同轴线互连传感器CS抗扰度布置分析
0. 引言
某工业用便携式流速检测仪在进行cs（传导抗扰度）实验时，电流表检测读数超允许误差范围，电流表检测精度为ua级，为整改带来了难度，以下为实际案例经验分享，希望对大家有帮助和启发。
1. 组网与测试配置
流速检测仪为两通道输入输出，传感器输入采用同轴线，输出线缆为屏蔽线缆，供电dc15v ，传感器同轴线长度约为6m，输出屏蔽线长度约为3m，详见图1组网测试配置图。
图1 组网测试配置图
2. cs测试问题描述
测试等级：3v，150khz-80mhz；
测试线缆：传感器同轴线缆；测试问题：10mhz-20mhz左右频点实验时，电流表读数出现飘偏，允许误差±30ua，测试时偏差达到了上飘到50ua。3. cs测试布置
3.1 测试波形
测试等级为3v，是指urms为3v，实际测试波形为1khz正玄波，80%调制后的upp达到了15.27v。调制前后波形参见图2.
3.2 测试原理与布局
根据iec 61000-4-6标准要求，测试应该尽量保证被测对象处于300ω阻抗环路中，以保证测试合规性与一致性。测试原理参见图3。
标准推荐布局应该参照图4进行。与流速测试仪的实际组网图1对比可知，实验测试只有一个cdn，缺少对被测线缆路径的300ω控制。
流速测试仪的测试布局严格来讲是不满足标准要求，在此不进行过多的讲述，后续实验在当前的测试布局下进行分析。图5中为标准对测试阻抗要求说明。
4. 问题分析
cs测试实际上是电场和磁场的耦合，但电磁场的分析过于复杂，将场转化成路的分析比较简单和高效。
4.1 噪声路径分析
cs信号发生器将干扰信号注入到em clamp中，em clamp通过电场和磁场耦合到被测线缆中。同轴线缆耦合的干扰，通过同轴线及分布电容回流。噪声回路参见图6所示。
4.2 敏感设备
经过排查分析，确认敏感设备为传感器，cs注入的干扰，使得传感器信号受到了干扰而产生了波动，特别是经过了经过长距离传输后，pcb1板中接受的信号质量很差，导致超过允差范围。
工程师整改方法：
在传感器侧加滤波电容，使得传感器信号质量得到保证，但无法落地；在pcb1侧加滤波电容，没有效果，主要受干扰的信号经过长线传输后，传输线效应削弱了滤波效果；在pcb1侧加共模电感，无效果；在pcb1侧加磁环，有效果；以上四中方法中1）和2），原因分析比较常见，后续针对3）和4）进行机理分析。
4.3 同轴线抗扰性能
同轴线或屏蔽线的ems性能可以通过屏蔽效率来表征，包括屏蔽效能和转移阻抗两方面评估，gb/t117738.1标准中评价同轴线的屏蔽效率的测试方法参见图7所示。同轴线的cs测试从这个角度来看也是考量同轴线线缆的屏蔽效率特性。
4.3.1 屏蔽效能
（1）传输线等效电路分析
cs的干扰注入同轴线屏蔽层的等效电路图参见图8所示，其中z1为流量检测仪内阻、z2位传感器内阻、vnoise为cs信号发生器通过em clamp耦合到屏蔽层的干扰电压、vcsg为cs发生器的注入噪声电压、z3和z4为clamp em阻抗、 z5为em clamp与同轴线屏蔽层的耦合阻抗、z6和z7为同轴线屏蔽层阻抗、zcsg为cs发生器内阻、zcs为耦合夹侧负载阻抗、zc1为流量检测仪对地分布电容阻抗、zc2为传感器侧对地分布电容阻抗。为进行量化分析，本文在20mhz下将同轴线的参数评估约为：z1为 95ω，z2为95ω，z5为95ω，z3、z4、z6和z7为0.1ω，zc1和zc2为1nf。
由图8（b）可计算出屏蔽层耦合的噪声vnoise：
z5可表征em clamp与同轴线屏蔽层的耦合效率阻抗，z6和z7可表征同轴线屏蔽层的屏蔽效能。当理想情况下z6和z7的阻抗为0，则vnoise=0。z5为0时，em clamp的耦合效率最高。z5为∞时，em clamp的耦合效率最低。
实际的同轴线在使用过程中，需要选用屏蔽效能好的电缆，同时注意现场噪声源和线缆间的耦合阻抗，阻抗越大越好，即等效距离越大越好。
（2）em clamp耦合效率分析
