張 莉

（珠海漢勝科技股份有限公司，廣東珠海519180）

同軸電纜屏蔽性能測(cè)量方法的比較

張 莉

（珠海漢勝科技股份有限公司，廣東珠海519180）

詳細(xì)介紹了6種評(píng)價(jià)同軸電纜屏蔽性能的測(cè)量方法，并對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，為線纜屏蔽性能的實(shí)際測(cè)試工作提供了參考和依據(jù)。

同軸電纜；屏蔽衰減；特性阻抗

0 引 言

在信號(hào)傳輸過(guò)程中，非屏蔽電纜具有天線效應(yīng)，不但可以向外輻射信號(hào)，還能接受外部信號(hào)，容易形成電磁干擾，導(dǎo)致通信失效、噪音增大、信號(hào)誤差等現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，同軸電纜通常采用編織外導(dǎo)體或光滑鋁管外導(dǎo)體等結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)電纜本身的屏蔽性能。屏蔽衰減和轉(zhuǎn)移阻抗是衡量同軸電纜屏蔽性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，屏蔽衰減基于電磁場(chǎng)理論，可直接反映電纜的屏蔽性能，而轉(zhuǎn)移阻抗則基于電路理論，可間接地反映電纜的屏蔽性能。目前，測(cè)試同軸電纜屏蔽性能的方法主要有三同軸法、線注入法、電流探頭法、功率吸收鉗法、混響室法和GTEM小室法等。其中，三同軸法、線注入法和電流探頭法是通過(guò)測(cè)量表面轉(zhuǎn)移阻抗對(duì)屏蔽性能進(jìn)行間接描述的方法，而其余三種方法則是直接測(cè)量電纜的屏蔽衰減。

1 三同軸法

三同軸法［1］源于IEC標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量方法，當(dāng)頻率在100 MHz以下時(shí)，轉(zhuǎn)移阻抗越低，電纜的屏蔽性能越好。三同軸法有多種形式，包括“匹配-短路”三同軸法A型、B型、C型、D型、雙短路三同軸法、簡(jiǎn)化三同軸法和高頻三同軸法等。所謂三同軸，就是同軸電纜的芯線、屏蔽層，以及金屬良導(dǎo)體管所構(gòu)成的三同軸系統(tǒng)。如圖1所示，同軸電纜的芯線和屏蔽層組成內(nèi)同軸回路，同軸電纜的屏蔽層和金屬管組成外同軸回路，電纜的屏蔽層充當(dāng)了內(nèi)回路的外導(dǎo)體和外回路的內(nèi)導(dǎo)體。內(nèi)同軸的近端與信號(hào)源連接，內(nèi)同軸系統(tǒng)的遠(yuǎn)端與匹配負(fù)載連接，匹配負(fù)載值等于被測(cè)同軸電纜的特性阻抗值；外同軸系統(tǒng)的近端短路，而外同軸系統(tǒng)的遠(yuǎn)端與接收機(jī)連接。信號(hào)源在內(nèi)同軸回路施加已知的電壓和電流，在外同軸回路上就會(huì)有感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。根據(jù)信號(hào)源輸出電壓和接收機(jī)輸入電壓的比值，結(jié)合測(cè)試裝置的等效電路圖，可以計(jì)算出被測(cè)同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻抗。

圖1 “匹配-短路”三同軸法測(cè)試系統(tǒng)圖

2 線注入法

線注入法［2］也是IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)試同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗的常用方法。該法用一根導(dǎo)線，即注入線，代替了三同軸法中的同軸良導(dǎo)體，其測(cè)試原理如圖2所示。線注入法的耦合段分為初級(jí)回路和次級(jí)回路，初級(jí)回路是由注入線和電纜的屏蔽層構(gòu)成的雙線傳輸線，而次級(jí)回路是由電纜的屏蔽層和電纜的芯線構(gòu)成的同軸傳輸線。在被測(cè)電纜的屏蔽層上施加已知的電流和電壓，同時(shí)測(cè)試電纜芯線和屏蔽層之間的感應(yīng)電壓，再結(jié)合線注入法的等效電路圖，就可以計(jì)算出被測(cè)電纜的轉(zhuǎn)移阻抗。盡管已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了線注入法和三同軸法在測(cè)量轉(zhuǎn)移阻抗上具有等效性，但這兩種方法還是存在一些差別的。例如，三同軸法的外同軸系統(tǒng)的特性阻抗是不連續(xù)的，而線注入法要求初級(jí)回路與次級(jí)回路的特性阻抗都盡可能是連續(xù)的。

