高速电路中平行传输线间的串扰分析及解决方案

周大瑜等

摘 要： 屏蔽腔体中的传输线串扰是典型的电磁干扰问题，消除或减少串扰是非常必要的。在此建立了腔体内多导体传输线的串扰模型，采用电磁仿真软件研究抑制传输线间串扰的方法，分析受扰线终端接有滤波器前后的串扰电压时频响应特性。仿真结果表明，传输线终端接上相应频带的滤波器，可以滤除传输线上除工作信号以外的干扰信号，为电子系统线缆电磁防护设计提供参考依据。

关键字： 屏蔽腔体； 串扰抑制； 滤波； 电磁干扰

中图分类号： TN973.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0148?03

Simulation study on crosstalk suppression method of MTL in shielded cavity

ZHOU Da?yu1， LIAO Cheng1， YE Zhi?hong1， ZHOU Hai?jing2

（1. Institute of Electromagnetics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. Institute of Applied Physics and Computation Mathematics， Beijing 100094， China）

Abstract： Crosstalk among transmission lines in shielded cavity is a typical electromagnetic interference problem. It is necessary to eliminate or reduce crosstalk. The crosstalk model of multi?transmission line （MTL） in a cavity is established in this paper. The suppression method of MTL crosstalk is studied by means of the electromagnetic simulation software. The time and frequency domain response characteristics of victim wires with and without a filter at its terminal are analyzed. The results show that the interference signals can be filtered out by the corresponding frequency band filter connected at its terminal. It provides an effective technique for cable electromagnetic shielding of electronic system .

Keywords： shielded cavity； crosstalk suppression； filtering； electromagnetic interference

随着电子技术的不断发展，对系统级电磁兼容的研究越来越多，不同系统间的连接、不同系统间能量与信息的传输和交换基本都是通过各种各样的线缆（电源线、信号控制线等）来实现的，线缆上传输的信号在空间的辐射能量通过容性耦合和感性耦合进入邻近的线缆，从而对线缆终端产生干扰[1?2]；线缆也会接收外部干扰电磁场[3?5]（如：天线辐射场、其他设备的泄漏电磁场等）而在其端口产生的骚扰电压强度和电流强度过大，会对其承载的有用信号产生干扰，从而造成系统的功能失灵，线缆间的电磁干扰是设备或系统不能满足有关电磁兼容要求的重要原因[6]，因此消除或减少线缆引起的电磁干扰是非常必要的。许多学者对抑制传输线间串扰的问题展开了研究，如在传输线终端接匹配负载[5]，适当增大线间距、耦合微带线间加入接地线[7?9]等。本文采用商用仿真软件建立了自由空间双导线和腔体中多导体传输线的串扰模型，研究了传输线间串扰的抑制措施即在受扰线终端接滤波器，得到了串扰线上近端串扰和远端串扰的时频响应特性，结果表明在受扰线缆终端加滤波器，能有效地滤除传输线上各种工作所不需要的干扰信号。

1 基本原理介绍

利用商业电磁仿真软件，建立多导体传输线的串扰模型，并对传输线串扰抑制进行设计。研究思路如图1所示。主要分为三个部分：首先，根据粗略的理论分析，对电子系统屏蔽腔体结构和线缆布局进行合理的简化，通过仿真软件建立系统屏蔽腔体模型和线缆模型，仿真得到传输线终端未接滤波器时的终端负载上的串扰响应时频特性。根据串扰响应信号特性，设计相应频带的滤波器，能够保证有用信号正常工作的情况下，滤除串扰信号。通过仿真软件，仿真设计滤波器，使其性能参数达到指标。然后，将设计好的滤波器接到传输线终端，再通过仿真软件计算，得到传输线终端负载上的串扰电压响应，分析滤波器抑制串扰的效果。

2 仿真分析

2.1 双线串扰与抑制分析

在地面上方平行放置两根理想导体传输线，见图2。传输线长度为1 m，半径为0.5 mm，两导线之间的距离为2 cm，Vs1是频率为80 MHz幅值为1 V的正弦波电压源，信号线终端电阻R3=50 Ω，受扰线近端电阻R1=50 Ω、远端电阻R2=50 Ω，导线的特性阻抗为50 Ω，在受扰线的远端和近端加上滤波器，滤波器结构见图3。8阶巴特沃兹滤波器，端口特性阻抗为50 Ω，元器件参数为：L1=449.89 nH，L2=680.434 nH，L3=613.729 nH，L4=149.96 nH，C1=50.200 7 pF，C2=238.013 pF，C3=270.1 pF，C4=198.84 pF，滤波器的S参数见图4，与50 Ω的电阻匹配良好。

