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Jul 02, 2023

Dinge, die Sie vielleicht noch nicht über Abschirmung gehört haben

Was bestimmt die Wirksamkeit einer Kabelabschirmung? Und wie wirkt sich die Entscheidung, einen Schild zu erden oder nicht zu erden, auf seine Wirksamkeit aus? Glücklicherweise gibt es eine gut entwickelte Theorie dazu

Was bestimmt die Wirksamkeit einer Kabelabschirmung? Und wie wirkt sich die Entscheidung, einen Schild zu erden oder nicht zu erden, auf seine Wirksamkeit aus? Glücklicherweise gibt es eine gut entwickelte Abschirmungstheorie, die wir diskutieren werden, um ein allgemeines Verständnis davon zu erlangen, was von der Abschirmungsleistung erwartet werden kann. Aber es steckt noch mehr dahinter. Wie wir sehen werden, kann die Art und Weise, wie der Schutzschild abgeschlossen wird, seine Wirksamkeit erheblich beeinflussen.

Die Theorie der Abschirmung beginnt mit einem Modell der physischen Umgebung der Abschirmung. Das Modell geht davon aus, dass das Kabel ummantelt ist, sodass eine Abschirmung nirgendwo außer möglicherweise an den Enden Kontakt mit einer Erdungsebene hat. In diesem Fall wird eine Übertragungsleitung durch die vorhandene Erdungsebene und die Außenseite der Abschirmung gebildet. Ebenso bilden die Innenseite der Abschirmung und die umschlossenen Leiter eine Übertragungsleitung. Wir haben also zwei Übertragungsleitungen, die durch Leckage durch die Abschirmung gekoppelt sind (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Grundmodell der physischen Umgebung

Die Kopplung der inneren und äußeren Übertragungsleitungen ist durch einen Mechanismus namens Oberflächentransferimpedanz, Zt, gekennzeichnet. In den meisten Installationen wird die Abschirmung und damit die äußere Übertragungsleitung entweder an beiden Enden oder an einem Ende mit Erde kurzgeschlossen, wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, indem der Schalter SW geschlossen bzw. geöffnet wird.

Abbildung 2: Das Modell der physischen Umgebung einschließlich Anschlüssen

Die Innenleiter sind an jedem Ende mit einer bestimmten Impedanz abgeschlossen, die bei Messungen im Allgemeinen eine offene, kurze oder angepasste Last darstellt.

Wenn der Schirm an beiden Enden abgeschlossen ist, kann Strom entlang der Außenseite des Schirms fließen. Dieser Strom kann entweder auf Erdschleifen zurückzuführen sein, die dadurch verursacht werden, dass die Erdungen an den Enden des Kabels auf unterschiedlichen Potenzialen (Vd) liegen, oder auf Induktion von externen Feldern oder auf beides. In beiden Fällen wird der äußere Abschirmungsstrom über die Oberflächenübertragungsimpedanz Zt in die inneren Schaltkreise eingekoppelt.

Wenn der Schirm nur an einem Ende abgeschlossen ist, wird die Erdschleife unterbrochen. Der Strom ist auf den Strom begrenzt, der durch die verteilte Kapazität zwischen der Außenseite der Abschirmung und der Erdungsebene induziert wird (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Modell eines Kabels, das nur an einem Ende abgeschlossen ist

Der induzierte Strom kann klein sein. In diesem Fall ist die Spannungsverteilung entlang des Kabels die wichtige Größe. Am Ende des Kabels ist die Spannung Null, am offenen Ende kann sie jedoch bei Frequenzen, bei denen das Kabel ein Zehntel einer Wellenlänge überschreitet, hoch sein, da es dann zu einer sehr effizienten Antenne wird.

Am offenen Ende besteht aufgrund der Randkapazität Cf eine kapazitive Kopplung zwischen der Abschirmung und den Leitern des Kabels (siehe Abbildung 4). Da die Spannung an dieser Kapazität hoch sein kann, kann über die Randkapazität ein erheblicher Strom in die Leiter des Kabels eingekoppelt werden.