圖2 線注入法測(cè)試原理圖

3 電流探頭法

電流探頭法［3］也是由三同軸法發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量方法，其測(cè)試裝置如圖3所示。黃銅板和電纜屏蔽層構(gòu)成了初級(jí)回路，而電纜芯線和屏蔽層構(gòu)成了次級(jí)回路。在電纜的兩端分別安裝了電流探頭，一個(gè)作為電流注入源，一個(gè)作為電流測(cè)量裝置，電纜的轉(zhuǎn)移阻抗值就是電纜終端電流和終端電流探頭口電流的比值。電流探頭法的測(cè)量頻帶比較寬，一般在1～600 MHz內(nèi)，并且對(duì)受試電纜長(zhǎng)度限制較小。

4 功率吸收鉗法

功率吸收鉗是一種包有線圈的磁環(huán)，同軸電纜可在磁環(huán)中心處穿過(guò)，當(dāng)同軸電纜內(nèi)部有信號(hào)流過(guò)時(shí)，磁環(huán)的線圈上就會(huì)有感應(yīng)信號(hào)，根據(jù)感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱就可以確定同軸電纜的屏蔽衰減［4］。圖4是功率吸收鉗法測(cè)試電纜屏蔽衰減的原理圖，初級(jí)回路由受試電纜的內(nèi)導(dǎo)體和屏蔽層構(gòu)成，次級(jí)回路由電纜屏蔽層與周圍環(huán)境構(gòu)成。

圖3 電流探頭法測(cè)試裝置示意圖

圖4 功率吸收鉗法測(cè)試電纜屏蔽衰減原理圖

信號(hào)從被測(cè)電纜注入，泄漏的信號(hào)沿屏蔽層向兩個(gè)方向傳播，利用功率吸收鉗近端和遠(yuǎn)端進(jìn)行測(cè)試，并取最大功率值，其屏蔽衰減A可由式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：P1為被測(cè)電纜的輸入功率（W）；P2n為功率吸收鉗近端測(cè)試的功率（W）；P2f為功率吸收鉗遠(yuǎn)端測(cè)試的功率（W）；max（P2n，P2f）為近端測(cè)試功率和遠(yuǎn)端測(cè)試功率的最大值（W）；AM為測(cè)試裝置的插入損耗（dB）。

功率吸收鉗有十幾分貝的插入損耗，所以在測(cè)試前需要用測(cè)試曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，因功率吸收鉗法是一種開放的測(cè)試方法，周圍的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)其測(cè)試數(shù)據(jù)造成影響。

5 混響室法

混響室［5］是一種新型的電磁兼容測(cè)試環(huán)境，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注?；祉懯遥卜Q為模攪拌室，通過(guò)模式攪拌器連續(xù)地改變屏蔽室內(nèi)部的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而改變各模式的能量分布，最終，在混響室的整個(gè)測(cè)試區(qū)域中形成均勻且各向同性的場(chǎng)分布。

圖5 混響室測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖5是混響室法的測(cè)試示意圖，在混響室中，被測(cè)電纜的一端接匹配負(fù)載，另一端與接收機(jī)相連。當(dāng)發(fā)射天線饋入足夠的功率Pin時(shí)，模式攪拌器開始旋轉(zhuǎn)，接收機(jī)測(cè)試電纜上產(chǎn)生的信號(hào)功率Pout。然后，將接收機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)天線連接，發(fā)射天線饋入相同的功率Pin，接收機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)天線上產(chǎn)生的信號(hào)功率Pref。在不同頻點(diǎn)上重復(fù)進(jìn)行上述操作，屏蔽衰減可由式（2）計(jì)算得到。

