“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)及小物理尺寸器件的電磁性能測(cè)試

尹　瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)及小物理尺寸器件的電磁性能測(cè)試

尹瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

傳統(tǒng)的三同軸測(cè)試技術(shù)在測(cè)試物理尺寸較小的器件時(shí)存在局限性，在基于傳統(tǒng)三同軸測(cè)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，介紹了一種新的測(cè)試技術(shù)——“管中管”方法的技術(shù)原理，并著重?cái)⑹隽似湓陔娎|組件、連接器等物理尺寸較小的器件的電磁性能測(cè)試中的應(yīng)用。

三同軸方法；電磁兼容；管中管方法；轉(zhuǎn)移阻抗；屏蔽衰減；連接器；電纜組件

0　引　言

在測(cè)試屏蔽電纜和組件的電磁性能時(shí)，通常根據(jù)試樣的應(yīng)用條件，選擇不同的參數(shù)來(lái)表征其電磁性能。對(duì)于長(zhǎng)電長(zhǎng)度（試樣電長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于測(cè)試信號(hào)波長(zhǎng)）的試樣，可以選擇屏蔽衰減參數(shù)評(píng)估該類電纜的電磁性能；對(duì)于短電長(zhǎng)度（試樣電長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于測(cè)試信號(hào)波長(zhǎng)）的試樣，可以選擇轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)評(píng)估該類電纜的電磁性能；在試樣的應(yīng)用頻率覆蓋低頻和高頻的時(shí)候，可同時(shí)選擇轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)和屏蔽衰減參數(shù)；耦合衰減參數(shù)僅適用于屏蔽的對(duì)稱通信電纜。

常用的電纜屏蔽性能的測(cè)試方法有三同軸法、吸收鉗法、線注入法、混響室法等。由于三同軸測(cè)試技術(shù)可以同時(shí)覆蓋轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減、耦合衰減參數(shù)的測(cè)試要求，同時(shí)對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求低，無(wú)須建立專用的電磁屏蔽室，且具有測(cè)試速度快、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此三同軸技術(shù)在屏蔽電纜的電磁性能測(cè)試中得到了廣泛的使用。

但是，在測(cè)試物理尺寸較小的試樣（如RF連接器、接插件、電纜組件等）的屏蔽性能時(shí)，傳統(tǒng)的三同軸測(cè)試方法存在一定的局限性。

1　理論知識(shí)

1.1耦合長(zhǎng)度

當(dāng)試樣的有效長(zhǎng)度滿足式（1）時(shí)，認(rèn)為耦合長(zhǎng)度是短電長(zhǎng)度：

當(dāng)試樣的有效長(zhǎng)度滿足式（2）時(shí)，認(rèn)為耦合長(zhǎng)度是長(zhǎng)電長(zhǎng)度

式中：l為有效耦合長(zhǎng)度（m）；λ0為自由空間的波長(zhǎng)（m）；f為頻率（Hz）；εr1、εr2分別為內(nèi)系統(tǒng)和外系統(tǒng)的相對(duì)介電常數(shù)；c0為自由空間的光速（m/s）。

1.2（表面）轉(zhuǎn)移阻抗

轉(zhuǎn)移阻抗定義為當(dāng)試樣的耦合長(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)λ時(shí)，單位長(zhǎng)度上外系統(tǒng)的感應(yīng)電壓與內(nèi)系統(tǒng)注入的信號(hào)電流的比值（mΩ/m）。外系統(tǒng)是指試樣的屏蔽層與測(cè)試管的內(nèi)徑形成的系統(tǒng)，內(nèi)系統(tǒng)是指試樣的內(nèi)導(dǎo)體與試樣的屏蔽層形成的系統(tǒng)。

式中：ZT為轉(zhuǎn)移阻抗（mΩ/m）；U2為外系統(tǒng)電壓（V；）I1為內(nèi)系統(tǒng)的電流（A）；l為試樣的耦合長(zhǎng)度（m）。