Abbildung 4: Das Grundschema für die Kopplung, wenn ein Ende der Abschirmung offen ist

Bisher haben wir ein Modell der physikalischen und elektrischen Umgebung einer Abschirmung betrachtet. Jetzt müssen wir die Eigenschaften der Schildkonstruktion berücksichtigen und wie sich diese auf die Schildleistung auswirkt.

Betrachten wir zunächst ein Kabel, das an beiden Enden geerdet ist. Um zu sehen, wie ein auf diese Weise geerdetes Kabel funktioniert, müssen wir die Oberflächenübertragungsimpedanz besprechen. Vereinfacht ausgedrückt setzt die Oberflächenübertragungsimpedanz die Spannung, die in Schaltkreisen innerhalb eines abgeschirmten Kabels entsteht, mit den Strömen in Beziehung, die an der Außenseite des Kabels fließen. In Abbildung 2 führt der Strom Ishield auf der Außenseite der Abschirmung bei geschlossenem Schalter über Zt zu V1 und V2 auf den Leitern innerhalb der Abschirmung.

Wie bestimmen wir also, was Zt ist? Nun, wir können es messen oder berechnen. Die Messroute wurde in [3] beschrieben, ein Beispiel wird später gezeigt. Der Berechnungsweg ist diskussionswürdig, da er einen Einblick in die beteiligte Physik bietet.

Wir haben bereits erwähnt, dass die Kabelabschirmung und die Erdungsebene eine Übertragungsleitung bilden. Über den allgemeinen Fall können wir nicht viel sagen, daher betrachten wir der Einfachheit halber ein Koaxialkabel mit einer darum gewickelten Masseebene, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Grundkonfiguration zur Berechnung von Zt

In diesem Fall bilden die Abschirmung und die Masseebene ein Koaxialkabel (wir haben also ein Koaxialkabel innerhalb eines Koaxialkabels, oft auch Triax genannt). Diese Konfiguration kann in der Praxis für ein ummanteltes abgeschirmtes Kabel erreicht werden, indem ein Geflecht über den Mantel gezogen wird; Dies wird häufig zur Messung von Zt durchgeführt, wie in [4] erläutert.

Nehmen wir nun an, dass ein Strom entlang der Außenseite der Abschirmung fließt. Aus den Maxwell-Gleichungen geht hervor, dass dieser Strom eine Wanderwelle mit elektrischen und magnetischen Feldern erzeugt, wie in Abbildung 6 dargestellt. Wenn die Leiter keinen Widerstand haben, ist das E-Feld (Er) radial und das H-Feld (HΘ) radial umlaufend (der TEM-Modus, mit dem einige von Ihnen vielleicht vertraut sind). Da die Abschirmung jedoch einen gewissen Widerstand aufweist, erzeugt das Produkt aus dem auf der Abschirmung fließenden Strom und dem Abschirmungswiderstand ein E-Feld EZ in Z-Richtung, sodass das resultierende E-Feld nicht mehr radial, sondern „gekippt“ ist siehe Abbildung 7.

Abbildung 6: Zeigt die Felder der Wanderwelle

Abbildung 7: Ausrichtung der Felder zur Berechnung von Zt

Da die Abschirmung einen endlichen Widerstand hat, verschwindet das EZ-Feld nicht in der Abschirmung, sondern hat einen stark abfallenden Wert als Funktion der Eindringtiefe (im Zusammenhang mit dem Konzept der „Hauttiefe“), schematisch dargestellt in Abbildung 8. Die Die EZ-Welle erreicht einen gewissen (stark gedämpften) EZ(a)-Wert auf der Innenseite der Abschirmung.

