基于輻射發(fā)射的互連電纜屏蔽效能測試研究

趙煒銘，王添文，彭光宇

(中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著軍用設備電磁兼容性要求越來越嚴格，武器裝備廣泛應用屏蔽電纜來控制電纜的輻射發(fā)射?；ミB電纜是武器裝備最重要的電磁泄漏途徑，電纜屏蔽效能高低將極大影響武器裝備電磁兼容性。目前，互連電纜一般通過轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減來表征外界電磁環(huán)境對電纜芯線的耦合能力。

轉(zhuǎn)移阻抗的測量有三同軸法和線注入法。其主要思想是構(gòu)建2個內(nèi)、外測量回路，通過測量內(nèi)、外回路的電參數(shù)值，計算開路電壓與屏蔽層電流比值得到轉(zhuǎn)移阻抗。由于是基于電路的原理，因此其測量頻率范圍一般只能在幾百MHz以內(nèi)。

屏蔽衰減測量，既有基于內(nèi)外回路傳輸線理論，又有基于場的理論，其基本思想是在某一回路注入功率，然后在另一回路測量其經(jīng)過衰減后接收的功率[1]。通過功率比值來計算屏蔽衰減。主要測量方法有功率吸收鉗法、注入鉗法和混響室法。

屏蔽電纜測試方法國內(nèi)主要有GB 9023—1988中的基于三同軸測試方法測量轉(zhuǎn)移阻抗[2]、GB/T 15217—1994中的采用吸收鉗法測量屏蔽衰減[3]、GB 17737.1—2000中的線注入法、三同軸法、吸收鉗法[4]和GJB 1217—1991中的混響室法[5]等。國外主要有IEC61196[6]、IEC62153[7]、IEC61726[8]和MIL-STD-1344A[9]等標準，涉及的測試方法有三同軸法、注入鉗法、吸收鉗法、線注入法、管中管法和混響室法。

轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減反映的都是外界環(huán)境對電纜的影響，主要是從抗擾度的角度出發(fā)表征屏蔽效能，而在實際應用中，屏蔽電纜不僅用于抑制外部電磁環(huán)境對電纜的影響，還應用于抑制內(nèi)部電纜對外的輻射，特別是目前武器裝備廣泛應用屏蔽電纜來控制輻射發(fā)射，因此非常有必要從輻射的角度，從實際工程應用角度研究屏蔽效能的測量。

1 互連電纜屏蔽效能測試方法

1.1 測試原理

互連電纜屏蔽效能可定義為：線纜有無屏蔽層時，在空間某點輻射電磁場強的比值。根據(jù)屏蔽效能的定義，可以得到如下論點。

1)為了使線纜輻射的電磁場不受外界電磁場的影響，屏蔽效能測試需要在微波暗室內(nèi)進行。

2)屏蔽效能是相對于基準的比值，根據(jù)定義線纜屏蔽效能的基準應是無屏蔽層的導線。

3)接著測量有屏蔽層的電纜的場強值，2個場強值之比為屏蔽層的屏蔽效能，此時要求無屏蔽層時芯線傳輸?shù)亩丝陔娏髋c有屏蔽層時芯線傳輸?shù)亩丝陔娏饕恢?，當不一致時應進行修正。

圖1所示為屏蔽電纜輻射模型，圖2所示為去除屏蔽層后芯線輻射模型。

圖1 屏蔽電纜輻射模型

a) 屏蔽電纜無屏蔽層時理想輻射、芯線電流相等

E2=K3I3+K2I2

(1)

(2)

E1=K1I1

(3)

式中，K1為芯線對地回路共模輻射因子；K2為芯線-屏蔽層差?；芈份椛湟蜃?；K3為屏蔽層對地回路共模輻射因子，是電纜長度、離地高度、頻率、電纜直徑的函數(shù)。

將式3代入式2可得

(4)

根據(jù)屏蔽效能定義可得

(5)

用對數(shù)表示屏蔽效能為

(6)

當采用相同電流測量時，I1=I2，可得

(7)

而在實際測試過程中，不可能等電流測量，但可以輸入端等功率測量，又因為

(8)

(9)

式中，P為輸入功率；R1為單線回路輸入阻抗；R2為屏蔽電纜輸入阻抗。

將式8和式9代入式6，得：

(10)

因此屏蔽效能的測量原理可分為2個功能測量：第一輸入阻抗測量和第二輻射場強測量。具體步驟可分為：1)無屏蔽層芯線輸入阻抗測量；2)無屏蔽層芯線輻射場強測量；3)屏蔽電纜輸入阻抗測量；4)屏蔽電纜輻射場強測量。

