串扰是机载设备间互联线缆干扰耦合的重要因素。以混合模 S 参数为基础,建立单线 - 双绞线模型以模拟机载设备之间的动力线缆对信号线产生的串扰耦合。在此模型基础上提出串扰耦合测试方案,搭建串扰耦合测试系统,并根据测试获得的耦合系数评估单线 - 双绞线线间串扰耦合强弱。通过测试比较,对影响因素进行分析,结果表明,距地高度对线间串扰影响不大,线间距对线间串扰耦合影响显著,因此在条件允许下尽可能增加设备间互联线缆的间距可有效抑制串扰耦合。

      飞机内空间有限，各种机载设备密集分布，设备数量多且密集度高，电磁兼容问题突出。机载设备之间通常由大量线缆连接，线缆是设备间传递信号和能量的载体，也是导致飞机电磁兼容问题突出的重要因素。线缆不仅是干扰源和敏感设备之间传导干扰耦合的途径，也是强电磁环境下的电磁辐射发射和敏感度接收的天线。串扰是一种典型的传导干扰耦合形式，准确分析串扰的产生以及影响因素，对机载设备间互联线缆布线进行整改和设计以及传输线抗干扰能力的提升具有重要意义。根据传输线理论可构建等效电路模型对串扰进行分析，通过传输线模型计算线间串扰的方法是准确的，但模型建立的过程极为复杂，不适用于工程领域的研究。较多学者对基于 S 参数测试评估线间串扰开展了研究，传统 S 参数对应的微波网络是单端不平衡的，混合模 S 参数可更直观的对差分网络进行分析，如张华等人利用 ADS 对差分传输线的各种不连续性和差分传输线之间的串扰进行数值仿真，得出相应的混合模 S参数 。

       连接机载设备的线缆种类多样，根据所承载的功能不同呈现不同的形式。传输动力的线缆通常是单线或同轴线，其传输的是单端信号。传输信号的线缆常采用双绞线的形式，采用差模信号进行数字通信信号传输，外界电磁环境干扰以及导线自身传输时产生的电磁场大多会以共模的形式耦合到线缆上，少部分以差模的形式耦合。双绞线凭借其独特的结构有效抵消共模信号的干扰从而被广泛用于信号传输。本文基于混合模 S 参数，研究传输单端信号的单线与传输差模信号的双绞线之间的串扰耦合，并进行串扰影响因素分析，对降低机载设备间互联线缆的串扰耦合提升信号传输线抗干扰能力具有工程指导意义。

一、串扰分析

（1）单线 - 双绞线模型

图 1 为单线 - 双绞线模型，单线为骚扰线，双绞线为敏感线。单线一端接干扰电压源，另一端接负载 ；双绞线两端均接负载，邻近干扰电压源的一端称为近端，远离干扰电压源的一端为远端。

图 1  单线 - 双绞线模型

       干扰线端接干扰电压源时，双绞线的近端和远端会产生耦合电压。由于信号传输需要一定的时间，因此当连续波信号在干扰线上传播时，受扰线近端受到连续干扰耦合，是“接力”型存在的 ；而远端串扰是经历一段时间后干扰信号同时到达终端，是“累加”型存在的，因此在信号完整性分析中，相较于近端串扰，远端串扰幅值通常较大。但近远端的差别主要体现在时域上，在频域上差别不大。

（2）基于混合模 S 参数的串扰耦合

将图 1 单线 - 双绞线模型等效为图 2 所示的不平衡 - 平衡差分二端口网络，其中不平衡端为单线上干扰电压源端，平衡端为双绞线上的串扰耦合端口（近端或远端），其余两端口端接负载。

图 2  单端 - 平衡差分二端口网络

       根据混合模 S 参数理论，图 2 中两个端口处的入射波 u+、反射波 u- 及 S 参数满足以下矩阵。

      式中，下标 s 表示单端信号，下标 c 表示共模信号，下标 d 表示差模信号。混合模 S 参数矩阵中每个混合模 S参数具有如下定义 ：

      混合模 S 参数 Smm 与传统模 S 参数 Sstd 之间具有一定的关系，式（3）即为转换矩阵，两种模式 S 参数可通过此矩阵实现转换。

       由于干扰信号只有转换为差模信号才会对终端负载电压有影响，因此将串扰耦合系数定义为差模耦合信号与单端输入信号之比，该模型下串扰耦合系数 k 为双绞线终端差模耦合电压响应 ud2 与单线一端输入电压us+1之间的比值，见式（4）。由于单线为干扰线，双绞线为敏感线，当双绞线终端匹配时，ud+2 = 0。

二、串扰耦合测试方案

（1）测试系统构建

受试线缆的结构尺寸见表 1。通过 TDR 时域反射计获得双绞线的差模特性阻抗为 100 Ω，共模特性阻抗为 150 Ω，双绞线终端设计如图 3 所示的 π 型负载匹配网络。差分信号感受到的阻抗为 R1//2R2，共模信号感受到的阻抗为 (1/2)R2。根据测试获得的差模特性阻抗以及共模特性阻抗值，计算获得匹配电阻值见表 2。