1.3屏蔽衰減

注入功率P1與周期性最大輻射功率Pr，max的對(duì)數(shù)比值，定義為屏蔽衰減，其公式為：

式中：as為屏蔽衰減（dB）；P1為注入功率（W）；Pr，max為周期性輻射功率的最大值（W）。

2　傳統(tǒng)三同軸測(cè)試技術(shù)原理及局限性

圖1是傳統(tǒng)三同軸技術(shù)測(cè)試屏蔽電纜的電磁性能的測(cè)試裝置示意圖。圖2是三同軸測(cè)試裝置的等效電路圖。三同軸測(cè)試裝置的測(cè)試管通常是由具有良好導(dǎo)電性能的非磁性的金屬管（例如黃銅、紫銅或鋁）構(gòu)成，被測(cè)屏蔽電纜放置于測(cè)試管的中心，被測(cè)電纜的內(nèi)導(dǎo)體、屏蔽層以及測(cè)試管的內(nèi)徑三軸合一，因此該方法稱為三同軸方法。其中，被測(cè)電纜的內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層形成內(nèi)系統(tǒng)；被測(cè)電纜的屏蔽層與測(cè)試管形成外系統(tǒng)；屏蔽層既是內(nèi)系統(tǒng)的外導(dǎo)體，又是外系統(tǒng)的內(nèi)導(dǎo)體。外系統(tǒng)的阻抗Z2與測(cè)試管內(nèi)徑以及被測(cè)電纜的屏蔽層外徑相關(guān)。在測(cè)試中，由信號(hào)源向內(nèi)系統(tǒng)（被測(cè)電纜）注入信號(hào)，并在外系統(tǒng)中通過(guò)接收機(jī)接收信號(hào)。內(nèi)系統(tǒng)通常是處于匹配狀態(tài)（在測(cè)試轉(zhuǎn)移阻抗時(shí)，內(nèi)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端也可以處于短路狀態(tài)），而外系統(tǒng)在近端（信號(hào)源一側(cè)）處于電氣短路狀態(tài)。

在頻率較低時(shí)，信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于試樣的耦合長(zhǎng)度（l?λ），信號(hào)在被測(cè)件的傳播可以忽略。由于外系統(tǒng)近端處于短路狀態(tài)，電容耦合導(dǎo)納可以被忽略，此時(shí)有

圖1　三同軸測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖

圖2　三同軸測(cè)試系統(tǒng)的等效電路圖

隨著頻率的提高，當(dāng)耦合長(zhǎng)度和波長(zhǎng)可以相比擬時(shí)，波的傳輸不再被忽略，此時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗ZT將隨頻率的增加而增加：

同樣，由電容耦合引起的容性耦合阻抗ZF不再被忽略：

此時(shí)，在內(nèi)系統(tǒng)注入的信號(hào)耦合到外系統(tǒng)后，耦合信號(hào)的一部分將向外系統(tǒng)的近端傳輸，另一部分將向外系統(tǒng)的遠(yuǎn)端傳輸。由于外系統(tǒng)在近端處于短路狀態(tài)，因此信號(hào)在短路點(diǎn)將發(fā)生全反射，反射信號(hào)將向外系統(tǒng)的遠(yuǎn)端傳輸。因此，連接在外系統(tǒng)遠(yuǎn)端的接收機(jī)接收的是兩個(gè)信號(hào)的矢量疊加和。輸入信號(hào)U1和輸出信號(hào)U2有下列關(guān)系：

圖3　函數(shù)的頻率響應(yīng)曲線

圖4、圖5分別是耦合長(zhǎng)度為1 m和2 m的同軸電纜樣品實(shí)測(cè)圖。

圖4　耦合長(zhǎng)度1 m時(shí)的測(cè)試曲線

圖5　耦合長(zhǎng)度2 m時(shí)的測(cè)試曲線

因此，三同軸技術(shù)測(cè)試屏蔽衰減的最低可測(cè)試頻率與耦合長(zhǎng)度相關(guān)，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)頻率時(shí)，無(wú)法得到正確的結(jié)果。我們將這個(gè)最低可測(cè)試的頻率稱之為下截止頻率fcut_l：