em clamp在干扰耦合时，其耦合效率随着频率变化而变化，标准中em clamp的耦合效率测试布局参见图9，测试结果参见图10。
em clamp的测试电路是在300欧姆回路阻抗的前提下，进行2端口s参数测量，s21即表示耦合因数。由图10可知10mhz的耦合因数为-3db（150ω两端电压约为0.69vcsg），20mhz的数耦合因数为-1.5db（150ω两端电压约为0.84vcsg）。
当测试3v等级upp达到了15.27v时，vnoise≈15.27mv，可见传感器的敏感度很高，很小的电压就会被干扰，设计需要重点考虑。
4.3.2 转移阻抗
转移阻抗是指在屏蔽层上流过的电流i，在屏蔽层与芯线间产生的电压v，即zt=v/i。屏蔽层上流过的电流i，在屏蔽层阻抗上产生干扰电压vnoise，pcb1端的干扰为vnoise在z1上产生的电压，来评估z1两端的干扰强弱。
z1为流量检测仪内阻、z2位传感器内阻、z3-z7位同轴线的传输阻抗、zpe为同轴线两端对地的分布阻抗：
z5表征转移阻抗，z5为0时，vz1的转移效率最高。z5为∞时，vz1的转移效率最低。同轴线线缆选型时注意转移阻抗参数。
4.4 抑制措施分析
同规格不同厂家的同轴线的屏蔽效能是不同的，但因同轴线线不可更换，下面重点对转移阻抗结合滤波措施进行分析。
4.4.1 共模电感滤波
如图12所示，共模电感加在pcb1侧，其100mhz阻抗为共模200ω左右，差模阻抗仅仅10ω（2*zdm）。
经分析对共模电感的加入对z1两端的电压分压影响较小，这也是加入共模电感后，没有效果的原因。
4.4.2磁环滤波
屏蔽线缆加磁环参见图13所示，因屏蔽层的屏蔽作用，同轴线内部芯线内电流产生的磁场被屏蔽层中产生的涡流抵消，使得同轴线芯线产生的磁场无法链过磁环，内部芯线不会产生阻抗。
整改加入的磁环在20mhz约有300ω（1匝），可计算出vz1=0.21vnoise；两匝阻抗约1200ω，可计算出vz1=0.07vnoise，噪声被很好的衰减了。
5. 设计落地
设计落地方案三种：
同轴线外加磁环方案bnc和磁环一体结构件方案同轴线和磁环一体线缆方案方案（1）最简单方便，但涉及磁环如何固定，需要结合震动实验进行权衡设计；方案（2）的一体结构件设计，可作为选配件应用到同类产品中，适应场景灵活性高，但成本较高；方案（3）做成了标配线缆，但实际客户应用时的线缆长度不定，从方案落实困难，需要限定客户应用线缆长度。最终采取方案（1）进行落地。
6. 思考与启示
传感器类器件较敏感，一般容易受到干扰，设计时需要考虑实际的应用场景和测试要求，在设计端预留滤波措施；同轴线为噪声的耦合传输路径，屏蔽效能和转移阻抗很好的评定同轴线的性能，设计时尽量选择转移阻抗小屏蔽效能高的线缆；同轴线加磁环后，内部芯线因同轴线屏蔽层屏蔽效应，使得内部芯线电流产生的磁场无法链过磁环，因此加磁环前后内部芯线阻抗无变化。同轴线应用场合下，注意差共模的转化机理，本文中的共模电流主要从屏蔽层中流过，通过转移阻抗转化为差模影响敏感设备；共模电感在同轴线抗扰抑制方法中不是最优选择，需要结噪声和路径机理分析，选择合适的滤波器件。
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1. 组网与测试配置
流速检测仪为两通道输入输出，传感器输入采用同轴线，输出线缆为屏蔽线缆，供电dc15v ，传感器同轴线长度约为6m，输出屏蔽线长度约为3m，详见图1组网测试配置图。
图1 组网测试配置图
2. cs测试问题描述
测试等级：3v，150khz-80mhz；
测试线缆：传感器同轴线缆；测试问题：10mhz-20mhz左右频点实验时，电流表读数出现飘偏，允许误差±30ua，测试时偏差达到了上飘到50ua。3. cs测试布置
3.1 测试波形
测试等级为3v，是指urms为3v，实际测试波形为1khz正玄波，80%调制后的upp达到了15.27v。调制前后波形参见图2.
