ケーブルシールドは本当に良いですか？伝達インピーダンスとシールド効果の定量化

ケーブルシールドが思った以上に重要な理由

敏感なアナログ信号をシールドケーブルにルーティングし、シールドの両端を接続したのに、EMCのプレスキャンで150 MHzという厄介なスパイクが依然として表示されています。聞き覚えがありますか？多くの場合、問題はシールドがあるかどうかではなく、重要な周波数でシールドが実際にどの程度効果を発揮するかです。

ケーブルシールドの有効性は、データシートに刻印された単一の数値であらゆる条件に当てはまるものではありません。シールドの構造 (編組、ホイル、スパイラル)、DC 抵抗、ケーブル長、そして重要なのは干渉信号の周波数にもよります。放射エミッション試験とイミュニティ試験に合格するには、これらのパラメータ間の相互作用を理解することが不可欠です。

[ケーブルシールド有効性計算ツールを開く] (https://rftools.io/calculators/emc/cable-shield-effectiveness/) 計算ツールを使用すると、特定のケーブル構成における伝達インピーダンスとその結果生じるシールド効果の両方をすばやく推定できます。スプレッドシートの操作は不要です。

伝達インピーダンス:重要な指標

伝送インピーダンス「MATHINLINE_7」は、ケーブルシールドのゴールドスタンダードの性能指数です。シールドの外面に電流が流れるときに、単位長さあたりに内部導体にどれだけの電圧がかかるかを数値化したものです。正式な定義は次のとおりです。

「MATHBLOCK_0」

ここで、「MATHINLINE_8」は内部導体の誘導電圧、「MATHINLINE_9」はシールドに流れる電流、「MATHINLINE_10」はケーブル長です。

低周波数 (数MHz未満) では、伝達インピーダンスはシールドの単位長さ当りのDC抵抗「MATHINLINE_11」によって支配されます。周波数が高くなると、次の 2 つの相反する効果が現れます。

1.表皮効果 — 電流はシールドの外面に集中し、内側の導体に浸透する電界が減少します。これにより「MATHINLINE_12」が*減少*します。 2.気孔形成と編組漏れ — 編組シールドでは、織り模様により小さな開口部ができます。周波数が高くなると、これらの開口部を通る磁界結合が「MATHINLINE_13」と*増加*します。

固体管状シールドの場合、伝達インピーダンスは表皮効果により周波数とともに単調に低下します。

「MATHBLOCK_1」

ここで、「MATHINLINE_14」はシールド壁の厚さ、「MATHINLINE_15」は周波数「MATHINLINE_16」での表皮の深さです。

「MATHBLOCK_2」

編組シールドの場合、「MATHINLINE_17」は通常、1 MHzから30 MHzの間のどこかで最小値に達し、その後、編組の孔食によって上昇します。これが、10MHzで正常に動作するケーブルが、200MHzでは驚くほど漏れやすい理由です。

伝達インピーダンスからのシールド効果

「MATHINLINE_18」を取得すると、伝達インピーダンスを回路の特性インピーダンスまたは負荷インピーダンスと比較することで、シールド効果 (SE) をデシベル単位で推定できます。一般的な簡略化式は次のとおりです。

「MATHBLOCK_3」

ここで、「MATHINLINE_19」はリファレンスインピーダンス (テストセットアップまたは実際の回路インピーダンスでは通常50Ω) で、「MATHINLINE_20」はメートル単位のケーブル長です。SEが高いほどシールドが良くなります。60dBはまあまあで、80dBは良好、100dB以上は優れています。

実際に使用した例:100 MHz での 2 メートルの編組シールドケーブルの評価

たとえば、錫メッキの銅編組シールドが付いた 2 m のケーブルを使用しているとします。メーカーはシールド DC 抵抗を 15 mΩ/m と指定しています。

入力: -シールド DC 抵抗:「マチンライン_21」 -ケーブル長:「マチンライン_22」 -周波数:「マチンライン_23」

まず、銅の表皮の深さ (「MATHINLINE_24」Ω・m) を 100 MHz で推定します。

「MATHBLOCK_4」

有効厚みが約0.1mm (100μm) の三つ編みの場合、「MATHINLINE_25」という比率は、表皮効果が非常に大きいことを意味します。ただし、これはブレードであってソリッドチューブではないため、ポーポージング効果によって相互インダクタンス項が追加されます。100 MHzの一般的な編組ケーブルは、光カバレッジと編組角度にもよりますが、10～100 mΩ/mの範囲の伝達インピーダンスを示します。

計算ツールが 100 MHz で「MATHINLINE_26」を算出したとします (85% のカバレッジを持つ編組の場合の現実的な値)。2 メートルの長さにわたる合計伝達インピーダンスは、次のようになります。

「MATHBLOCK_5」

50 Ω を基準としたシールド効果:

「マスブロック_6」

これは多くの EMC 要件ではごくわずかです。仕様で60 dBが求められている場合は、ケーブルの配線距離を短くするか、カバレッジの高い編組（95% 以上）に切り替えるか、編組とフォイルを組み合わせたケーブルに移行する必要があります（これにより、「MATHINLINE_27」を100 MHzで5mΩ/m未満に押し下げることができ、同じ長さでSEが74dBを超えることになります）。

これらの正確な値を [ケーブルシールド効果を開く] (https://rftools.io/calculators/emc/cable-shield-effectiveness/) 計算機に差し込むと、その結果がすぐにわかります。また、周波数をスイープしたり、さまざまなシールド構成を比較したりすることもできます。

シールド効果を高めるための実践的なヒント

-ブレードの被覆率を上げてください。 光学被覆率を 85% から 95% にすると、高周波数で「MATHINLINE_28」を3～5分の1に減らすことができます。 -コンビネーションシールドを使用してください。 ブレードオーバーフォイル構造により、ブレードの低周波性能とフォイルの高周波シーリングが可能になります。 -ケーブル長を最小限に抑えます。「MATHINLINE_29」は長さ (dB 単位) に比例して劣化するため、短いケーブルが常に優先されます。 -シールドを適切に終端してください。 ピグテール接地接続では、コネクタに10～20mΩのインピーダンスが加わる可能性があります。ケーブルシールド自体よりも大きい場合もあります。可能な限り 360 度のバックシェル終端を使用してください。 -共振に注意してください 問題の周波数におけるケーブル長が「MATHINLINE_30」の倍数であると、シールドに定在波が発生し、特定の周波数での効果が大幅に低下する可能性があります。

心配すべきとき (そして心配しないとき)

低周波アプリケーション (オーディオ、1MHz以下の低速シリアルバス) では、「MATHINLINE_31」は基本的に「MATHINLINE_32」に過ぎず、回路のインピーダンスに比べて全体の転送インピーダンスが小さいため、DC抵抗が15mΩ/mの控えめな編組でも優れたシールドが得られます。

現実の課題は、30 MHzを超えるとブレードの漏れが支配的になり、伝達インピーダンスが急速に上昇する可能性があるためです。100 MHz～1 GHz の範囲の高速デジタル信号、スイッチモード電源の高調波、または放射性エミッションを扱う場合は、シールドの品質を非常に重視する必要があります。

試してみてください

ケーブルのDC抵抗仕様と配線時間を把握して、[ケーブルシールド効果] (https://rftools.io/calculators/emc/cable-shield-effectiveness/) 計算機を開いてください。気になる周波数を調べて、シールドが機能する場所とそうでない場所を正確に確認してください。30 秒のチェックで、コンプライアンステストに失敗したり、何週間もかけて再設計したりする必要がなくなります。