張嘉培

（上海航天科工電器研究院有限公司，上海 200331）

1 背景及測試原理

隨著整機應(yīng)用頻率的提高，系統(tǒng)各部分之間對對抗外來電磁干擾的能力要求也越來越高。對于系統(tǒng)中的連接部分，其連接器和線纜傳輸過程中的屏蔽效能成為衡量其抑制電磁干擾能力的重要指標(biāo)。對于同軸線纜及同軸連接器，評價其屏蔽效能的方式主要分為兩類，一類是通過測量其表面轉(zhuǎn)移阻抗進行間接描述，另一類是通過測量其屏蔽衰減來直接進行表征。

在較高的頻段，屏蔽衰減能更直觀地反映在工作過程中——同軸線纜及連接器對信號的泄漏。

因此，對產(chǎn)品屏蔽衰減的測試，是同軸線纜組件質(zhì)量管控的必要過程。對于線纜的射頻泄漏的理論及其屏蔽衰減的測試方法整體已經(jīng)較為成熟，而直接測試線纜連接器的屏蔽衰減則相對較少。

然而實際運用中，由于連接器的阻抗失配和對接不良等情況也可能在局部造成一定的射頻泄漏，因而直接測試連接器的屏蔽衰減也可以有效預(yù)防后續(xù)裝機過程中發(fā)生的屏蔽不良。

如今，利用三同軸組件進行屏蔽衰減測試已經(jīng)是常見的線纜組件測試方法。國際上，IEC制定了IEC 62153-4-4計算高頻電磁屏蔽的標(biāo)準測試方法[1]，歐洲也制定了EN 50289-1-6系列的測試標(biāo)準[2]。三同軸測試裝置由導(dǎo)電性良好的金屬管組成，測試時，測試組件的內(nèi)徑與被測件的內(nèi)導(dǎo)體及外部屏蔽線三者形成同軸，測試線本身形成內(nèi)回路，而屏蔽線與測試管形成外回路，通過內(nèi)外兩個回路來模擬實際使用時的電磁環(huán)境。

在內(nèi)回路匹配、外回路失配的情況下，根據(jù)O.Breitenbach等建立的模型[3]，其兩端的輸出電壓U2和輸入電壓U1比可寫作：

式中：MT為單位長度的有效互感；CT為內(nèi)回路的導(dǎo)體穿透電容；Z1為被試件的特性阻抗；Z2為外同軸件耦合段的特性阻抗；εr1為內(nèi)回路的相對介電常數(shù)；εr2為外回路的相對介電常數(shù)；c為介質(zhì)中被測電磁波的傳播速率；R為外回路的遠端串聯(lián)電阻；φ1、φ2、φ3為式中三個與耦合長度、電磁波波長相關(guān)的函數(shù)，即：

式中：lc為耦合長度；λ0為被測電磁波的波長。

由式（1）可知，輸出、輸入電壓比，是內(nèi)外電路近端串?dāng)_與遠端串?dāng)_之和與失配系數(shù)的比。且內(nèi)外電壓的比是一個周期函數(shù)，這個函數(shù)的周期與耦合長度與波長的比相關(guān)。故而當(dāng)線路耦合長度固定時，這是一個隨測試頻率周期變化的函數(shù)。

2 測試方法的確定

對于有著一定電耦合長度的線纜連接器組件，其耦合長度通常不會低于100 mm，利用三同軸法進行整體組件的屏蔽衰減測試是相對便捷、準確的。圖1所示為利用三同軸法所得的同軸線纜測試曲線。但當(dāng)被測件變成電長度很短的連接器時，耦合長度和測試頻率便會開始對測試產(chǎn)生影響。

圖1 線纜屏蔽衰減測試曲線

在實際測試時，根據(jù)屏蔽衰減定義，要盡量獲得系統(tǒng)輸出電壓U2和輸入電壓U1比值的最大值。

根據(jù)式（1）可知其周期變化的最大值可以寫作：

此時，耦合長度與波長之比應(yīng)有：

式中：f為被測頻率。

當(dāng)耦合長度與波長之比滿足式（4）時，可以得到所需要的周期變化的最大值。故而當(dāng)耦合長度一定時，被測頻率f滿足：

式中：fs為測試時的下截止頻率。

直接對連接器進行測試時，在常用的測試頻段（如500 MHz～18 GHz），由于連接器本身的電耦合長度只有數(shù)毫米到數(shù)十毫米，被測頻率將會低于測試的下截止頻率，不能得到系統(tǒng)輸出電壓U2和輸入電壓U1比值的周期最大值。故而該結(jié)果并不能準確反映被測連接器的屏蔽效能，其測試結(jié)果往往會好于實際值。

圖2所示為直接使用三同軸法對連接器進行測試的測量曲線，由于連接器在回路中的耦合長度較短，故而測試時下截止頻率可能被包含在被測頻段內(nèi)?？梢悦黠@看出，被測連接器在下截止頻率左側(cè)的測量曲線并不呈周期變化，其反映的結(jié)果非其周期變化下的最大值。

