趙煒銘，王添文，彭光宇

(中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著軍用設(shè)備電磁兼容性要求越來(lái)越嚴(yán)格，武器裝備廣泛應(yīng)用屏蔽電纜來(lái)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(guò)轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減來(lái)表征外界電磁環(huán)境對(duì)電纜芯線的耦合能力。

轉(zhuǎn)移阻抗的測(cè)量有三同軸法和線注入法。其主要思想是構(gòu)建2個(gè)內(nèi)、外測(cè)量回路，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)、外回路的電參數(shù)值，計(jì)算開(kāi)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(cè)量頻率范圍一般只能在幾百M(fèi)Hz以內(nèi)。

屏蔽衰減測(cè)量，既有基于內(nèi)外回路傳輸線理論，又有基于場(chǎng)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(cè)量其經(jīng)過(guò)衰減后接收的功率[1]。通過(guò)功率比值來(lái)計(jì)算屏蔽衰減。主要測(cè)量方法有功率吸收鉗法、注入鉗法和混響室法。

屏蔽電纜測(cè)試方法國(guó)內(nèi)主要有GB 9023—1988中的基于三同軸測(cè)試方法測(cè)量轉(zhuǎn)移阻抗[2]、GB/T 15217—1994中的采用吸收鉗法測(cè)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(guó)外主要有IEC61196[6]、IEC62153[7]、IEC61726[8]和MIL-STD-1344A[9]等標(biāo)準(zhǔn)，涉及的測(cè)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(duì)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(shí)際應(yīng)用中，屏蔽電纜不僅用于抑制外部電磁環(huán)境對(duì)電纜的影響，還應(yīng)用于抑制內(nèi)部電纜對(duì)外的輻射，特別是目前武器裝備廣泛應(yīng)用屏蔽電纜來(lái)控制輻射發(fā)射，因此非常有必要從輻射的角度，從實(shí)際工程應(yīng)用角度研究屏蔽效能的測(cè)量。

1 互連電纜屏蔽效能測(cè)試方法

1.1 測(cè)試原理

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

1)為了使線纜輻射的電磁場(chǎng)不受外界電磁場(chǎng)的影響，屏蔽效能測(cè)試需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行。

2)屏蔽效能是相對(duì)于基準(zhǔn)的比值，根據(jù)定義線纜屏蔽效能的基準(zhǔn)應(yīng)是無(wú)屏蔽層的導(dǎo)線。

3)接著測(cè)量有屏蔽層的電纜的場(chǎng)強(qiáng)值，2個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值之比為屏蔽層的屏蔽效能，此時(shí)要求無(wú)屏蔽層時(shí)芯線傳輸?shù)亩丝陔娏髋c有屏蔽層時(shí)芯線傳輸?shù)亩丝陔娏饕恢?，?dāng)不一致時(shí)應(yīng)進(jìn)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(wú)屏蔽層時(shí)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(duì)地回路共模輻射因子；K2為芯線-屏蔽層差模回路輻射因子；K3為屏蔽層對(duì)地回路共模輻射因子，是電纜長(zhǎng)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(duì)數(shù)表示屏蔽效能為

(6)

當(dāng)采用相同電流測(cè)量時(shí)，I1=I2，可得

(7)

而在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，不可能等電流測(cè)量，但可以輸入端等功率測(cè)量，又因?yàn)?/p>

(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(cè)量原理可分為2個(gè)功能測(cè)量：第一輸入阻抗測(cè)量和第二輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量。具體步驟可分為：1)無(wú)屏蔽層芯線輸入阻抗測(cè)量；2)無(wú)屏蔽層芯線輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量；3)屏蔽電纜輸入阻抗測(cè)量；4)屏蔽電纜輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量。