1.2 屏蔽效能測量系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)GJB 151B中RE102(10 kHz～18 GHz 電場輻射發(fā)射)[10]，其適用范圍為設備和分系統(tǒng)殼體和所有互連電纜的輻射發(fā)射，通過引用RE102的測試布置，在消除殼體輻射的前提下，可以得到互連電纜的場強值。

圖3所示為檢測系統(tǒng)的基本配置，圖4所示為建立的電纜屏蔽效能檢測系統(tǒng)，有如下組成部分：1)半電波暗室構(gòu)成測試場地；2)信號源、信號輸入同軸電纜、被測互連電纜和接地測試桌構(gòu)成測試回路形成輻射系統(tǒng)；3)天線、頻譜儀和信號輸出同軸電纜構(gòu)成輻射場強接收系統(tǒng)；4)矢量網(wǎng)絡分析儀用于輸入阻抗測量；5)屏蔽轉(zhuǎn)接箱用于屏蔽同軸電纜與互連電纜的轉(zhuǎn)接并起屏蔽作用，以及將輸入端屏蔽層360°連接，屏蔽負載箱用于屏蔽負載，以及將輸出端屏蔽層360°接地連接，屏蔽金屬管為銅管，用于暗室內(nèi)信號輸入同軸電纜的加強屏蔽，降低同軸電纜的輻射，其一端與屏蔽轉(zhuǎn)接箱的面板焊接，另一端與暗室的轉(zhuǎn)接面板焊接。

圖3 檢測系統(tǒng)

圖4 建立的電纜屏蔽效能檢測系統(tǒng)

2 電纜測試屏蔽效能測試及數(shù)據(jù)分析

2.1 電纜屏蔽效能測試

圖5所示為瑞侃防波套，直徑為6.0 mm，股數(shù)為24，根數(shù)為9，線徑為0.13 mm。從圖5可以看出，在10 kHz～1 MHz時，屏蔽效能隨著頻率的增大而增大，剛開始屏蔽效能低的原因是由于低頻屏蔽層內(nèi)表面的回流電流較小，部分回流電流是通過地回路回流，因此低頻屏蔽效能較差，隨著頻率升高時，由于對地阻抗逐漸增大，此時大部分電流從屏蔽層內(nèi)表面流過，地回路電流較小，對地形成的共模輻射變小，因此屏蔽效能變大；大于1 MHz時，隨著頻率升高，由于屏蔽編織層轉(zhuǎn)移阻抗隨頻率逐漸增大的原因，在屏蔽層外表面產(chǎn)生較大的縱向電壓，使得屏蔽層外表面電流變大，產(chǎn)生較大的共模輻射，導致屏蔽效能變差。

圖5 瑞侃φ6.0屏蔽效能

圖6所示為瑞侃防波套直徑為10.0與單層導電布的屏蔽效能，瑞侃10.0其股數(shù)為36，根數(shù)為12，線徑為0.13 mm，從圖6可以看出，10 kHz～100 MHz防波套性能好，而從100 MHz以上，導電布屏蔽效能好。低頻導電布屏蔽效能差的原因是導電布直流電阻較差，導電布高頻屏蔽效能好的原因是屏蔽布的縫隙孔洞極小，防波套的孔洞縫隙較大。

圖6 瑞侃φ10.0與單層導電布屏蔽效能比較

圖7所示為鋁箔與導電布測試性能比較，從圖7中可以看出，雙層導電布在整個頻段都比單層導電布屏蔽效果好，另外鋁箔在整個頻段比單層導電布好，但在100 MHz以上雙層導電布的屏蔽效能比鋁箔的好，其原因在于雙層導電布厚度與鋁箔相比較厚。

圖7 鋁箔與導電布測試性能比較

圖8所示為鋁箔、雙層導電布、銅管屏蔽效能比較，從圖8可以看出，整個頻段都是銅管屏蔽效能較好，銅管屏蔽效果好的原因是直流電阻較小以及無縫隙，另外，銅管的壁厚較厚，壁厚為1 mm。

圖8 鋁箔、雙層導電布、銅管屏蔽效能比較

圖9所示為同軸電纜屏蔽效能比較，RG142為雙層編織屏蔽，JC200為一層編織一層鋁箔，SYV50-3為國產(chǎn)單層編織，RG58為進口單層編織。從圖9中可以看出，RG142的屏蔽效能整個頻段都較好，JC200在3 MHz以下時，屏蔽效能與RG58和SYV50-3一致，而在3 MHz以上時，屏蔽效能較好。而RG58和SYV50-3基本一致。

