Die beste EMV durch abgeschirmte Kabel bis 2,8 GHz erzielen, Teil 2

In Teil 1 dieses Artikels habe ich Ihnen die Ursprünge meiner Reise zur Bewertung der Schirmungswirksamkeit (SE) von abgeschirmten1 Kabeln mitgeteilt und einige Grundregeln für den Abschluss von Kabelschirmen besprochen. In Teil 2 fasse ich die Tests zusammen, die ich kürzlich zu verschiedenen Ansätzen zur Verbesserung der Abschirmwirkung abgeschirmter Kabel in Hochfrequenzanwendungen durchgeführt habe, sowie die Ergebnisse dieser Tests.

1 Im Kontext dieses Artikels werden die Wörter: gescreent; Schirm oder Schirmung können durch abgeschirmte ersetzt werden; Schild bzw. Abschirmung und umgekehrt, ohne dass sich die Bedeutung ändert.

Hinweis: Alle Umflechtungen dieser Kabel, ob einlagig oder doppellagig, verwendeten denselben Geflechttyp, der an beiden Enden auf die gleiche Weise an den Endgehäusen befestigt war.

Ein einzelnes Übergeflecht allein, um zu überprüfen, ob das Grundrauschen des Tests niedrig genug ist.

Abbildung 4: Die Kabelkonfektionen für die Referenzmessungen und für die einfach geschirmten TP-Kabel mit einzelnen Übergeflechten (d. h. insgesamt zwei Geflechtschirmschichten)

Ein eigenständiges ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (TP) (eigentlich das einfach geflochtene, abgeschirmte TP-Kabel, das zum Zusammenbau der Kabel 3 bis 6 verwendet wird, wobei der äußere Kunststoffmantel und die Abschirmung entfernt wurden).

Die Messergebnisse dieses Kabels wurden als Referenz verwendet und von den Messergebnissen aller anderen Kabeltests (dh Kabel 3 bis 12) abgezogen, um deren relative SE gegenüber der Frequenz zu bestimmen.

Durch eine sorgfältige Kontrolle des gesamten Testaufbaus wurde sichergestellt, dass die HF-Kopplung von der Antenne zum Kabel und die Raumresonanzeffekte bei jedem Test identisch waren, sodass sie sich aufhoben. Die Ergebnisse zeigten, dass wir dabei einigermaßen erfolgreich waren.

Hinweis: Für diese Kabel und die Kabel 6, 10, 11 und 12 unten wurde der gleiche Typ einfach abgeschirmter TP-Kabel verwendet.

Hinweis: Diese vier Kabel sowie die Kabel 3, 4 und 5 oben verwendeten alle denselben Typ von einfach abgeschirmtem TP-Kabel.

Abbildung 5: Die Kabelbaugruppen bestehen aus einfach geflochtenen TP-Kabeln mit doppelter Umflechtung (d. h. insgesamt drei geflochtene Schirmschichten)

Hinweis: Für diese beiden Kabel wurde der gleiche Typ eines doppelt geschirmten TP-Kabels verwendet.

Abbildung 6: Die Kabelbaugruppen mit doppelt geflochtenen TP-Kabeln mit doppelten Übergeflechten (d. h. insgesamt vier geflochtene Schirmschichten)

Es gibt viele Möglichkeiten, die SE von Kabelbaugruppen (d. h. Kabel und deren Anschlüsse) zu testen, und es ist zu erwarten, dass jede Methode auch bei identischen Kabelbaugruppen unterschiedliche Ergebnisse liefert. Deshalb wählte ich eine Testmethode, die die Situation, die mich am meisten interessierte, am besten widerspiegelte und die sich mit den damals zur Verfügung stehenden Einrichtungen und Ressourcen auch am einfachsten und schnellsten umsetzen ließ (siehe Abbildungen 7, 8 und 9).

Abbildung 7: Skizze des Versuchsaufbaus

Abbildung 8: Beispiel für die Messung eines Kabels mit Darstellung der Verbindungen zu an der Wand montierten Steckverbindern am Schott-Anschlussfeld in der Wand der Prüfkammer

Abbildung 9: Beispiel für die Messung eines Kabels, das die Einspeisung von HF in ein Kabel zeigt

Die schlimmsten Mängel dieser Methode wurden durch sorgfältige Kontrolle der Konsistenz und Wiederholbarkeit sowie durch Subtrahieren der Messergebnisse für jede Kabelbaugruppe von den Messungen des ungeschirmten Referenz-TP-Kabels, Kabel 2, ausgeglichen (siehe oben und Abbildung 4).

Die Testkammer war einst eine große TEMPEST-Kammer für sichere Kommunikation, wurde aber lange Zeit als Lagerraum genutzt.

Mit einem Spektrumanalysator, einer Nahfeld-HF-Sonde mit einer Wirkungsfrequenz von bis zu 6 GHz und einem Tek-Box-TBCG1-Strahlungskammgenerator (100 MHz – 6 GHz) dauerte es nicht lange, die HF-Leckagen zu identifizieren und zu beheben (korrodierte Federfinger um die Tür usw.). ein Telefonkabel, das ohne HF-Unterdrückung eingeführt wurde). Ein Anschlussfeld (in Abbildung 8 sichtbar) wurde entworfen, hergestellt und an einem Loch in der Kammerwand befestigt und außerdem auf HF-Lecks bis zu 6 GHz überprüft.