1.2 屏蔽效能測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

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

圖3所示為檢測(cè)系統(tǒng)的基本配置，圖4所示為建立的電纜屏蔽效能檢測(cè)系統(tǒng)，有如下組成部分：1)半電波暗室構(gòu)成測(cè)試場(chǎng)地；2)信號(hào)源、信號(hào)輸入同軸電纜、被測(cè)互連電纜和接地測(cè)試桌構(gòu)成測(cè)試回路形成輻射系統(tǒng)；3)天線、頻譜儀和信號(hào)輸出同軸電纜構(gòu)成輻射場(chǎng)強(qiáng)接收系統(tǒng)；4)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于輸入阻抗測(cè)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(fù)載箱用于屏蔽負(fù)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(hào)輸入同軸電纜的加強(qiáng)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(cè)系統(tǒng)

圖4 建立的電纜屏蔽效能檢測(cè)系統(tǒng)

2 電纜測(cè)試屏蔽效能測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

2.1 電纜屏蔽效能測(cè)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(shí)，屏蔽效能隨著頻率的增大而增大，剛開(kāi)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(guò)地回路回流，因此低頻屏蔽效能較差，隨著頻率升高時(shí)，由于對(duì)地阻抗逐漸增大，此時(shí)大部分電流從屏蔽層內(nèi)表面流過(guò)，地回路電流較小，對(duì)地形成的共模輻射變小，因此屏蔽效能變大；大于1 MHz時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電布屏蔽效能好。低頻導(dǎo)電布屏蔽效能差的原因是導(dǎo)電布直流電阻較差，導(dǎo)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(dǎo)電布屏蔽效能比較

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

圖7 鋁箔與導(dǎo)電布測(cè)試性能比較

圖8所示為鋁箔、雙層導(dǎo)電布、銅管屏蔽效能比較，從圖8可以看出，整個(gè)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(wú)縫隙，另外，銅管的壁厚較厚，壁厚為1 mm。

圖8 鋁箔、雙層導(dǎo)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(guó)產(chǎn)單層編織，RG58為進(jìn)口單層編織。從圖9中可以看出，RG142的屏蔽效能整個(gè)頻段都較好，JC200在3 MHz以下時(shí)，屏蔽效能與RG58和SYV50-3一致，而在3 MHz以上時(shí)，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(shì)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(shì)與圖10變化趨勢(shì)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(kāi)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(cè)試數(shù)據(jù)比較

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

圖13 混響室測(cè)量屏蔽衰減

圖14所示為混響室測(cè)量屏蔽衰減，測(cè)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(shì)為逐漸震蕩下降。

圖14 混響室測(cè)量RG58屏蔽衰減

圖15所示為本文方法測(cè)量RG58屏蔽效能，平均值約為45 dB，變化的趨勢(shì)為逐漸抖動(dòng)下降。

圖15 本文方法測(cè)量RG58屏蔽效能

圖16所示為文獻(xiàn)中測(cè)試樣品RG316以及編織鋁箔復(fù)合電纜，圖17所示為混響室測(cè)量RG316以及編織鋁箔復(fù)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(fù)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(xiàn)中測(cè)試樣品RG316以及編織鋁箔復(fù)合電纜

圖17 混響室測(cè)量RG316以及編織鋁箔復(fù)合電纜屏蔽衰減

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

圖18 本文方法測(cè)量JC200編織鋁箔復(fù)合電纜屏蔽效能

圖19所示為文獻(xiàn)[12]中混響室測(cè)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(cè)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(cè)量RG142雙層編織同軸電纜屏蔽衰減

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

圖20 本文方法測(cè)量RG142屏蔽效能

圖21所示為文獻(xiàn)[12]提供的電纜屏蔽效能測(cè)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(cè)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(xiàn)提供的屏蔽電纜測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

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(cè)量原理，建立屏蔽效能的測(cè)試方法和檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各類(lèi)型屏蔽電纜進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果與其他屏蔽效能數(shù)據(jù)相比，測(cè)試數(shù)據(jù)相當(dāng)，變化趨勢(shì)近似，該方法可以指導(dǎo)互連電纜屏蔽效能的測(cè)試。