屏蔽效能寬帶同軸線夾具的優(yōu)化設(shè)計與測試

陳 翔 陳永光 魏 明 羅 樂 胡小鋒

(1.軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北 石家莊 050003；2.解放軍63893部隊(duì)，河南 洛陽 471003)

引 言

材料電磁脈沖屏蔽效能的測試，是強(qiáng)場作用下的弱信號測量，必然要求測試系統(tǒng)有足夠大的動態(tài)范圍[1-3].在參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[4]的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一些脈沖時域測試方法，如“窗口法”、“試件法”，由于受脈沖場傳感器的制約，動態(tài)范圍有限，而使用同軸線夾具測試方法則能很好地克服這一問題.目前，比較典型的同軸線夾具測試方法有美國材料試驗(yàn)學(xué)會(American Society for Testing and Materials，ASTM)的兩個標(biāo)準(zhǔn)ES7和D4935，其測試頻率上限均為1.5 GHz[6].ASTM ES7的特點(diǎn)是同軸的中心導(dǎo)體連續(xù)，其低頻下限主要由信號源確定，理論上可到直流.而ASTM D4935特點(diǎn)是測試時內(nèi)外導(dǎo)體全斷開，使用法蘭配合塑料螺母夾持材料，依靠測試面的容性電流保持電連接，其頻率下限為30 MHz[7].

雖然Sarto M S等[8]和Vasquez H L等[9]分別在2006年和2009年，研制了高頻上限達(dá)8 GHz和13.5 GHz的導(dǎo)體斷開同軸線夾具，但其低頻性能仍然不足.且ASTM ES7同軸線夾具模擬的情況更接近于無限大平面材料在自由空間的情況，更適合于材料的電磁脈沖屏蔽效能測試.文獻(xiàn)[10]使用基于ASTM ES7標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)1.5 GHz同軸測試線夾具搭建了時域測試系統(tǒng)，并提出縮小同軸的尺寸來改善其高頻性能的建議.本文使用粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization，PSO)算法結(jié)合電磁場數(shù)值計算軟件，設(shè)計制作了一種寬帶同軸線夾具測試裝置，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建了材料屏蔽效能頻域測試系統(tǒng)，測量了同軸線夾具的回波損耗(Return Loss，RL)和兩種金屬織物材料的插入損耗(Insertion Loss，IL)，比較了與使用1.5 GHz改進(jìn)同軸線夾具的測試結(jié)果.

1 同軸線夾具的優(yōu)化設(shè)計

圖1為參考ASTM ES-7標(biāo)準(zhǔn)制作的寬帶同軸線夾具測試裝置示意圖，內(nèi)導(dǎo)體連續(xù)且貫通材料樣本中心，構(gòu)成低頻回路，外導(dǎo)體由螺母連接.下面分別從同軸的尺寸、過渡段和支撐介質(zhì)三個方面進(jìn)行討論.

圖1 寬帶同軸線夾具的示意圖

1.1 同軸的內(nèi)外導(dǎo)體尺寸

為使同軸僅傳輸橫電磁波(Transverse Electric and Magnetic，TEM)模，同軸必須工作在截止頻率以下.而TE11模作為截止頻率最低的模式，其大小與同軸內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸需滿足

(1)

式中：fc為TE11模截止頻率；c0為光速；R1為內(nèi)導(dǎo)體的直徑；R2為外導(dǎo)體的內(nèi)直徑.

同軸的阻抗由式(2)確定

(2)

式中：Z0為同軸阻抗；η0為空氣阻抗；εr為填充介質(zhì)的相對介電常數(shù).為保證同軸線夾具與測試系統(tǒng)其它組件的匹配，取Z0=50Ω.

聯(lián)立式(1)、(2)，得到同軸的尺寸與截止頻率的關(guān)系式為

(3)

(4)

陳翔等[10]之前進(jìn)行的材料電磁脈沖屏蔽效能試驗(yàn)中所使用的方波脈沖源，其上升沿大約在300 ps左右，包含有頻率很高的成分.為保證同軸工作在TEM模式下，并為設(shè)計留有足夠的余量，取同軸的截止頻率為10 GHz，計算得到R1=5.78 mm，R2=13.3 mm.