Ich hätte entweder eine schalltote Kammer oder eine modengerührte Kammer vorgezogen, aber zumindest haben die Metallregale und die darin gelagerte Ausrüstung die meisten seiner Hauptresonanzmoden aufgelöst! Und ein paar Reste übriggebliebener Ferritkacheln aus einer schalltoten EMV-Testkammer reichten aus, um mit den schlimmsten verbliebenen stehenden Wellen fertig zu werden.

Mich interessierten nicht die absoluten Werte von SE, sondern nur die Frage, welche Kabeldesign-/Montagemethoden für SE am besten geeignet sind. Mit anderen Worten, ihre relativen SE-Leistungen. Ich hoffte, einige allgemeine Leitlinien für ummantelte, abgeschirmte Kabel oder Kabelbündel mit mindestens einem einzeln abgeschirmten TP-Kabel herauszuarbeiten.

Um dies zu erreichen, wurde mit dem oben kurz beschriebenen unvollständigen Testaufbau zunächst ein Nullkabel (Kabel 1, siehe Abbildung 4) gemessen. Da es sich lediglich um eine leere Umflechtung handelte, wurden bei der Messung alle Leckagen von der Antenne zu den CM-Messstiften des an der Wand montierten abgeschirmten Steckverbinders festgestellt, einschließlich aller Kammer- und Plattenleckagen sowie der Leckagen, die mit der Umflechtung und ihrer Abschirmungsverbindung verbunden sind Kabelstecker und vom Kabelstecker bis zu den an der Wand montierten abgeschirmten Steckern. Diese Messung ergab, dass die Leckagen in beiden Frequenzbereichen auf oder unter dem Messrauschen lagen.

Als nächstes wurde das Referenzkabel, Kabel 2, gemessen. Dabei handelte es sich um ein eigenständiges ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (TP), wie in Abbildung 4 dargestellt und zuvor ausführlich beschrieben.

Zwei verschiedene HF-Leistungsverstärker, einer mit 100 MHz – 1 GHz und ein zweiter mit 800 MHz – 2,8 GHz, wurden verwendet, um die beiden in diesem Artikel beschriebenen Frequenzbereiche abzudecken, wobei die oben genannten Null- und Referenztests für jeden Verstärker wiederholt wurden.

Um die Konsistenz zwischen den verschiedenen HF-Leistungsverstärkern zu erreichen, wurde eine dreiachsige Feldsonde mit einem Glasfaserkabel verwendet, das durch einen Wellenleiter unterhalb der Abtrennung im Schottanschlussfeld geführt wurde, um die Feldstärken um die Antenne und die gemessenen Kabel herum zu messen.

Externe rauscharme Vorverstärker mit gutem, flachem Frequenzgang über die gemessenen Frequenzbereiche wurden vor dem Eingang des Spektrumanalysators verwendet, wenn sie zur Reduzierung des Grundrauschens beitragen würden.

Alle anderen gemessenen Kabel, die in diesem Artikel behandelt werden, bestanden aus der gleichen Nullkabelbaugruppe wie Kabel 1. Zusätzliche Innenleiter und Kabel wurden von demselben sehr erfahrenen Kabelkonfektionierer auf die gleiche Weise, mit den gleichen Materialien und innerhalb eines begrenzten Rahmens hergestellt Zeitspanne (einige Tage), damit wir von einer Konsistenz zwischen ihnen ausgehen können.

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Punkte und der Ergebnisse jedes Verstärkers hätte die Subtraktion der Ergebnisse jedes Kabels vom Referenzergebnis die Auswirkungen von Folgendem erheblich reduzieren müssen:

Dieser Subtraktions-/Aufhebungsansatz war erfolgreich genug, um Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, wie die Abschirmungen mehrerer abgeschirmter Kabel in einem Gesamtkabel oder Bündel mit Umflechtungen bis zu 2,8 GHz am besten abgeschlossen werden können. Es gab jedoch immer noch einige kleine Fehler, die als unbedeutend angesehen wurden (sehen Sie, ob Sie sie in den folgenden Abbildungen erkennen können!).

Diese sind in Abbildung 10 für 100 MHz – 1 GHz und in Abbildung 11 für 800 MHz – 2,8 GHz dargestellt.

Abbildung 10: Ergebnisse für ein internes, mit einem Geflecht abgeschirmtes TP-Kabel plus ein einzelnes 360°-Geflecht, das an beiden Enden an den Endgehäusen befestigt ist – 0,1 bis 1 GHz

Abbildung 11: Ergebnisse für ein internes, mit einem Geflecht abgeschirmtes TP-Kabel plus ein einzelnes 360°-Geflecht, das an beiden Enden an den Endgehäusen befestigt ist – 0,8 bis 2,8 GHz

Diese sind in Abbildung 12 für 100 MHz – 1 GHz und in Abbildung 13 für 800 MHz – 2,8 GHz dargestellt.