表 1  线缆的结构和尺寸参数

图 3  双绞线端接

    表 2  双绞线负载值

       由于矢量网络分析仪的特性阻抗为 50 Ω，仅传输单端信号，为了将双绞线上的差模信号转换为单端信号并传输至矢量网络分析仪，故在双绞线终端端接巴伦，根据双绞线特性阻抗以及巴伦的性能，选择 ADT2-1T-1P+ 的巴伦，阻抗变换比为 2，工作频率范围为 8~600 MHz。为方便测试布置，设计双绞线端接负载盘和匹配盘。测试时，双绞线一端接负载盘，另一端接匹配盘，负载盘为双绞线一端的端接负载，匹配盘内阻抗变换用巴伦。匹配盘一端接双绞线，另一端为 SMA 连接器，可通过 SMA/N 连接器与矢量网络分析仪相连。

      实验测试示意图如图 4 所示，矢量网络分析仪 1端口连接单线，2 端口通过匹配盘连接双绞线，其余端口接适当的负载或负载盘。单线对双绞线串扰测试现场布置图如图 5 所示，单线的一端连接矢量网络分析仪 1 端口，另一端连接 50 Ω 负载。双绞线的一端连接负载盘，另一端连接匹配盘，通过 SMA/N 连接器与矢量网络分析仪 2 端口相连。

图 4  串扰耦合实验测试示意图

图 5  串扰耦合实测布置图

       为提高测试的准确度，减少由端接失配引起的反射对测试的影响。双绞线端接匹配盘和负载盘后所构成的组件的驻波比应较小，驻波比测试曲线如图 6 所示。由图可见，在测试频率范围内其驻波比小于 2.5，满足测试要求。

图 6  双绞线驻波比

（2） 耦合系数计算

         图 4 布置中，矢量网络分析仪测得的 S21 为匹配盘端口耦合电压与单线注入电压间的比值。匹配盘中的巴伦也可等效为一个单端 - 平衡二端口网络，巴伦端输出电压为 ub，单端输入电压为 us。式（5）为图 4 布置中 S21 的表示形式。

        式中，Ssd' 和 Ssc' 分别为巴伦构成的单端 - 平衡二端口网络中单端转差模信号和单端转共模信号的混合模 S 参数，ud+和uc+分别为巴伦构成的单端 - 平衡二端口网络双绞线端口的差模入射电压和共模入射电压。根据数据手册，该型号的巴伦工艺性能良好，其 2 dB 带宽的相位不平衡度为 1°，幅值不平衡性为 0.3 dB，可在频率范围内较完整地实现不平衡信号与平衡信号之间的转换，故Ssd' 约为 1，Ssc' 约为 0，式（5）化简后可获得式（6），ud+作为巴伦构成的单端 - 平衡二端口网络双绞线端口的差模入射电压也是单线与双绞线构成的单端 - 平衡二端口网络的差模反射电压ud−2。因此通过二端口网络测试获得的 S21 可用作单端 - 双绞线模型的耦合系数。

三、串扰耦合影响因素分析

（1）距地高度

        由于频域上近端和远端串扰耦合差别不大，因此布 置 两 线 间 距 为 50 mm， 测 试 距 地 高 度 为 50 mm 和100 mm 下的近端串扰。不同距地高度下单线 - 双绞线串扰模型近端实测对比图如图 7 所示，随着频率的升高，串扰耦合系数逐渐增加，随着距地高度的增加，对串扰的影响不大。虽然距地高度增大了被干扰线回路面积，但是对于干扰线而言，干扰线上的信号能量不变，因此对串扰耦合影响不大。

图 7  单线 - 双绞线不同距地高度下近端串扰对比

（2）线间距

保持两线距地高度为 50 mm，分别测试两线间距为50 mm、85 mm 和 100 mm 下的近端串扰。不同线间距下单线 - 双绞线串扰模型近端实测对比图如图 8 所示。

图 8  单线 - 双绞线不同线间距下近端串扰对比

        由图 8 可知，随着频率的升高，串扰耦合系数逐渐增加，此外，线间距为 50 mm 相较于线间距为 85 mm和 100 mm 的各频点上串扰耦合明显偏大 ；线间距为85 mm 相较于 100 mm 的串扰耦合略微偏大。当线间距离较小时，距离变化对耦合影响较大 ；当线间距离较大时，距离对串扰耦合影响较小。因此，在有限的空间内，适当增大两线间距是减小串扰耦合的有效形式。

四、结语

       本文对机载线缆间的串扰耦合提出了混合模 S 参数法模型，并进行了双线间距等因素对线间串扰耦合影响分析，说明了增加线间间距可有效改善线间串扰。基于混合模 S 参数构建串扰耦合测试模型可延伸至其他类型线缆间的串扰测试，该方法具有一定工程指导价值，对改进机载设备间互联线缆布线，提升飞机电磁兼容性能具有重大意义。