3.2 测试原理与布局
根据iec 61000-4-6标准要求，测试应该尽量保证被测对象处于300ω阻抗环路中，以保证测试合规性与一致性。测试原理参见图3。
标准推荐布局应该参照图4进行。与流速测试仪的实际组网图1对比可知，实验测试只有一个cdn，缺少对被测线缆路径的300ω控制。
流速测试仪的测试布局严格来讲是不满足标准要求，在此不进行过多的讲述，后续实验在当前的测试布局下进行分析。图5中为标准对测试阻抗要求说明。
4. 问题分析
cs测试实际上是电场和磁场的耦合，但电磁场的分析过于复杂，将场转化成路的分析比较简单和高效。
4.1 噪声路径分析
cs信号发生器将干扰信号注入到em clamp中，em clamp通过电场和磁场耦合到被测线缆中。同轴线缆耦合的干扰，通过同轴线及分布电容回流。噪声回路参见图6所示。
4.2 敏感设备
经过排查分析，确认敏感设备为传感器，cs注入的干扰，使得传感器信号受到了干扰而产生了波动，特别是经过了经过长距离传输后，pcb1板中接受的信号质量很差，导致超过允差范围。
工程师整改方法：
在传感器侧加滤波电容，使得传感器信号质量得到保证，但无法落地；在pcb1侧加滤波电容，没有效果，主要受干扰的信号经过长线传输后，传输线效应削弱了滤波效果；在pcb1侧加共模电感，无效果；在pcb1侧加磁环，有效果；以上四中方法中1）和2），原因分析比较常见，后续针对3）和4）进行机理分析。
4.3 同轴线抗扰性能
同轴线或屏蔽线的ems性能可以通过屏蔽效率来表征，包括屏蔽效能和转移阻抗两方面评估，gb/t117738.1标准中评价同轴线的屏蔽效率的测试方法参见图7所示。同轴线的cs测试从这个角度来看也是考量同轴线线缆的屏蔽效率特性。
4.3.1 屏蔽效能
（1）传输线等效电路分析
cs的干扰注入同轴线屏蔽层的等效电路图参见图8所示，其中z1为流量检测仪内阻、z2位传感器内阻、vnoise为cs信号发生器通过em clamp耦合到屏蔽层的干扰电压、vcsg为cs发生器的注入噪声电压、z3和z4为clamp em阻抗、 z5为em clamp与同轴线屏蔽层的耦合阻抗、z6和z7为同轴线屏蔽层阻抗、zcsg为cs发生器内阻、zcs为耦合夹侧负载阻抗、zc1为流量检测仪对地分布电容阻抗、zc2为传感器侧对地分布电容阻抗。为进行量化分析，本文在20mhz下将同轴线的参数评估约为：z1为 95ω，z2为95ω，z5为95ω，z3、z4、z6和z7为0.1ω，zc1和zc2为1nf。
由图8（b）可计算出屏蔽层耦合的噪声vnoise：
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实际的同轴线在使用过程中，需要选用屏蔽效能好的电缆，同时注意现场噪声源和线缆间的耦合阻抗，阻抗越大越好，即等效距离越大越好。
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z1为流量检测仪内阻、z2位传感器内阻、z3-z7位同轴线的传输阻抗、zpe为同轴线两端对地的分布阻抗：
z5表征转移阻抗，z5为0时，vz1的转移效率最高。z5为∞时，vz1的转移效率最低。同轴线线缆选型时注意转移阻抗参数。
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4.4.1 共模电感滤波
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5. 设计落地
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