1.2 過渡段的設(shè)計

同軸線夾具末端使用N型同軸連接器底座與線纜連接，文中選用L16-50KF連接器，其內(nèi)導(dǎo)體芯的直徑R11=3.04 mm，要保持50 Ω阻抗的連續(xù)，則R22=7 mm.同軸尺寸突變的地方會產(chǎn)生不連續(xù)階梯電容，處理不好會導(dǎo)致傳輸TEM波的強(qiáng)烈反射，影響到同軸的性能.對過渡段的處理方式有漸變式和階梯式[11]，文中R1/R11=1.90，在內(nèi)外徑之比不大時選擇階梯式過渡，即可通過較短的過渡段滿足所需的性能要求，如圖1所示.使用CST電磁場仿真軟件進(jìn)行參數(shù)掃描，得A=1.64 mm時同軸線夾具的回波損耗最小.

1.3 支撐介質(zhì)的設(shè)計

支撐介質(zhì)通常選用介電常數(shù)較小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)，取相對介電常數(shù)εr=2.1，厚度d=4 mm.圖2為圖1中支撐介質(zhì)部分的局部放大圖，支撐介質(zhì)的引入會改變該處同軸的阻抗.

圖2 支撐介質(zhì)示意圖

為保證同軸的阻抗為50 Ω，按式(5)重新計算同軸的內(nèi)外徑比例，將內(nèi)外導(dǎo)體設(shè)計成圖2所示的槽狀結(jié)構(gòu)[12].

(5)

在滿足式(5)的條件下，可以得到不同的外導(dǎo)體槽深h2和內(nèi)導(dǎo)體槽深h1組合，將式(5)重寫為

(6)

得到h2與h1的關(guān)系式

h2=3.30(R1/2-h1)-R2/2 .

(7)

為進(jìn)一步降低不連續(xù)電容，減少在寬頻帶上的反射，常常在支撐介質(zhì)與空氣交界面上挖一個環(huán)形凹槽(圖2)，形成小電感來補(bǔ)償不連續(xù)電容.環(huán)形凹槽的深度W和寬度L，將直接影響同軸的性能.

此外，同軸中兩個支撐介質(zhì)間的距離2(l1-A-B-d)以及支撐介質(zhì)與外導(dǎo)體直徑變化處的距離(A+B)都會影響諧振頻點(diǎn)，為削弱這種影響[11]，取2(l1-A-B-d)≥2R2，A+B≥R2.其中，僅有參數(shù)B未定，經(jīng)整理得B的取值范圍：R2-A≤B≤l1-A-d-R2，取l1=10mm，l2=40mm.

通過前面的分析，還有三個參數(shù)需要最終確定，其約束條件分別為B(11.7～21 mm)、L(0.1～3.6 mm)、W(0.1～0.5 mm).使用CST仿真軟件對有支撐介質(zhì)的同軸線夾具進(jìn)行參數(shù)化建模，結(jié)合基本PSO算法對三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使RL(0～10 GHz)的最大值不斷變小，直到整個迭代過程完成.

取粒子的數(shù)目為30，最大迭代次數(shù)為15，使用PSO算法尋優(yōu)，當(dāng)B=16.44 mm，L=3.42 mm，W=0.46 mm，LRmax=0.023時.圖3為對支撐介質(zhì)進(jìn)行共面補(bǔ)償并優(yōu)化后同軸線夾具在0～10 GHz的回波損耗曲線，在4.2 GHz的時候LRmax=-32.7 dB，相比未經(jīng)以上優(yōu)化的同軸線夾具有了很大的改善.

圖3 優(yōu)化前后同軸線夾具的回波損耗

2 實(shí)測試驗(yàn)

2.1 寬帶同軸線夾具的頻域性能測試

選用黃銅作為材料，按照上節(jié)優(yōu)化得到的尺寸制作寬帶同軸線夾具.使用表1中的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer，VNA)1與其組成材料屏蔽效能頻域測試系統(tǒng)，如圖4所示.寬帶同軸線夾具1的兩端通過轉(zhuǎn)接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的線纜接頭相連.

表1 試驗(yàn)設(shè)備

使用VNA1的線性掃頻模式測試同軸線夾具1在10 MHz～10 GHz的回波損耗，如圖5所示.另外，還使用了表1中的VNA2測量同軸線夾具1的回波損耗，結(jié)果表明在300 kHz～10 MHz的回波損耗LR小于-38 dB.綜上，該寬帶同軸線裝置在6.4 GHz以下的LR小于-20 dB(駐波比小于1.2).