由于受到屏蔽室最低諧振頻率的影響，混響室法的測(cè)試頻率下限受到限制，但其測(cè)試頻率上限在理論上沒(méi)有限制，所以這種方法尤其適合幾百兆赫茲以上的頻段。此外，混響室可以產(chǎn)生高的場(chǎng)強(qiáng)，而且場(chǎng)分布均勻，因此可以測(cè)試屏蔽性能非常好的電纜，測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍也很大。

6 GTEM小室法

GTEM小室法是在橫電磁波小室（TEM）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量屏蔽衰減的新方法。該法不僅突破了TEM小室在頻率和尺寸上的局限性［6］，而且能夠更好地模擬自由空間環(huán)境，特別適合測(cè)定電纜及其組件的電磁輻射敏感度和干擾性。為了避免內(nèi)部電磁波的反射和抑制高次模和諧波，GTEM小室在結(jié)構(gòu)上采用了同軸及非對(duì)稱矩形傳輸線的設(shè)計(jì)原理。GTEM小室法的測(cè)試原理如圖6所示，GTEM小室是一個(gè)四棱錐狀的屏蔽箱，輸入端口與平板狀內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)N型同軸連接器進(jìn)行連接。由于平板狀內(nèi)導(dǎo)體與頂板張角很小，因此，GTEM小室傳播的球面波可以近似為平面波。此外，小室終端采用了電阻式匹配網(wǎng)絡(luò)和高性能吸波材料制成的負(fù)載結(jié)構(gòu)，因而GTEM小室的測(cè)試區(qū)域是均勻的，能夠較好地模擬自由空間電磁場(chǎng)環(huán)境。

圖6 GTEM法測(cè)試同軸電纜屏蔽衰減示意圖

7 屏蔽性能測(cè)量方法的比較

上述6種屏蔽性能測(cè)量方法各有優(yōu)勢(shì)和局限性，表1總結(jié)歸納了這些測(cè)試方法的頻率范圍和相關(guān)特點(diǎn)，為實(shí)際測(cè)試工作提供了選擇依據(jù)。

表1 同軸電纜屏蔽性能測(cè)量方法的比較

8 結(jié)束語(yǔ)

屏蔽性能是同軸電纜非常重要的特性參數(shù)之一，決定了電纜在實(shí)際工程中的使用效果，因而受到行業(yè)內(nèi)越來(lái)越多的關(guān)注和重視。為了能夠準(zhǔn)確而穩(wěn)定地評(píng)價(jià)同軸電纜的屏蔽性能，需要根據(jù)線纜產(chǎn)品的使用場(chǎng)合，選擇合理而有效的測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)6種屏蔽性能測(cè)試方法的比較，三同軸法的發(fā)展比較成熟，精度高，數(shù)據(jù)可靠，逐漸成為屏蔽性能測(cè)試的首選。

［1］ 朱榮華，李謙若.表面轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量---三同軸方法［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2005（4）：8-11.

［2］ IEC 62153-4-6-2006 Metallic communication cable testmethods［S］.

［3］ A.Morriello，T.M.Benson，A.P.Duffy.Surface transfer impedancemeasurement：a comparison between current probe and pull-on braid methods for coaxial cables［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1998（2）：69-76.

［4］ 周 香，蔣全興，陳 旻，等.功率吸收鉗法與線注入法電纜屏蔽性能測(cè)試對(duì)比分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，39（6）：1161-1164.

［5］ 周 香，蔣全興，曹 銳.混波室法電纜屏蔽性能測(cè)試分析［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，27（10）：83-85.

［6］ 殷海成，朱榮華.射頻同軸電纜屏蔽衰減測(cè)試方法的比較［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010（2）：19-22.

Com parison of Coaxial Cable Shielding Effectiveness M easurement M ethods

ZHANG Li
（Zhuhai Hansen Technology Co.，Ltd.，Zhuhai519180，China）

In order to provide the references and experiences for practical work，six differentmeasurementmethods for shielding effectiveness of coaxial cable have been described.The advantages and disadvantages of thesemethods are also compared and discussed here.

coaxial cable；screening attenuation；characteristic impedance

TM248.3

A

1672-6901（2014）06-0021-04

2014-04-29

張 莉（1981-），女，博士，工程師.

作者地址：廣東珠海市斗門區(qū)新青科技工業(yè)園珠峰大道1號(hào)［519180］.