由图5可见在没加滤波器时受扰线上的串扰电压达到了5 mV左右。如果激励增加，产生的串扰电压也会相应的增加，如果传输线的终端接了其他电路元件，串扰电压增加到元器件的阈值时就会对元器件产生破坏，因此消除这种有害的串扰电压很有必要，加入滤波器后，受扰线上的串扰电压几乎为0，干扰已解消除。

2.2 腔体内多线串扰的抑制分析

机箱尺寸为20 cm×40 cm×40 cm、材料为PEC，左右两侧面板上开了一定数量的矩形孔，在腔体中心布4根线，线长为30 cm，间距为2 cm，距离地板高度为2 cm，模型如图6所示。在一根传输线上加激励源[Vs=sin（2·π·freq1·t）+sin（2·π·freq2·t）]，freq1=10 MHz（滤波器通带范围内工作信号），freq2=80 MHz（滤波器通带范围外干扰信号），R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=50 Ω，观察其余三根线终端有无滤波器时的串扰电压，这里以R5上的波形为例。

激励源是两种不同频率正弦波的叠加，如图7所示，没加滤波器传输线终端串扰的时域、频域波形也是两种频率正弦波的叠加，由频域波形可以看出80 MHz的串扰比10 MHz的串扰大，这说明频率越高，串扰越大。滤波器的通带是0～20 MHz，加上滤波器之后对80 MHz的串扰进行滤除，留下10 MHz的波形，由图7可见，在传输线的两端加滤波器能很好的抑制串扰，根据具体情况可以设计不同频带的滤波器来对不同频带的电磁干扰进行抑制。

3 结 论

传输线间的串扰引起的骚扰电压、骚扰电流是电磁干扰的重要元素，本文采用数值仿真的方法对自由空间双线以及屏蔽腔体内的多导体传输线间的串扰问题进行了分析，频率越高串扰越大；对串扰引起的干扰介绍了抑制措施即在传输线终端加滤波器，研究了传输线终端有无滤波器时串扰电压的时频响应特性，仿真结果表明在导线终端加相应频段的滤波器能很好地抑制各种工作所不需要的干扰信号，因此，可以根据实际的干扰频带设计出相应滤波器来滤除线缆上的串扰。这为电子系统线缆电磁干扰设计提供了参考依据，具有实际的工程价值。

参考文献

[1] TOPCHISHVILI D， JOBAVA R， BOGDANOV F. A hybrid MTL/MoM approach for investigation of radiation problems in EMC [C]// Proceedings of the 9th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory. [S.l.]： [s.n.]， 2004： 65?68.

[2] 左非，雷义民.弹上线束电磁兼容仿真研究[J].弹箭与制导学报，2010，30（2）：73?76.

[3] KAMI Y， SATO R. Crosstalk of finite?length transmission lines in arbitrary directions on the same ground plane [C]// IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. [S.l.]： IEEE， 1992： 247?250.

[4] KAMI Y， LIU Wei?kun. Analysis of coupling between transmission lines in arbitrary directions [C]// IEEE International Symposium on EMC. [S.l.]： IEEE， 1998： 952?957.

[5] 罗映红，张博.传输线端接阻抗对线间串扰的影响[J].郑州大学学报：工学版，2009，30（4）：120?122.

[6] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[7] PONCHAK G E， CHUN D H， YOOK J G. The use of metal filled via holes for improving isolation in LTCC RF and wireless multichip packages [J]. IEEE Transactions on Advanced Package， 2000， 23（1）： 88?99.

[8] PONCHAK G E， CHUN D H， YOOK J G， et al， Experimental verification of the use of metal filled via hole fences for crosstalk control of microstrip lines in LTCC packages [J]. IEEE Transactions on Advanced Package， 2001， 24（1）： 76?80.

[9] 黎淑兰，刘元安，唐碧华.降低有损耦合微带线间串扰的方法分析[J].电波科学学报，2006，21（4）：503?507.