基于部分移相网络级联的传输线远端串扰消除技术

摘要

江苏省新能源发电与电能变换重点实验室（南京航空航天大学）的研究人员娄千层、王世山等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文指出，串扰是电气、电子系统内部多导体传输线间的相互电磁干扰，严重时可降低系统的可靠性和安全性，影响系统的正常工作。典型的多导体传输线包括电缆线束和PCB导线等，其远端串扰问题显得尤为突出。

针对多导体传输线系统的远端串扰噪声，提出了一种在中低频段大幅消除远端串扰的理论及其实现方法，考虑将两段传输线通过一有源网络级联，两段传输线线长比例可调，并且该网络可通过特别设计，以达到传输线远端端口不含其他导线耦合噪声的目的。另外提出一种“部分移相网络”，即对“施扰线”电压进行移相处理而对其余端口不做处理，该网络满足上述串扰消除的要求，并且对于任意传输线系统均存在最优的移相角和线束比例。

为了确定最优移相角和最佳线长比例，基于数值计算提出了最优移相角和最佳线长比例的计算流程，并结合两个示例进行了仿真测试与实验测量。研究表明，中低频段最优移相角集中在π附近，且随着频率的升高而增大；最佳线长比例则集中在0.3~ 0.5之间，两者均与频率有关。

在现代多电飞机和电动汽车等电气系统中，多导体传输线（Multiconductor Transmission Lines, MTL）作为连接电气、电子设备的重要元件，在系统中占据不可忽视的地位。然而，随着高频化和集成化的发展趋势，多导体传输线的串扰问题也越来越严重[1]。所谓串扰，是由导线上电压和电流的变化引起周围空间的电磁辐射，从而在邻近导线上耦合产生的噪声，其本质是电磁能量的流动。

一般地，根据电磁能量流动的方向，将引起串扰的传输线称为施扰线，而将受到串扰影响的传输线称为受扰线。通常按照与施扰线激励源的相对位置，串扰存在近端串扰（Near-End Crosstalk, NEXT）和远端串扰（Far-End Crosstalk, FEXT）两种形式。

两种噪声均会影响设备的正常工作，其中由于远端串扰影响传输线连接的下级设备，严重时会影响信号的正常传递，导致系统的可靠性降低甚至功能失效[2,3]，因此FEXT较之NEXT危害更大，对其产生机理和抑制的研究显得更为迫切。

根据串扰噪声的传播原理，通常可以从噪声源、传播路径和接收端三个角度对串扰进行消除。其中，串扰噪声源涉及系统的电路拓扑结构，实际条件下往往无法改变。因此，研究者针对传播路径和接收端，对FEXT消除进行了大量研究：

1)“滤波法”，主要思路为在MTL远端接入特制的EMI滤波器，如针对PCB微带线，文献[4,5]提出采用垂直耦合环形共振滤波器或互补分割环形谐振器等EMI滤波器以抑制FEXT噪声，此类方法通常在高频段可有效消除远端串扰，但滤波器体积较大。

2)“补偿法”，主要思路是构造FEXT补偿信号与噪声相互抵消，如文献[6,7]提出运用数字电路采集并拟合远端串扰噪声，于终端处减掉拟合的串扰噪声；文献[8]提出在MTL近端添加去耦合电容器电路以补偿FEXT噪声，此类方法效果较好，但补偿电路通常比较复杂且成本较高。

3)改变传播路径，主要思路是通过改变传输线布线方式等阻碍FEXT传播，如文献[9]提出荆棘状微带线；文献[10,11]增加线间距；针对双绞线文献[12]提出在终端附近添加屏蔽层。此类方法简单易实施，但消除效果有限并且会提高传输线所占体积或面积。

多导体传输线作为系统的连接元件，其串扰噪声的消除应兼顾消除效果、消除器体积、消除电路复杂程度等多个方面，即“技术性和经济性”应做到有机的统一。因此，本文以多导体传输线为研究对象，以抑制FEXT为目标，建立消除FEXT的数值计算模型并探索FEXT消除原理，基于该原理提出一种有效易实施的远端串扰消除方案。

图7  串扰测试实验平台

结论

本文以消除多导体传输线远端串扰为目标，根据多导体传输线理论，建立了基于传输线级联的多导体传输线远端串扰模型，对远端串扰特性和消除原理进行了深入探讨，并得到如下结论：

1）通过构造特定的多端口网络以级联传输线，能够在线束远端使串扰电压幅值大幅下降，达到串扰消除的效果。

2）典型的满足条件的多端口网络是对施扰线电压相位做一定的移相处理，而受扰线电压不变的部分移相网络，实验表明部分移相网络能够在中低频段有效消除远端串扰10 dB左右。据此提出了针对特定传输线案例的多端口网络设计原则。

3）当多端口网络为部分移相网络时，串扰消除效果还受到所级联的传输线长度比例影响。对不同传输线案例以及不同频率，该最佳比例也不同，一般需要通过数值计算的方法确定。