Abbildung 8: Eine Welle mit einer EZ(b)-Komponente, die sich auf der Außenseite eines Schildes ausbreitet, eine abklingende Komponente im Schild aufweist und EZ(a) innerhalb des Schildes erreicht

Aus der Schaltkreistheorie ergibt sich eine Beziehung zwischen EZ(a) und EZ(b) durch die folgenden Beziehungen:

EZ(a) = ZaaIa + ZtIb

EZ(b) = ZtIa + ZbbIb

Dabei ist Ia der Strom auf der Innenseite der Abschirmung, Ib der Strom auf der Außenseite der Abschirmung, Zaa die Oberflächenimpedanz der Abschirmung innen und Zbb die Oberflächenimpedanz der Abschirmung außen. Zaa, Zbb und Zt können aus den physikalischen Eigenschaften des Gehäuses berechnet werden, z. B. Schelkunoff [1].

Wenn man die Gleichungen auf der vorherigen Folie neu anordnet, kann das EZ(a)-Feld an der Innenseite der Abschirmung durch den Strom Ib und die Spannung EZ(b) an der Außenseite der Abschirmung ausgedrückt werden als:

Die kleinen Begriffe ignorieren

EZ(a) = ZtIb

Eine Formel zur Berechnung von Zt wurde von Shelkunoff als angegeben

Dabei ist RDC der Gleichstromwiderstand der Abschirmung, t die Dicke der Abschirmung in Zentimetern, µr die Durchlässigkeit der Abschirmung relativ zu Luft, σr die Leitfähigkeit der Abschirmung relativ zu Kupfer und f die Frequenz in Megahertz. Beachten Sie, dass Zt von der Frequenz abhängt.

Innerhalb der Abschirmung treibt EZ(a) im Grunde eine TEM-Welle an (wenn der Leiterwiderstand klein ist), die sich entlang der Leiter ausbreitet. Der Strom Ia, der durch die Welle verursacht wird, die sich innerhalb der Abschirmung ausbreitet, führt zu Spannungen V1 und V2 an den Enden des Kabels (siehe Abbildung 2). Die Amplitude des Stroms [und damit V1 und V2] hängt von EZ(a) und Zt ab.

Um zu sehen, ob Shelkunoffs Formel tatsächlich funktioniert, haben wir eine Messung an RG402 durchgeführt, einem Koaxialkabel mit fester Abschirmung [3]. Die Ergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt, wobei sich die Begriffe „kurz-kurz“ und „kurz-angepasst“ auf zwei unterschiedliche Methoden zur Messung der Oberflächenübertragungsimpedanz beziehen. Abbildung 9 zeigt, dass die Shelkunoff-Formel ein guter Prädiktor für die Oberflächenübertragungsimpedanz [und damit für die Abschirmungswirksamkeit] ist. Es zeigt sich auch, dass bei einer soliden Abschirmung die Abschirmwirkung mit steigender Frequenz immer besser wird.

Abbildung 9: Beispiel für Zt für eine massive Abschirmung

Geflochtene Schirme verhalten sich aufgrund der beim Flechten entstehenden Löcher im Schirm anders als massive Schirme. Ähnlich verhält es sich bei umwickelten Schirmen, die wie Schlitzantennen aussehen. Die Löcher oder Schlitze koppeln die Felder außerhalb der Abschirmung durch gegenseitige Induktivität und Kapazität mit den Feldern innerhalb der Abschirmung. Für diesen Fall kann die Oberflächenübertragungsimpedanz berechnet werden, siehe zB [2]. Aber es ist insbesondere deshalb chaotisch, weil es schwierig ist, die gegenseitige Kapazität und Induktivität zu bestimmen.

Im Allgemeinen wird eine Probe des geflochtenen oder umwickelten Kabels hergestellt und dann dessen Zt als Funktion der Frequenz gemessen (als Maß für die Wirksamkeit der Abschirmung). Beispielsweise haben wir mit einer hierfür entwickelten Methode [3] den Zt von RG-58U gemessen, einem weit verbreiteten Koaxialkabel. Das Ergebnis ist in Abbildung 10 dargestellt. Beachten Sie, dass im Gegensatz zu massiven Abschirmungen Zt bei einer geflochtenen Abschirmung mit der Frequenz zunimmt und schließlich in Schwingungen übergeht. Gewickelte Schirme zeigen im Allgemeinen das gleiche Verhalten wie geflochtene Schirme.

