屏蔽的空间，已由W衰减为W₃。电磁能穿过屏蔽体及其反射的物理过程是一个多次反复的过程。

由不同金属材料组成的多层屏蔽体，跟单层屏蔽体相比，多层屏蔽体的屏蔽衰减比一层同厚的屏蔽体的屏蔽衰减要大。所以交替放置强磁金属层及抗磁金属所组成的多层混合屏蔽体可能有最好的屏蔽效果。

屏蔽体的作用效果一般用屏蔽系数S来表示。

屏蔽系数在数值上等于有屏蔽层时，被屏蔽空间内某一点的电场强度E_B或磁场强度H_B与没有屏蔽层时该点的电场强度E或磁场强度H的比值：

屏蔽系数的绝对值可以从1一直变到0。数值越小，屏蔽效果越好。

在通信电缆制造过程中，通常屏蔽效果不用绝对值表示，而用干扰电磁场通过屏蔽体后的衰减值A_s来表示，它的单位为奈培（NP）。屏蔽衰减在数值上等于在空间某点的电场强度E或磁场强度H与该点被屏蔽后的电场强度E_B或磁场强度H_B之比的自然对数。

衰减屏蔽值的表达式为