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Jul 02, 2023

シールドについて聞いたことのないこと

ケーブルシールドの効果は何によって決まるのでしょうか? そして、シールドを接地するかどうかの決定は、シールドの有効性にどのような影響を与えるのでしょうか? 幸いなことに、よく開発された理論があります。

ケーブルシールドの効果は何によって決まるのでしょうか? そして、シールドを接地するかどうかの決定は、シールドの有効性にどのような影響を与えるのでしょうか? 幸いなことに、シールドについては十分に開発された理論があり、シールドのパフォーマンスに何が期待できるかを一般的に理解する方法として説明されます。 しかし、それだけではありません。 これから説明するように、シールドの終端方法はその有効性に大きく影響します。

シールドの理論は、シールドの物理環境のモデルから始まります。 このモデルは、ケーブルがジャケットで覆われているため、シールドが端部を除いてどこでもグランド プレーンと接触しないことを前提としています。 その場合、伝送線路は、存在するグランドプレーンとシールドの外側によって形成されます。 同様に、シールドの内側と囲まれた導体も伝送線路を形成します。 したがって、シールドを介した漏れによって結合された 2 つの伝送線が得られます (図 1 を参照)。

図 1: 物理環境の基本モデル

内側と外側の伝送線路の結合は、表面伝達インピーダンス Zt と呼ばれるメカニズムによって特徴付けられます。 ほとんどの設置では、シールド、したがって外側の伝送線は、図 2 に概略的に示すように、スイッチ SW がそれぞれ閉じているか開いていることによって、両端または一端でアースに短絡されます。

図 2: 終端を含む物理環境のモデル

内部導体はそれぞれの端で何らかのインピーダンスで終端されており、測定が行われるときは通常、開放、短絡、または整合負荷になります。

シールドの両端が終端されている場合、電流はシールドの外側に沿って流れる可能性があります。 この電流は、ケーブルの端のグランドが異なる電位 (Vd) にあることによって生じるグランド ループ、または外部磁場からの誘導、またはその両方が原因である可能性があります。 どちらの場合も、外部シールド電流は表面伝達インピーダンス Zt を介して内部回路に結合されます。

シールドが一方の端のみで終端されている場合、グランド ループは切断されます。 電流は、シールドの外側とグランドプレーンの間の分布容量を通って流れるように誘導される電流に制限されます (図 3 を参照)。

図 3: 片端のみで終端されたケーブルのモデル

誘導電流は小さい場合がありますが、その場合重要な量はケーブルに沿った電圧分布です。 ケーブルの終端では電圧はゼロですが、ケーブルが波長の 10 分の 1 を超える周波数では開放端で電圧が高くなることがあります。これは、その時点でケーブルが非常に効率的なアンテナになるためです。

開放端では、フリンジング容量 Cf により、シールドとケーブルの導体の間に容量結合が生じます (図 4 を参照)。 この静電容量の両端の電圧が高くなる可能性があるため、フリンジ静電容量を介して大量の電流がケーブルの導体に結合する可能性があります。

図 4: シールドの一端が開放された場合の結合の基本回路図

これまで、シールドの物理的および電気的環境のモデルを検討してきました。 次に、シールドの構造の特性と、それがシールドの性能にどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。

まず、両端が接地されたケーブルについて考えてみましょう。 このように接地されたケーブルがどのように機能するかを確認するには、表面伝達インピーダンスについて議論する必要があります。 簡単に言うと、表面伝達インピーダンスは、シールドされたケーブル内の回路間に発生する電圧と、ケーブルの外側を流れる電流とを関連付けます。 したがって、スイッチが閉じている図 2 では、シールドの外側の電流 Ishield によって、Zt を介してシールドの内側の導体に V1 と V2 が生じます。

では、Zt が何であるかをどのように判断するのでしょうか? そうですね、測定することも、計算することもできます。 測定ルートについては[3]に記載されており、例は後述します。 計算ルートは、関係する物理学への洞察を提供するため、議論する価値があります。