Abbildung 12: Ergebnisse für ein internes, mit einem Geflecht abgeschirmtes TP-Kabel plus doppeltem Geflecht, beide um 360° an beiden Enden an den Endgehäusen festgeklemmt – 0,1 bis 1 GHz

Abbildung 13: Ergebnisse für ein internes, mit einem Geflecht abgeschirmtes TP-Kabel plus doppeltem Geflecht, beide um 360° an beiden Enden an den Endgehäusen festgeklemmt – 0,8 bis 2,8 GHz

Diese sind in Abbildung 14 für 100 MHz – 1 GHz und in Abbildung 15 für 800 MHz – 2,8 GHz dargestellt.

Abbildung 14: Ergebnisse für internes, doppelt geschirmtes TP-Kabel plus doppelte Umflechtung, beide um 360° an beiden Enden an den Endgehäusen befestigt – 0,1 bis 1 GHz

Abbildung 15: Ergebnisse für internes, doppelt geschirmtes TP-Kabel plus doppelte Umflechtung, beide um 360° an beiden Enden an den Endgehäusen befestigt – 0,8 bis 2,8 GHz

Hinweis: Beide Kabel verwenden ein internes TP-Kabel mit doppelter Abschirmung, das an beiden Enden mit Pigtails versehen ist.

Ich würde erwarten, dass TP-Kabel mit doppelter Abschirmung in einem Gesamtkabel oder -bündel mit doppelten Umflechtungen, bei denen alle Abschirmungsschichten an beiden Enden um 360° mit den Umflechtungen und/oder Gehäusen verbunden sind (und überhaupt keine Pigtails), bessere Ergebnisse liefern als eines der oben gemessenen Kabel. Aber wir haben einen solchen Entwurf weder zusammengebaut noch vermessen.

Aber wie kann man die Abschirmungen interner Kabel abschließen, ohne Pigtails zu verwenden?

Nur wenige Veröffentlichungen im öffentlichen Bereich (einschließlich meiner) befassen sich damit, wie die Abschirmungen von einzeln abgeschirmten Kabeln innerhalb von umflochtenen Kabeln oder Kabelbündeln angeschlossen werden (wobei diejenigen ignoriert werden, die die Verkabelung durch Anschlussstifte empfehlen!).

Das liegt vielleicht daran, dass es sich eher um ein Problem für hochspezialisierte Militär- oder Luft- und Raumfahrtunternehmen handelt, deren interne Konstruktions-/Montageleitfäden meiner Meinung nach oft veraltete oder nicht kosteneffiziente Verfahren vorschreiben, wie z. B. Pigtailing über Steckerstifte oder Anforderungen ein großer (kostspieliger!) manueller Zusammenbau durch Fachpersonal (z. B. 360°-Löten eines Innengeflechts mit einem Übergeflecht).

Wie man Kabelschirme kosteneffektiv anschließt, könnte allein leicht einen ganzen Artikel füllen, aber anstatt diesen Artikel um ein paar tausend Worte zu erweitern, habe ich die Abbildungen 16 bis 18 hinzugefügt, die aus meiner Schulung zum Thema Kabel-EMV stammen [25 ] und hoffe, dass sie ausreichend selbsterklärend sind.

Abbildung 16: Folie 2.7.23 aus [25]

Abbildung 17: Folie 2.7.24 aus [25]

Abbildung 18: Folie 2.7.25 aus [25]

Ich möchte Lockheed Martin (UK) Ltd, in der Nähe von Ampthill, für die Nutzung ihrer Einrichtungen und die Bereitstellung der verwendeten Testausrüstung danken.

Ich möchte auch den vielen Menschen bei LM(UK) danken, die bei diesen Tests geholfen haben, insbesondere den folgenden:

(Beachten Sie, dass 1 und 3 bis 8 als kostenlose Downloads auf offiziellen Websites verfügbar sind.)

Emckeith Armstark abgeschirmte Kabelabschirmung

Nachdem er als Elektronikdesigner, dann als Projektmanager und Leiter der Designabteilung gearbeitet hatte, gründete Keith 1990 Cherry Clough Consultants, um Unternehmen dabei zu helfen, finanzielle Risiken und Projektzeitpläne durch den Einsatz bewährter guter EMV-Technikpraktiken zu reduzieren. In den letzten 20 Jahren hat Keith weltweit zahlreiche Vorträge, Demonstrationen und Schulungen zu guten EMV-Techniktechniken und zu EMV für funktionale Sicherheit gehalten und auch sehr viele Artikel zu diesen Themen geschrieben. Er leitet die IET-Arbeitsgruppe zu EMV für funktionale Sicherheit und ist der von der britischen Regierung ernannte Experte für die IEC-Ausschüsse, die an 61000-1-2 (EMV und funktionale Sicherheit), 60601-1-2 (EMV für medizinische Geräte) und arbeiten 61000-6-7 (Allgemeiner Standard für EMV und funktionale Sicherheit).

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