原创 解决微波电缆上屏蔽效应测试的问题(一)

解决微波电缆上屏蔽效应测试的问题(一)

作者：Rudy Fuks

对于具有严格的电磁兼容性能要求的应用场合，在选用微波同轴电缆和连接器时，屏蔽效应(SE)是一个关键参数。微波同轴电缆的屏蔽效应的测量(参看国际电工委员会提出的第一条)不是简单的事情， 而且还需要完全理解专用术语以及与电磁兼容相关的微波工业所用的熟练操作技术。

电磁兼容的参数包括辐射、抗扰性(磁化率)和串扰。辐射定义为电缆对周围环境的影响。抗扰性指的是在特定的电磁干扰环境下电缆满足所要求性能的能力。最后，串扰是指电缆与电缆之间的电磁兼容的相互作用。虽然同轴电缆是一个无源线性元件, 而且根据互易定理，辐射和抗扰性检测应该得到相同的结果，但是这种情况不一定出现。 一个典型的同轴电缆未必是一种线性元件，而是一种互逆元件。

可以用许多检测弱信号的方法来测量电磁兼容参数，不过这些测试结果通常没有重复性。电磁兼容检测结果取决于所选择的测试系统的类型。

最通用的屏蔽参数是表面转移阻抗Z_T，它是由贝尔实验室的Schelkunoff在1934年第一个引用的。它被定义为一个在次级(干扰)电路(V₂)中的屏蔽层内的感应串联电动势与由一短电长度电缆段构成的初级电路(外部干扰)的屏蔽层中流过的干扰电流(I₁)之间的比值。

与大多数确定信号沿电缆传播的参数不一样，而Z_T描述的是横穿电缆屏蔽层的能量传播。使用一短电长度电缆段是至关重要的。以电缆为例，其表面转移阻抗的单位为Ω/单位长度(典型单位为 mΩ /单位长度)：

Z_T=E₂/(I₁×L) (1)

方式1仅适用于电缆。而对于连接器、短电长度电缆段组件，该表面转移阻抗适用于整个组件总长度。

这里，用于屏蔽效应的表面转移阻抗是针对电流而言的。根据安培定律，电流是与磁场有关的。因此，表面转移阻抗与电耦合的磁性有关。不过电容耦合也是有可能存在的(例如，通过电缆编织网上的过孔形成的)。为了包括该耦合，也有一个等效转移阻抗的定义，它包括电流效应、磁效应和电容耦合效应。因此，在这种情况下有效的转移阻抗Z_TE)被定义为：

Z_TE＝max│Z_F±Z_T│ (2)

其中，Z_F 等于电容转移阻抗。

值得注意的是Z_T仅仅由屏蔽层本身的屏蔽效应决定，而不取决于外部电路的性质(在这种情况下，为环绕泄漏源的测试空腔)。正因为这一点，在文献中，表面转移阻抗被定义为一个一次幂屏蔽参数。电容转移阻抗取决于外部电路结构和介电常数(适合任何电容)。实际上，对于高性能微波电缆，没有必要考虑电容耦合，而只是对类似于RG316这样的单编织电缆，才有必要考虑。在一定条件下，Z_F可以被归一化成与外部电路无关。图1 给出了微波电缆的典型转移阻抗数据。因为表面传递阻抗测量需要电气短路的待测设备(DUT)，所以它们对微波传输线是不适合的，但它们能用于微波连接器测量。

屏蔽衰减被定义为在次级(外部)电路中最大功率与传播到初级(内部)电路中的功率之比。因为屏蔽衰减测量不要求被测器件为短电长度线，所以他们能适用于长形物体，如微波电缆。屏蔽衰减实际上仅仅被定义适用于电长度长的物体而与其机械长度无关。屏蔽衰减测量不仅依赖被测器件的屏蔽效应，而且还与测量系统有关，比如检测空腔与被测器件之间的速率和阻抗差。屏蔽衰减是一个二次幂屏蔽参数，在其测试结果的解释中具有大量固有的不确定性。

两个重要的附加函数：传递函数和求和函数。总的耦合传递函数被定义为测得的功率平方根, 它与发送到系统的功率平方根有关：

电缆测量的耦合传递函数不同于其近端和远端的耦合传递函数(T_n和T_f)。另外，它是一个复杂函数。相位影响是由以sinx/x形式的求和函数S表示的，并且对于近端S_n与远端S_f之间还有差别。(如图2所示)对于低频率，这两个求和函数是一致的；而对于高频率，此包络线则被表达为：

其近端与远端的截止点是

渐近值之间的交叉点是所谓的“截止频率”。此频率为电长度样本提供合适的测试频率。参数ε _r1和ε _r2是内、外系统的相对介电常数和/或是电缆长度。

对于截止频率的定义有一些混乱。通常在传输线理论中，截止频率是这么一个频率，从该频率开始，传播电波的下一个高次模将有可能开始激励。例如：在同轴电缆中，该频率指的是理论上当TE₁₁模与主模TEM一起被激励时的频率。在电磁兼容测量这种情况下，截止频率是求和函数穿越横轴时的频率点，而且DUT能被假定为电长度长物体(此电长度物体与截止频率的传统定义无关。)

其结果，截止频率对于两个不同的效应有一个单独的定义。这将会产生一些混淆，因为在高频三维测试时有一些地方需要具有同时考虑这两种效应。

MIL-C-17是美国同轴电缆工业的主要军用标准，但是它不包括射频屏蔽要求。MIL-T-81490 和MIL-C-87104适用于航空应用中的大功率同轴组件，而这两个标准具有类似的射频屏蔽检测标准和检测方法。此检测方法基于一个带有双短路的外电路终端的专用三维空腔(因而外同轴系统形成一个同轴谐振器)。

MIL-STD-1344 (方法3008)中的扰动模方法是用于连接器测试的。MIL-PRF-39012标准中含有同轴连接器屏蔽测试，包括一个三维空腔测试方法。国际电工技术委员会、第46技术委员会的第5工作组制定了一些国际标准。此国际电工技术委员会、第46技术委员会的第5工作组已经工作超过三十年, 目前正在公布一些有关同轴电缆屏蔽效应的标准。有一个与国际电工技术委员会的第77技术委员会相关的专门从事无线干扰的国际委员会。欧洲标准是由从事电气标准的欧洲委员会制订的。电缆通信工程师协会也公布了它自己的标准。目前，大多数电缆标准适用于低频同轴电缆。典型的应用包括无线基站的传输电缆或有线电视系统的传输电缆。所以，大多数的测试方法适用于2GHz以下的频率。至今，国际屏蔽标准虽然对美国电缆工业上没有什么约束影响，不过这种情况将来会改变，尤其是对于那些涉及出口业务或者使用海外制造设备的公司。