Откуда берутся помехи и что блокирует экран
Пуски и остановы двигателей, импульсные источники питания, радиомодули, соседний кабель — источники электромагнитных помех внутри машины повсюду. Когда помеха наводится на сигнальную линию, лёгкий вариант — редкие ошибки данных, тяжёлый — изделие, заваливающее испытания ЭМС. Принцип работы экрана прост: проводящий слой окружает жилы, внешнее поле наводит на экране токи, и они стекают в землю вместо того, чтобы наводиться на сигнал. Работает это в обе стороны — собственное излучение кабеля тоже остаётся запертым внутри.
Остаётся вопрос: как построить этот проводящий слой. Три основные конструкции — три совершенно разных характера.
Фольга: полное покрытие, боится изгибов
Фольговый экран — тонкий алюмо-полиэфирный ламинат, наложенный продольно или спирально вокруг сердечника. Его сила — покрытие: практически 100%, без зазоров, высокочастотной помехе некуда войти. Он дёшев и почти не увеличивает диаметр.
Слабости столь же очевидны: слой тонок, повторные изгибы вызывают усталость и трещины, и с трещинами уходит высокочастотная эффективность. К тому же алюминиевая фольга относительно резистивна — низкоимпедансный путь стока, который нужен низкочастотным помехам, она дать не может. Фольга — для стационарной прокладки, не для подвижных узлов.
Оплётка: прочная и гибкая, но с зазорами
Оплётка — плетёный рукав из лужёных медных проволок. Механическая прочность высока, повторные изгибы не страшны; сечение меди велико, поэтому на низких частотах она проводит хорошо и способна нести заметные наведённые токи.
Врождённый недостаток — зазоры: плетёная сетка не даёт полного покрытия. Плотные оплётки доходят до 95%, обычные — 70–85%. Чем выше частота и короче волна, тем легче она проскальзывает в «окна».
Спираль: компромисс для очень тонких кабелей
Спиральный экран (serve) — медные проволоки, навитые в одном направлении без переплетения. Его смысл — мягкость: на кабель, слишком тонкий для оплётки, экран всё-таки можно навить, и одиночные экраны микрокоаксиала — именно эта конструкция. Плата: при изгибе между проволоками раскрываются зазоры, поэтому на высоких частотах спираль уступает оплётке и тем более фольге.
Комбинированные экраны: слабости взаимно закрыты
Сложите «полное покрытие и высокие частоты» фольги с «прочностью и низкими частотами» оплётки — получится комбинированный экран «фольга + оплётка». Их слабости взаимно компенсируются, поэтому требовательные видео- и дата-кабели делаются так по умолчанию. Реальные конфигурации комбинированных экранов — на страницах High-Shielding Micro-Coax и Shielded LVDS Routing.
Эффективность экранирования, дренажный провод и ЭМС
В спецификации экранированного кабеля стоит знать два термина. Эффективность экранирования измеряется в дБ — чем больше число, тем чище изоляция. Одна и та же конструкция ведёт себя в разных диапазонах очень по-разному, поэтому слово «экранированный» само по себе мало что говорит; правильный вопрос — «сколько дБ на частоте моей помехи». Дренажный провод — голая медная жила, идущая вплотную к фольге: саму фольгу заделывать трудно, и дренажный провод отводит наведённый ток в землю вместо неё, поэтому кабели с фольгой почти всегда им комплектуются.
Для готового изделия экран в конечном счёте служит соответствию ЭМС — лимитам излучения и помехоустойчивости CE, FCC и аналогичным. Медицинская техника и площадки промышленной автоматизации (шкафы, плотно набитые частотными преобразователями и сервоприводами) — две среды, где экранированный кабель работает больше всего и где чаще всего случаются доработки по ЭМС. Возвращаться к экрану кабеля после проваленного теста ЭМС — один из самых дорогих путей доработки; заложить экран в первый прототип обычно дешевле, чем «погонять без экрана, добавим, если не пройдёт».
Заделка — половина дела
Правильно выбрать экран — лишь половина работы. Экран должен соединиться с землёй, и способ соединения меняет всё. Заделка на 360 градусов — экран обжат по всей окружности в корпус разъёма — сохраняет характеристики экрана полностью. Ленивый путь — скрутить косичку и припаять её к земле — превращает косичку в антенну на высоких частотах; от десятков дБ эффективности может остаться крохотный остаток. Просматривая чертёж или предложение на экранированный кабель, выделите способу заделки отдельный вопрос.
Нужен ли экран: как судить
Десять сантиметров тихого кабеля внутри корпуса — скорее всего, не нужен. Кабель выходит из корпуса, идёт вдоль двигателей и блоков питания, изделию предстоят лимиты излучения CE / FCC — закладывайте экран в конструкцию. Сомневаетесь — опишите среду прокладки в запросе: что рядом, какова длина, какие сертификаты, — и производитель кабеля посчитает вместе с вами.
