射频同轴电缆屏蔽衰减测试方法的比较

1 电缆屏蔽衰减的定义

随着电子通信及网络的高速发展,连接电子设备内部或电子设备之间的电缆的屏蔽性能正受到越来越多的关注。电缆具有天线效应,它既可以辐射信号,也可以接收信号。信号通过电缆辐射时,会对其它电子设备形成干扰;电缆接收电子设备发射的 无用信号又会对系统造成干扰。随着电子通信网络中工作频率的不断升高,这种干扰和辐射正严重影 响到系统的性能。

为了提高电缆的抗干扰能力,减小对周围电磁 环境的污染,使用屏蔽电缆线不失为一种简单而行之有效的方法。屏蔽电缆既可以防止电缆内部信号的泄漏,又可以防止外部干扰信号进入电缆内部。屏蔽电缆的屏蔽性能一般用电缆的屏蔽衰减来度量,它是表征同轴线电磁兼容性(抗干扰和防泄漏) 的重要指标,定义为:

a_s = 10 lg ( P_in / P_max ) （1）

式中P_in为注入功率, P_max为辐射的最大功率。由于屏蔽电缆的屏蔽层多种多样,不同的屏蔽材料和屏蔽结构,电缆的屏蔽衰减会有很大的差异。为了给工程上评定、比较、设计和使用屏蔽电缆提供准确的 参考依据,必须对屏蔽电缆的屏蔽衰减进行测量。 因此,电缆屏蔽衰减的测试技术正成为众多研究人员关注的问题。

2 主要测试方法

射频同轴电缆是用于传输射频信号或能量的同轴电缆的总称。其工作频段通常为15 kHz～ 20 GHz ,主要应用于通信广播、电视、微波中继、雷达、 导航以及遥测等领域。射频同轴电缆屏蔽衰减的测 试方法可分为:a. 通过测量射频同轴电缆表面转移阻抗对其进行间接描述,三同轴法是典型的转移阻抗测量方法;b.直接测量射频同轴电缆的屏蔽衰减, 比较常用的有功率吸收钳法、混响室法、GTEM小室法等。在上述测试方法中,混响室法和GTEM小室法是基于场的观点,其余的测试方法则是基于电路的观点,且上述测试方法均已为IEC所采用。本文将阐述上述四种电缆屏蔽衰减的测试方法并对其进行比较。

2.1 三同轴法

三同轴法是一种经典的转移阻抗测量方法。也是国际标准IEC 621532423 —2002 电磁兼容———表面转移阻抗(三同轴法) 中的测量方法。 对于电短电缆,即电缆的长度L ≈ ( 0. 10 ～ 0. 35)λ,其中λ为工作波长,转移阻抗Z_t定义为单位长度上由被测的屏蔽及套管形成的匹配外电路上感应的纵向电压U与馈入内电路的电流I之比,即

（2）

式中L为耦合长度,即套管内的电缆长度。

转移阻抗是衡量外部电磁场能量透过电缆屏蔽层的特征参数。在很多情况下,特别是频率比较低的时候(100 MHz 以下) ,可以用转移阻抗间接描述屏蔽电缆的屏蔽衰减,转移阻抗越低,屏蔽电缆的屏蔽性能越好。

测试时,把被测电缆置于同轴的无铁磁性的良导体(如黄铜或纯铜)套管内,构成一个三同轴(同轴电缆内导体、同轴电缆外导体和同轴的良导体套管)装置。其中,同轴电缆的屏蔽层和内导体组成内电路,电缆屏蔽和套管组成外电路。在电缆馈入端,短接套管与电缆屏蔽。套管内的耦合长度要满足电短的要求。被测电缆的内电路的一端与负载电阻R₁相连接,其阻值与被测电缆特性阻抗Z_c相同,即R₁ = Z_c ;另一端接入信号发生器。将测试接收机测得的接收信号经数学计算获得转移阻抗Z_t 的值。

图1 三同轴法测试系统示意图

2.2 功率吸收钳法

功率吸收钳法是目前最常用、最经典的同轴电 缆屏蔽衰减的测试方法。也是国际标准IEC 621532 425 —2006 金属通信电缆试验方法第425 部分:电磁兼容性( EMC) ———耦合或屏蔽衰减———吸收钳法中的测量方法。它的使用频率由功率吸收钳的工作频率决定,而市售的吸收钳有可用于30～1 000 MHz 和300～2 500 MHz 两种规格。

功率吸收钳是由电流变压器和铁氧体环吸收器组成的。电流变压器作为电流探头,用于测量电缆上从内部流到外部的共模电流大小。我们知道,在电缆表面传播的干扰电磁波会产生反射波,如果被电缆吸收,会改变电磁波的特性,进而影响吸收功率的测量。所以在吸收钳中利用可以吸收反射能量的铁氧体环作吸收器,保证了吸收功率与被测干扰电流具有确定的正比关系。

测试时,信号从被测电缆馈入功率P₁ ,屏蔽电缆内导体和屏蔽层构成第一级电路,电缆的屏蔽层则与周围环境构成第二级电路。由于电缆与周围环境的电磁耦合,泄漏的信号在屏蔽层上激励了表面波,并沿屏蔽层向两个方向传播。与功率吸收钳输出端相连的频谱分析仪可测出馈入功率P₁在第二级电路中的感应信号功率。在近端和远端分别用功率吸收钳进行测量,可获得近端和远端测得的第二级电路中的最大功率值P_2max ,该电缆的屏蔽衰减α_s = 10 lg ( P₁ / P_2max ) 。

图2 功率吸收钳法