Ein wichtiger Punkt ist, wie in [5] erläutert, dass Zt mit zunehmender Frequenz auf einen ersten Spitzenwert ansteigt und dieser Spitzenwert bei weiterer Erhöhung der Frequenz niemals überschritten wird. Die Frequenz, bei der der erste Peak auftritt, hängt von der Länge des Kabels ab und verschiebt sich mit zunehmender Kabellänge zu niedrigeren Frequenzen. Tatsächlich kann Zt gegen das Produkt aus Frequenz und Kabellänge aufgetragen werden. Beispielsweise kann ein Diagramm wie das in Abbildung 11 erstellt werden, indem eine Kurve an die Spitzenwerte der in Abbildung 10 dargestellten Daten angepasst wird.

Abbildung 10: Beispiel für Zt für einen Geflechtschirm

Warum dies geschieht, wird in [5] und [4] weiter untersucht, wo das Schwingungsverhalten als Funktion der Kabellänge und der Frequenz diskutiert wird; und auch, warum Zt bei einer bestimmten Frequenz einen Spitzenwert erreicht und dann mit zunehmender Frequenz abnimmt.

Unabhängig davon, wie der geflochtene oder gewickelte Kabelschirm abgeschlossen wird, wirkt er grundsätzlich wie ein Hochpassfilter. Das Ergebnis ist, dass eine Überspannung, die sich auf den Innenleitern eines abgeschirmten Kabels ausbreitet, eine steilere Anstiegszeit hat als die induzierende Überspannung an der Außenseite der Abschirmung. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 12 die Auswirkung einer an beiden Enden geerdeten Abschirmung auf das Frequenzspektrum eines Blitzstoßes dargestellt. Hier wurde das Frequenzspektrum eines 4,5×77 negativen ersten Blitzstoßes mit dem in Abbildung gezeigten Zt-Spektrum multipliziert 11, vorausgesetzt ein 10 m langes Kabel. Abbildung 12 zeigt, dass die niederfrequenten Anteile der Überspannung unterdrückt werden. Das Ergebnis ist, dass die an den Innenleitern des Kabels auftretenden Überspannungen eine steilere Anstiegszeit haben als die Überspannungen an der Außenseite der Abschirmung. Beachten Sie, dass ein ähnlicher Effekt auftreten würde, wenn die Abschirmung nur an einem Ende geerdet wäre, da die resultierende kapazitive Kopplung auch die niederfrequenten Komponenten der Überspannung unterdrückt.

Abbildung 11: Zt aus Abbildung 10 aufgetragen als Produkt aus Frequenz und Kabellänge

Abbildung 12: Die Auswirkung einer 10 m langen RG-58-Koaxialabschirmung, die an beiden Enden geerdet ist, auf einen negativen ersten Blitzstoß von 4,5×77

Nachdem wir uns mit der Abschirmungstheorie befasst haben, stellt sich die praktische Frage, wie die Abschirmung zu terminieren ist. Diese Entscheidung hängt von der Umgebung ab, in der das Kabel installiert wird.

Wenn eine Abschirmung nur an einem Ende abgeschlossen ist, kann am offenen Ende der Abschirmung eine relativ hohe Spannung anliegen. Da zwischen dem Ende der Abschirmung und den Kabelleitern eine Kapazität besteht, können elektrische Störungen direkt in die Kabellasten eingespeist werden. Die Größe dieser Kapazität hängt stark von der Installation ab und kann daher nicht wirklich berechnet werden. Die kapazitive Kopplung ist bei hohen Frequenzen am größten, wo die kapazitive Reaktanz am niedrigsten ist.

