電磁屏蔽薄膜屏蔽效能的測量裝置

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

電磁屏蔽材料作為功能性新材料，在高端裝備產(chǎn)品、新興產(chǎn)業(yè)裝備、關(guān)鍵基礎(chǔ)產(chǎn)品中都有著廣泛的應(yīng)用。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26667-2011《電磁屏蔽材料術(shù)語》[1]把電磁屏蔽薄膜確定為十二大類電磁屏蔽材料中的一大類。電磁屏蔽薄膜通過在基底表面利用電離鍍、化學(xué)鍍、真空沉積等方法制備導(dǎo)電涂層以達到電磁屏蔽效果[2-5]。

屏蔽效能 (Shielding Effectiveness, SE)是表征電磁屏蔽材料屏蔽電磁波能力的重要參數(shù)。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種法蘭同軸測試裝置[6-10]，均采用同軸傳輸線理論[11]。當(dāng)前檢測機構(gòu)大多采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4935-2010或GB/T 30142-2013開展屏蔽效能測試。法蘭同軸法具有測試速度快、可重復(fù)性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽薄膜的屏蔽效能測試。但由于標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4935-2010規(guī)定的測試頻率范圍為30 MHz～1.5gHz、GB/T 30142-2013 規(guī)定的測試頻率范圍為 30 MHz～3gHz，測量頻率范圍窄 ,無法完全滿足當(dāng)前電子設(shè)備電磁兼容對更寬頻率范圍的測試需求。如何提高法蘭同軸法測試裝置的測量范圍，成為當(dāng)前研究的熱點[12-17]。

根據(jù)同軸傳輸線理論，截止頻率對法蘭同軸法測試裝置具有“雙重”影響。一方面，截止頻率越高，越適用于當(dāng)前電磁兼容測量需求；另一方面，截止頻率越高，對被測材料厚度的要求越“薄”，將影響部分較厚材料的屏蔽效能測試。與其他電磁屏蔽材料相比，電磁屏蔽薄膜在厚度方面具有較大優(yōu)勢，適合采用更寬頻段的法蘭同軸法測試裝置開展測試。

本文提出了一套頻率范圍 30 MHz～8gHz的法蘭同軸測量裝置，通過3D仿真軟件創(chuàng)新性采用電容補償和電感補償技術(shù)對裝置進行優(yōu)化設(shè)計并加工，滿足電磁屏蔽薄膜在更寬頻段的屏蔽效能測試。

1 理論及設(shè)計

1.1 屏蔽效能測量原理

根據(jù)GB/T 26667-2011對屏蔽效能的定義：

在同一激勵下的某點上，有屏蔽材料與無屏蔽材料時所測量到的電場強度、磁場強度或功率之比。

式中：SE—— 屏蔽效能（dB）；

H1—— 無屏蔽材料時的磁場強度；

H2—— 有屏蔽材料時的磁場強度；

E1—— 無屏蔽材料時的電場強度；

E2—— 有屏蔽材料時的電場強度；

P1—— 無屏蔽材料時的功率；

P2—— 有屏蔽材料時的功率

法蘭同軸法測試裝置技術(shù)基于同軸傳輸線傳輸主模TEM波的原理，電磁波在低于第一高次模截止頻率的同軸傳輸線中只傳輸TEM波[18]。因此，采用該測試裝置能模擬遠場平面波的屏蔽效能測試，測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 30 MHz～8gHz 法蘭同軸法測試系統(tǒng)

1.2 法蘭同軸法測試裝置的尺寸

法蘭同軸法測試裝置包括同軸測試夾具、射頻同軸接頭、過渡連接器、支撐介質(zhì)等部件（如圖2所示）。其中同軸測試夾具由左右對稱的兩部分組成，兩法蘭中間放置屏蔽材料。

圖2 30 MHz～8gHz 法蘭同軸法測試裝置

本裝置的頻率上限為8gHz，因此，需要確定同軸測試夾具內(nèi)導(dǎo)體半徑r1、外導(dǎo)體內(nèi)徑r2的尺寸。其中r1、r2的尺寸需滿足下面兩個條件[16-17]：

1）同軸測試夾具的特性阻抗z0（50 Ω）保持不變，即r1、r2比值不變；

2）在設(shè)備的最大操作頻率fmax范圍內(nèi)，只能傳播TEM主模。即，fmax需小于第一高次模TE11波的截止頻率fc，整理成公式：

通過重新整合式（4）（5），得到

式中：Z0—— 無耗同軸傳輸線的本征阻抗；

c0—— 真空中的光速；

fc—— 第一高次模TE11波的截止頻率；

η0—— 空氣中的波阻抗；

r1—— 同軸測試夾具內(nèi)導(dǎo)體半徑；

r2—— 同軸測試夾具外導(dǎo)體內(nèi)半徑

由于同軸測試裝置中只傳輸TEM波，因此第一高次模TE11波的截止頻率fc應(yīng)高于頻率上限fmax，工程應(yīng)用中通常fc＞fmax,?。篺c= 8.3gHz

整理計算得到同軸測試夾具的尺寸：

1.3 過渡連接器的選擇

在法蘭同軸測試裝置中，設(shè)計的尺寸應(yīng)滿足均勻50 Ω的特性，裝置末端為用于連接同軸傳輸線（10 dB，50 Ω）的N型同軸接頭，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為外導(dǎo)體內(nèi)徑a2= 3.5 mm，內(nèi)導(dǎo)體半徑a1= 1.52 mm，這就導(dǎo)致N型接頭與法蘭同軸測試夾具這兩部分的尺寸不一致，直接從大尺寸到小尺寸的直接連接，會產(chǎn)生嚴(yán)重的截面突變。

