尹　瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

“管中管”三同軸測試技術(shù)及小物理尺寸器件的電磁性能測試

尹瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

傳統(tǒng)的三同軸測試技術(shù)在測試物理尺寸較小的器件時(shí)存在局限性，在基于傳統(tǒng)三同軸測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，介紹了一種新的測試技術(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)來表征其電磁性能。對于長電長度（試樣電長度遠(yuǎn)大于測試信號(hào)波長）的試樣，可以選擇屏蔽衰減參數(shù)評估該類電纜的電磁性能；對于短電長度（試樣電長度遠(yuǎn)小于測試信號(hào)波長）的試樣，可以選擇轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)評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)僅適用于屏蔽的對稱通信電纜。

常用的電纜屏蔽性能的測試方法有三同軸法、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)的測試要求，同時(shí)對測試環(huán)境的要求低，無須建立專用的電磁屏蔽室，且具有測試速度快、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試中得到了廣泛的使用。

但是，在測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)的三同軸測試方法存在一定的局限性。

1　理論知識(shí)

1.1耦合長度

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

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

式中：l為有效耦合長度（m）；λ0為自由空間的波長（m）；f為頻率（Hz）；εr1、εr2分別為內(nèi)系統(tǒng)和外系統(tǒng)的相對介電常數(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)試樣的耦合長度l遠(yuǎn)小于信號(hào)波長λ時(shí)，單位長度上外系統(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)三同軸測試技術(shù)原理及局限性

圖1是傳統(tǒng)三同軸技術(shù)測試屏蔽電纜的電磁性能的測試裝置示意圖。圖2是三同軸測試裝置的等效電路圖。三同軸測試裝置的測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，被測屏蔽電纜放置于測試管的中心，被測電纜的內(nèi)導(dǎo)體、屏蔽層以及測試管的內(nèi)徑三軸合一，因此該方法稱為三同軸方法。其中，被測電纜的內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層形成內(nèi)系統(tǒng)；被測電纜的屏蔽層與測試管形成外系統(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與測試管內(nèi)徑以及被測電纜的屏蔽層外徑相關(guān)。在測試中，由信號(hào)源向內(nèi)系統(tǒng)（被測電纜）注入信號(hào)，并在外系統(tǒng)中通過接收機(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)的波長遠(yuǎn)大于試樣的耦合長度（l?λ），信號(hào)在被測件的傳播可以忽略。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　三同軸測試系統(tǒng)裝置示意圖

圖2　三同軸測試系統(tǒng)的等效電路圖

隨著頻率的提高，當(dāng)耦合長度和波長可以相比擬時(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分別是耦合長度為1 m和2 m的同軸電纜樣品實(shí)測圖。

圖4　耦合長度1 m時(shí)的測試曲線

圖5　耦合長度2 m時(shí)的測試曲線

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

表1為不同的耦合長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　耦合長度與下截止頻率關(guān)系

在進(jìn)行屏蔽衰減測試時(shí)，我們往往選擇試樣長度1～3 m或更長，可以獲得被測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)測試這些物理尺寸小的試樣，必須解決下截止頻率偏高的問題。圖6為部分常見的組件和連接器。

圖6　部分常見的組件、連接器實(shí)物圖

3　“管中管”三同軸測試技術(shù)的原理

根據(jù)三同軸測試技術(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)簡便的方法是增加耦合長度。增加試樣的耦合長度使其截止頻率降低，同時(shí)額外增加的耦合長度部分不會(huì)產(chǎn)生新的電磁信號(hào)泄露，保證測試系統(tǒng)所接收的泄露信號(hào)僅來源于被測件，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被測件的電長度（銅管稱為延長管）。從圖7中可以看出，待測件被延長，耦合長度包括試樣本身的長度和在測試管中的延長管的長度。管中管測試系統(tǒng)在近端是短路狀態(tài)，在遠(yuǎn)端，待測件靠近信號(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)生器通過測試引線向內(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)端測得的反射信號(hào)的電壓的對數(shù)比就是屏蔽衰減。

圖7　“管中管”三同軸測試裝置示意圖

為了降低系統(tǒng)的失配影響，測試管與延長管形成的阻抗應(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)高于被測件，所以接收機(jī)接收的泄露信號(hào)均來源于被測件。

可以看出，“管中管”三同軸測試技術(shù)通過延長短電長度器件的電長度，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試。

4　“管中管”三同軸測試技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

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

圖8　管中管方法的短試樣連接示意圖

圖9　三同軸管中管測試裝置圖

測試實(shí)例1：一根長度為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的耦合長度，進(jìn)行測試。圖10、圖11、圖12為測試結(jié)果。

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

圖10　耦合長度0.5 m時(shí)的測試曲線

圖11　耦合長度1 m時(shí)的測試曲線

圖12　耦合長度2 m時(shí)的測試曲線

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

5　結(jié)　論

“管中管”三同軸測試技術(shù)，通過延長管和物理尺寸較小的試件相連接，增加系統(tǒng)的耦合長度，從而降低測試系統(tǒng)的下截止頻率，解決傳統(tǒng)三同軸測試技術(shù)在小物理尺寸器件測試中存在的局限性。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)測上海電纜研究所研制的管中管測試設(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].