表1為不同的耦合長(zhǎng)度與下截止頻率的關(guān)系。在此假設(shè)內(nèi)系統(tǒng)的等效介電常數(shù)εr1＝2.3（實(shí)心PE）及εr1＝1.6（發(fā)泡PE），外系統(tǒng)εr2＝1.0。

表1　耦合長(zhǎng)度與下截止頻率關(guān)系

在進(jìn)行屏蔽衰減測(cè)試時(shí)，我們往往選擇試樣長(zhǎng)度1～3 m或更長(zhǎng)，可以獲得被測(cè)試樣較低頻率的屏蔽性能數(shù)據(jù)。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，連接器、組件或短段電纜試樣的物理尺寸較小，如一般連接器的物理尺寸在0.05～0.1 m之間，而多數(shù)組件的物理長(zhǎng)度也小于0.5 m，此時(shí)的下截止頻率可能高達(dá)數(shù)GHz。因此，想利用三同軸技術(shù)測(cè)試這些物理尺寸小的試樣，必須解決下截止頻率偏高的問(wèn)題。圖6為部分常見(jiàn)的組件和連接器。

圖6　部分常見(jiàn)的組件、連接器實(shí)物圖

3　“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)的原理

根據(jù)三同軸測(cè)試技術(shù)的原理和頻率響應(yīng)特性，想降低下截止頻率fcut_l，其中一個(gè)簡(jiǎn)便的方法是增加耦合長(zhǎng)度。增加試樣的耦合長(zhǎng)度使其截止頻率降低，同時(shí)額外增加的耦合長(zhǎng)度部分不會(huì)產(chǎn)生新的電磁信號(hào)泄露，保證測(cè)試系統(tǒng)所接收的泄露信號(hào)僅來(lái)源于被測(cè)件，這就是“管中管”三同軸技術(shù)的原理。

圖7為“管中管”三同軸測(cè)試裝置的示意圖。和傳統(tǒng)的三同軸技術(shù)不同，“管中管”技術(shù)用一根具有一定壁厚的銅管延長(zhǎng)被測(cè)件的電長(zhǎng)度（銅管稱為延長(zhǎng)管）。從圖7中可以看出，待測(cè)件被延長(zhǎng)，耦合長(zhǎng)度包括試樣本身的長(zhǎng)度和在測(cè)試管中的延長(zhǎng)管的長(zhǎng)度。管中管測(cè)試系統(tǒng)在近端是短路狀態(tài)，在遠(yuǎn)端，待測(cè)件靠近信號(hào)接收器的一側(cè)連接一個(gè)等于其特性阻抗的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。負(fù)載及其與被測(cè)件的連接部分應(yīng)具有良好的屏蔽，防止信號(hào)外泄。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)測(cè)試引線向內(nèi)系統(tǒng)注入信號(hào)，從內(nèi)系統(tǒng)耦合到外系統(tǒng)的高頻信號(hào)在內(nèi)外系統(tǒng)之間進(jìn)行正向和反向傳輸，在近端短路處信號(hào)被反射，這樣在遠(yuǎn)端就可以測(cè)得兩個(gè)不同方向的電磁波的疊加。輸入信號(hào)電壓與遠(yuǎn)端測(cè)得的反射信號(hào)的電壓的對(duì)數(shù)比就是屏蔽衰減。

圖7　“管中管”三同軸測(cè)試裝置示意圖

為了降低系統(tǒng)的失配影響，測(cè)試管與延長(zhǎng)管形成的阻抗應(yīng)與信號(hào)源、接收機(jī)的阻抗一致。由于延長(zhǎng)管的管徑具有足夠的厚度，可以認(rèn)為其屏蔽性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)件，所以接收機(jī)接收的泄露信號(hào)均來(lái)源于被測(cè)件。