這種截面突變產(chǎn)生的階梯電容，極大引起TEM波的反射，從而影響整個測試裝置的時域阻抗，需要對該突變部分進行適當(dāng)?shù)男拚Ｍㄟ^采用一定長度的過渡段，將兩段突變的同軸線采用漸變方式連接將大大減小損耗。常用的過渡方式分為階梯式和漸變式，其功能都是減小反射，使阻抗達到匹配。直角階梯過渡不適用于外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體直徑比值大的情況；漸變式有錐形、指數(shù)型等，指數(shù)型曲線理論上引起損耗比錐形小，但數(shù)型曲線過渡在加工上會產(chǎn)生一定的難度。為便于加工，本項目采用錐形過渡方式。

1.4 電容補償與電感補償

通過錐形過渡連接器，N型同軸接口與法蘭測試夾具得到有效的連接，此時，整個裝置的框架已基本確定，錐形過渡連接器的具體尺寸對駐波比的影響不一。錐形過渡器的斜率不宜過大或過小，過大則錐形長度太短，截面突變影響嚴(yán)重；過小則錐形過渡器太長，同時內(nèi)外導(dǎo)體需要絕緣子支撐，過渡段與絕緣子在電磁波傳輸過程中均會產(chǎn)生損耗。通過仿真，確定了斜率及錯位尺寸、絕緣子的電感補償。本項目建立的仿真模型（見圖3），得到了最佳的回波損耗（見圖4）。

圖3 30 MHz～8gHz法蘭同軸測試裝置仿真模型

根據(jù)ASTM D4935-2011標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭同軸測試裝置仿真模型，在頻率范圍30MHz～1.5GHz，回波損耗（Return Loss）RL＜-30dB，即電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）＜ 1.2，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30142-2013 中，在頻率范圍30MHz～3gHz，回波損耗RL＜-30dB，即電壓駐波比VSWR＜ 1.2，同軸裝置的輸入信號視為無損傳輸。通過本項目研制裝置與兩種標(biāo)準(zhǔn)法蘭同軸裝置的仿真數(shù)據(jù)對比（如圖5所示）,可以看出，在頻率范圍30MHz～8GHz，RL＜-30dB，VSWR＜1.2，滿足測試需求。

圖4 回波損耗的優(yōu)化

圖5 8gHz 裝置與 1.5gHz、3gHz 裝置的回波損耗比對

2 實驗驗證

2.1 裝置的加工與測試

根據(jù)仿真優(yōu)化后的理想尺寸，對裝置進行加工與裝配，左右對稱的法蘭測試裝置通過導(dǎo)軌控制，裝置實物如圖6所示。

圖6 30 MHz～8gHz 法蘭同軸測試裝置實物

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（AgilentE8363B）測量后可看到裝置的回波損耗RL與駐波比VSWR，從圖7可發(fā)現(xiàn)，裝置實物的駐波比VSWR＜ 1.2，實測曲線與仿真曲線走向一致，實測值與仿真值的差值在10 dB范圍內(nèi)。

圖7 8gHz法蘭同軸測試裝置實測值與仿真值

2.2 電磁屏蔽薄膜屏蔽效能測試與分析

采用標(biāo)準(zhǔn)的鍍金聚酯薄膜進行屏蔽效能測試。從圖8可知，對于單層鍍金聚酯薄膜，薄膜的厚度（d≤ 5 μm），與入射波波長（λmin= 16 mm）相比，可忽略不計。根據(jù)Vasquez H[14]等人的觀點，可用式（9）判定電磁屏蔽薄膜屏蔽效能與表面電阻率之間的關(guān)系。

根據(jù)已知測試數(shù)據(jù)（見表1），在30 MHz頻率點下，SE= 42.8 dB，RA= 3.97 Ω，η0= 377 Ω，這些數(shù)據(jù)進一步驗證8gHz法蘭同軸測試裝置的有效性。

圖8 鍍金聚酯薄膜厚度測試

表1 電磁屏蔽薄膜法蘭同軸法屏蔽效能測試數(shù)據(jù)

通過本項目研制的8gHz法蘭同軸法測試裝置與 GB/T 30142-2013規(guī)定的 3gHz法蘭同軸法測試裝置分別進行測試，對標(biāo)準(zhǔn)電磁屏蔽薄膜進行屏蔽效能測試，比對數(shù)據(jù)曲線見圖9。

在 30 MHz～3gHz頻率范圍內(nèi)，兩者屏蔽效能測試數(shù)據(jù)接近；對于電磁屏蔽薄膜來說，在30 MHz～8gHz各個頻段單位內(nèi)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)。

圖9 電磁屏蔽薄膜屏蔽效能測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文通過理論推導(dǎo)、軟件仿真與加工制造，研制了一套法蘭同軸測試裝置，用于測量當(dāng)前電磁屏蔽薄膜在高頻段的屏蔽效能。主要優(yōu)點在于：

1）裝置的測試頻率范圍覆蓋 30 MHz～8gHz，駐波比VSWR＜ 1.2，滿足測試要求。

2）創(chuàng)新性采用電容補償和電感補償技術(shù)，解決由于錐形過度連接器和支撐介質(zhì)引起的裝置不連續(xù)性，實現(xiàn)裝置的阻抗匹配。

3）加工了法蘭同軸測試裝置，并采用標(biāo)準(zhǔn)鍍金聚酯薄膜對裝置進行驗證，證明裝置的實用性及有效性。

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