圖9 同軸電纜屏蔽效能比較

圖10所示為HTPQ 16*24防波套屏蔽效能，電纜參數(shù)為48×11×0.12，電纜直徑為16 mm，其屏蔽效能變化趨勢是先升高后震蕩降低。

圖10 HTPQ 16*24防波套屏蔽效能

圖11所示為HTPQ 24*30防波套屏蔽效能，電纜參數(shù)為48×11×0.15，電纜直徑為20 mm，其屏蔽效能變化趨勢與圖10變化趨勢一致，先升高后震蕩降低。

圖11 HTPQ 24*30防波套屏蔽效能

圖12所示為HTPQ 16*24單層屏蔽、HTPQ 24*30單層屏蔽以及兩者的雙層屏蔽，從圖12可以看出，從200 kHz開始，雙層屏蔽的高頻屏蔽效果明顯好于單層屏蔽，其原因是雙層屏蔽構(gòu)成2次屏蔽，另外所形成的縫隙較小。

圖12 3種防波套屏蔽效能比較

2.2 測試數(shù)據(jù)比較

圖13所示為混響室測量屏蔽衰減，摘自文獻[11]，文獻中沒有給出具體的電纜型號，但指出是單層屏蔽編織電纜，測試的頻率段為200 MHz～2 GHz，平均值約為45 dB，變化的趨勢為震蕩下降。

圖13 混響室測量屏蔽衰減

圖14所示為混響室測量屏蔽衰減，測量屏蔽范圍為200 MHz～20 GHz，在200～1 000 MHz平均屏蔽衰減為45 dB，變化的趨勢為逐漸震蕩下降。

圖14 混響室測量RG58屏蔽衰減

圖15所示為本文方法測量RG58屏蔽效能，平均值約為45 dB，變化的趨勢為逐漸抖動下降。

圖15 本文方法測量RG58屏蔽效能

圖16所示為文獻中測試樣品RG316以及編織鋁箔復合電纜，圖17所示為混響室測量RG316以及編織鋁箔復合電纜屏蔽衰減，其中RG316為單層編織同軸電纜，White電纜為一層鋁箔屏蔽一層編織復合同軸電纜。從圖17可以看出，200 MHz～1 GHz White電纜隨頻率震蕩上升，從70上升到94左右然后下降到86。

圖16 文獻中測試樣品RG316以及編織鋁箔復合電纜

圖17 混響室測量RG316以及編織鋁箔復合電纜屏蔽衰減

圖18所示為本文方法測量JC200編織鋁箔復合電纜屏蔽效能，JC200為一層編織一層鋁箔復合屏蔽同軸電纜，200 MHz～1 GHz隨頻率上升，抖動上升，從78上升到96左右然后下降到86。

圖18 本文方法測量JC200編織鋁箔復合電纜屏蔽效能

圖19所示為文獻[12]中混響室測量RG142的屏蔽衰減，RG142為雙層編織屏蔽，包含混響室法和線注入法，混響室測量頻率為500 MHz～40 GHz，其中500 MHz～1 GHz為震蕩上升然后下降，從82上升到92然后下降到84。

圖19 混響室測量RG142雙層編織同軸電纜屏蔽衰減

圖20所示為本文方法測量RG142屏蔽效能，500 MHz～1 GHz隨頻率抖動上升，從86上升到98左右然后下降到86。

圖20 本文方法測量RG142屏蔽效能

圖21所示為文獻[12]提供的電纜屏蔽效能測試數(shù)據(jù)，RG142雙層屏蔽為75 dB，RG303單層屏蔽為50 dB，RG405銅管為110 dB，而本文方法測量銅管的屏蔽效能如圖8所示，50 MHz～1 GHz屏蔽效能約為115 dB。

圖21 文獻提供的屏蔽電纜測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文區(qū)別于傳統(tǒng)的抗擾度角度，從控制互連電纜輻射發(fā)射出發(fā)，分析屏蔽效能的測量原理，建立屏蔽效能的測試方法和檢測系統(tǒng)，對各類型屏蔽電纜進行屏蔽效能測試，其測試結(jié)果與其他屏蔽效能數(shù)據(jù)相比，測試數(shù)據(jù)相當，變化趨勢近似，該方法可以指導互連電纜屏蔽效能的測試。