可以看出，“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)通過(guò)延長(zhǎng)短電長(zhǎng)度器件的電長(zhǎng)度，使系統(tǒng)的下截止頻率fcut_l向更低的頻率擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)較低頻率下電磁性能的測(cè)試。

4　“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，我們先確定延長(zhǎng)管的長(zhǎng)度，以滿足被測(cè)件的測(cè)試頻段的要求；然后根據(jù)被測(cè)件的類型，選擇相應(yīng)的連接或安裝方式，以滿足測(cè)試連接的要求。圖8為常見(jiàn)組件和器件的安裝方法，圖9為三同軸管中管測(cè)試裝置的實(shí)物圖。

圖8　管中管方法的短試樣連接示意圖

圖9　三同軸管中管測(cè)試裝置圖

測(cè)試實(shí)例1：一根長(zhǎng)度為50 mm的SMA（J）-SMA（J）的電纜組件，其連接的電纜為PE絕緣同軸電纜。通過(guò)計(jì)算，得到其下截止頻率在5.8 GHz左右。為了得到較低的下截止頻率，我們采用三個(gè)分別為0.5 m、1 m、2 m的耦合長(zhǎng)度，進(jìn)行測(cè)試。圖10、圖11、圖12為測(cè)試結(jié)果。

從圖中可以清楚地看出，隨著耦合長(zhǎng)度的增加，測(cè)試曲線的截止頻率明顯向低頻段延伸。

圖10　耦合長(zhǎng)度0.5 m時(shí)的測(cè)試曲線

圖11　耦合長(zhǎng)度1 m時(shí)的測(cè)試曲線

圖12　耦合長(zhǎng)度2 m時(shí)的測(cè)試曲線

值得注意的是，當(dāng)被測(cè)件是接插件時(shí)，測(cè)試值反映的是被測(cè)件、與被測(cè)件相連的電纜、連接被測(cè)件的適配器（若有的話）的綜合屏蔽性能。

5　結(jié)　論

“管中管”三同軸測(cè)試技術(shù)，通過(guò)延長(zhǎng)管和物理尺寸較小的試件相連接，增加系統(tǒng)的耦合長(zhǎng)度，從而降低測(cè)試系統(tǒng)的下截止頻率，解決傳統(tǒng)三同軸測(cè)試技術(shù)在小物理尺寸器件測(cè)試中存在的局限性。該技術(shù)可用于RF連接器、組件等電磁性能的測(cè)試。同時(shí)，該技術(shù)和傳統(tǒng)三同軸技術(shù)一樣，具有非常高的動(dòng)態(tài)范圍。以半剛電纜組件實(shí)測(cè)上海電纜研究所研制的管中管測(cè)試設(shè)備，其動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到125dB以上。

[1]IEC 62153-4-1：2007Electromagnetic Compatibility（EMC）-Introduction to electromagnetic（EMC）screening measurements [S].

[2]IEC 62153-4-7：2007Metallic communication cable testmethods-Part 4-7：Shielded screening attenuation test method for measuring the transfer impedance ZT and the screening attenuation or the coupling attenuation of RF-Connectors and assemblies up to and above 3 GHz，Tube in tubemethod[S].

Tube-in-Tube Triaxial M ethod for M easuing Electromagnetic Com patibility（EMC）of RF-Connectors and Assemblies

YIN Ying
（Shanghai Electrical Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

Triaxial-tubemethod is used widely in the the EMCmeasurement of shield screening cables，but it is not appriate for cable assemblies and connectors.A new test method based on the traditional triaxial-tube，named as“tube-in-tube”，can be applied to determine the screening effectiveness of connectors and cable assemblies.

triaxialmethod；EMC；tubu-in-Tube method；transfer impedance；screening attenuation；RF-connectors；cable assembly

TM246.9

A

1672-6901（2016）01-0036-05

2015-07-24

科技部科技支撐計(jì)劃（2012BAB19B02）

尹瑩（1973-），女，高級(jí)工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)[200093].