圖4 寬帶屏蔽效能頻域測試系統(tǒng)

圖5 寬帶同軸線夾具的回波損耗

對比圖3和圖5可發(fā)現(xiàn)仿真與實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果有很大的不同.這是由于仿真設(shè)計中假設(shè)同軸兩端為理想狀態(tài)、阻抗均為50 Ω的源和負(fù)載，而實(shí)際測試系統(tǒng)中，還需要使用N型同軸連接頭、線纜及其轉(zhuǎn)接頭等與VNA相連.還有一個重要原因是仿真中假設(shè)支撐介質(zhì)為理想介電常數(shù)為2.1的PTFE，而實(shí)際使用中的PTFE的電磁參數(shù)則并不能很好地控制.此外，零件機(jī)械加工的公差以及內(nèi)外導(dǎo)體制造和裝配產(chǎn)生的不同軸等因素.這些都會影響同軸線夾具的性能，最終導(dǎo)致仿真和實(shí)測性能的出入.

2.2 金屬織物的屏蔽效能測試

寬帶同軸線夾具的夾持材料部分設(shè)計如圖6所示，內(nèi)導(dǎo)體一端留有長5 mm、直徑3 mm的栓舌，另一端留有與之配合的孔洞，這樣可以很好的保持內(nèi)導(dǎo)體的連續(xù)性和徑向的定位，外導(dǎo)體則由大螺母連接.試驗(yàn)時僅需準(zhǔn)備內(nèi)徑3 mm、外徑41 mm的圓環(huán)狀試樣即可，材料厚度不得超過5 mm.

圖6 同軸線夾具的夾持材料部分

下面選用兩種不同的金屬織物屏蔽材料AM-01和AM-03材料進(jìn)行測試，使用圖4所示的材料屏蔽效能測試系統(tǒng)測得兩種材料的插入損耗，結(jié)果如圖7所示.兩種材料的LI值在0～6 GHz相差大約5 dB，在整個頻段上的趨勢基本一致.

圖7 兩種材料的插入損耗曲線

文獻(xiàn)[8]已經(jīng)指出，材料的厚度、介電常數(shù)均會影響到插入損耗曲線的諧振頻點(diǎn)，進(jìn)而決定同軸線夾具的可用頻率范圍.由圖7同樣可看出，在6.4～10 GHz區(qū)間，由于諧振的存在，AM-01的插入損耗值甚至?xí)笥贏M-03.

為了說明寬帶同軸線夾具1相對于同軸線夾具2的改善，使用同軸線夾具2和VNA2組成的材料屏蔽效能測試系統(tǒng)同樣對以上兩種材料進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8所示.可見同軸線夾具1在0～6.4 GHz的范圍內(nèi)測得的材料插入損耗曲線比較平滑，而同軸線夾具2測得的曲線在頻段內(nèi)則有很大的波動.研制的寬帶同軸線夾具1在將材料屏蔽效能的測試頻段高頻最低擴(kuò)展到6.4 GHz的同時，還保證了低頻可達(dá)直流(根據(jù)信號源而定).6.4～10 GHz的測試數(shù)據(jù)也可作為參考，能夠在一定程度上反映材料在該頻段的屏蔽性能.

圖8 兩種同軸線夾具測得的材料插入損耗曲線

使用同軸線夾具裝置測得的是材料的插入損耗，而插入損耗作為對材料屏蔽效能的估計，是否精確的等價于材料的屏蔽效能，主要取決于材料的電厚度和同軸線的電長度[13-14].取寬帶同軸線夾具的頻率上限為6.4 GHz，則電薄材料(波長的1%)的厚度不應(yīng)超過0.47 mm，文中的兩種材料完全符合要求.筆者僅對金屬織物屏蔽材料進(jìn)行了測試，對于其它一些材料如導(dǎo)電玻璃、導(dǎo)電薄膜等的適用性還需要進(jìn)一步研究.

文中制作的同軸性能與仿真結(jié)果有較大差異，還需要反復(fù)改進(jìn)和試驗(yàn).如支撐介質(zhì)可以嘗試使用帶氣孔的支撐介質(zhì)，以獲得更小的介電常數(shù)；仿真時將同軸接頭底座的引入也考慮到.此外，在滿足材料測試動態(tài)范圍的條件下還可以給同軸線夾具連接上50 Ω的衰減器來更好的匹配整個測試系統(tǒng).

3 結(jié) 論

使用粒子群優(yōu)化算法結(jié)合電磁場數(shù)值分析軟件對同軸線夾具裝置的支撐介質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使其在寬頻帶上(0～10 GHz)的回波損耗小于-32.7 dB，得到了寬帶同軸線夾具裝置的關(guān)鍵尺寸.

實(shí)測試驗(yàn)表明該寬帶同軸線夾具的回波損耗在6.4 GHz以下小于-20 dB，能夠在0～6.4 GHz范圍內(nèi)準(zhǔn)確評價材料的屏蔽效能，而且所需的材料試樣更小，測試曲線更平滑，測試速度更快.

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