Es wurde argumentiert [6], dass die Verbindung einer Abschirmung nur an einem Ende ihre Wirksamkeit zerstört, und daran ist etwas Wahres dran, insbesondere bei hohen Frequenzen, wie in Abbildung 13 basierend auf Daten in [7] dargestellt. Diese Bemerkung impliziert, dass eine Abschirmung niemals nur an einem Ende befestigt werden sollte. Die Bemerkung wurde jedoch im Zusammenhang mit der Aussage gemacht, dass ein ordnungsgemäß konzipiertes System keine Erdschleifen aufweist – ein Zustand, der in der Praxis möglicherweise nicht erreichbar ist.

Abbildung 13: Der Effekt, wenn eine Abschirmung nur an einem Ende abgeschlossen wird

Bitte beachten Sie, dass der Unterschied zwischen den Diagrammen „keine Abschirmung“ und „360° auf einer Seite“ in Abbildung 13 18 dB bei 1 MHz beträgt. Die Extrapolation dieses Diagramms auf 100 Hz [eine ziemlich riskante Sache] führt zu einem geschätzten Unterschied zwischen den beiden Kurven von 63 dB. Daher kann eine Abschirmung, die nur an einem Ende geerdet ist, bei Audiofrequenzen eine angemessene Leistung erbringen, bei Rundfunkfrequenzen und höher jedoch nicht.

Die Erdung einer Abschirmung an beiden Enden beseitigt das Problem der kapazitiven Kopplung und ist am effektivsten, wenn die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Abschirmungsanschlüssen gering ist. In diesem Fall sind die Erdschleifenströme gering und die Abschirmung entfaltet ihre maximale Wirksamkeit, sofern sie ordnungsgemäß abgeschlossen ist. Wie in [6] dargelegt, besteht ein ordnungsgemäßer Abschluss darin, dass die Abschirmung an jedem Ende mit einem 360°-Anschluss verbunden wird. Abbildung 14 zeigt zwei Beispiele.

Abbildung 14: Zwei Beispiele für 360°-Schirmabschluss

Geschieht dies nicht, kann ein Großteil der Vorteile, die der Abschluss einer Abschirmung an beiden Enden mit sich bringt, beeinträchtigt werden oder verloren gehen. zum Beispiel, wie in Abbildung 15 anhand der Daten in [7] dargestellt. Beachten Sie den Verlust der Schirmwirkung bei Verwendung von Pigtails (siehe auch [8]).

Abbildung 15: Verlust der Schirmwirkung durch Schirmabschluss mit Pigtails

Zurück zu den ursprünglichen Fragen: Was bestimmt die Wirksamkeit einer Kabelabschirmung? Und wie wirkt sich die Entscheidung, einen Schild zu erden oder nicht zu erden, auf seine Wirksamkeit aus?

Die Theorie der Abschirmung vermittelt ein allgemeines Verständnis davon, was von der Abschirmungsleistung erwartet werden kann, aber auch die Art und Weise, wie die Abschirmung abgeschlossen wird, hat einen erheblichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Abschirmung.

Ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist, ob die Erdungen an den gegenüberliegenden Enden des Kabels annähernd auf dem gleichen Potenzial liegen. Wenn dies der Fall ist, sind die Erdschleifenströme minimal. In diesem Fall wird wahrscheinlich die beste Abschirmleistung erzielt, wenn beide Enden der Abschirmung geerdet sind. Wenn die Erdungen auf deutlich unterschiedlichen Potenzialen liegen, können Erdschleifenströme ein Problem darstellen. In diesem Fall kann die beste Gesamtabschirmungsleistung erzielt werden, wenn ein Ende der Abschirmung nicht angeschlossen bleibt, vorausgesetzt, dass die Abschirmung gegen hohe Frequenzen kein Problem darstellt.

Die Entscheidung über eine Kündigung oder Nichtkündigung hängt vom Antrag ab. Leider gibt es keine Regel, die für alle Situationen gilt, und oft ist ein Experiment erforderlich, um herauszufinden, wie die Abschirmung am besten abgeschlossen werden kann.

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Al Martin schrieb häufig Beiträge für das In Compliance Magazine und war Autor oder Co-Autor von über 35 Artikeln zu EMV und Telekommunikation. Er ist im August 2021 verstorben.