圖2 直接利用三同軸法進行連接器屏蔽衰減測試曲線

故而在實際應(yīng)用中，直接利用三同軸測試電長度較短的連接器是不可行的。故常常將同軸連接器做成同軸線纜組件進行測試，對于同軸轉(zhuǎn)接器則在其兩端對接同軸線纜接入測試鏈路。這樣固然可以測得整體鏈路的屏蔽衰減，然而由于線纜本身固有的泄漏以及線纜與連接器耦合的加工工藝，勢必引入額外的泄漏而不能完全反映連接器的真實情況。

為更好地體現(xiàn)連接器的真實屏蔽情況，一方面要適當(dāng)提高整體測試鏈路的電耦合長度，另一方面又要減少三同軸系統(tǒng)內(nèi)回路中非被測件的長度。GJB 1212A—2011中介紹了使用一個帶推桿的銅管作為延長管[4]，而IEC 62153-4-7中也介紹了使用延長管進行測量的管中管法[5]。

實際測試中，在連接線的外部套入一根黃銅延長管：延長管與測試線及被測件近信號源端耦合部位形成短路，在三同軸測試套管信號源近端與其形成短路。延長管測試套管內(nèi)部的部分將作為整個系統(tǒng)的內(nèi)回路而有效增加了內(nèi)回路的電耦合長度；另一方面，由于近端的短路，引入測試線本身的射頻泄漏又無法被引入接收機，從而提高了測試的準確度。被測件近接收機端與匹配50 Ω負載相接，形成內(nèi)回路匹配，而外導(dǎo)體則與接收機測試線的內(nèi)導(dǎo)體形成短路，如此形成了一個內(nèi)回路匹配、外回路相短接的狀態(tài)。

測試時，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為信號源和接收機，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口作為信號源，2端口作為接收機，便可構(gòu)建一個微波信號的發(fā)射和接收網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)S參數(shù)模型，在僅考慮正向傳輸條件下，可將設(shè)備讀取的S21參數(shù)認為在正向傳輸條件下接收機與發(fā)射源之間的傳輸功率比。根據(jù)屏蔽衰減的定義，可將屏蔽衰減的計算式寫為：

式中：αS為所計算的屏蔽衰減；POUT為外回路在接收機上接收的最大功率；PIN為信號源在被測件上的有效輸入功率。

在測試組件中，外回路上接收機接收的最大功率應(yīng)為內(nèi)回路在外回路上遠端串?dāng)_功率Pf和近端串?dāng)_功率Pn之和，即：

根據(jù)搭建鏈路，信號源近端串?dāng)_通過短路形成負反射與遠端串?dāng)_相疊加，故而可以認為接收機實際所接收功率POUT為外回路在遠端和近端串?dāng)_功率之和。由于測試線的引入，實際信號源在被測件上的有效輸入功率為信號源輸出功率減去其引入測試線的傳輸損耗，即：

式中：Ps為信號源輸出的實際功率；IL為信號線的正向傳輸損耗。

實際測試中，網(wǎng)絡(luò)分析儀所讀取的S21參數(shù)為：

式中：α為系統(tǒng)一次讀出的屏蔽衰減。

故可以得出，實際的屏蔽衰減為系統(tǒng)讀出的衰減和引入測試線傳輸損耗的差，即：

故而應(yīng)先將引入測試線接入網(wǎng)絡(luò)分析儀，讀出此時的S21參數(shù)即為其線纜損耗IL；而后搭建三同軸測試鏈路并接入網(wǎng)絡(luò)分析儀，讀出三同軸系統(tǒng)的S21參數(shù)即為α，而后對α與IL求差。

3 測試驗證

被測件為某型號射頻轉(zhuǎn)接器，其兩端為SSMP接口。測試時采用兩只SMA2.92-SSMP轉(zhuǎn)接器與其配接，與第2章測試鏈路之間形成連接。實際測試時，所得到的屏蔽衰減為包括兩個接入轉(zhuǎn)接器在內(nèi)的三個轉(zhuǎn)接器的綜合屏蔽衰減。

將與信號源及接收機之間的測試線短接，設(shè)置掃描起止頻率10 MHz～18 GHz，信號源輸出功率0 dBm，掃描點數(shù)1 801，中頻帶寬15 Hz，測量參數(shù)S21，顯示格式：對數(shù)幅度，將測量值作為線路傳輸損耗。通過信號源→引入測試線→轉(zhuǎn)接器→被測件→轉(zhuǎn)接器→匹配負載的順序進行連接。信號源端測試線外接延長管，延長管與測試線外導(dǎo)體相短路，延長管信號源近端與三同軸外殼形成短路。轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體通過銅管與接收機端測試線內(nèi)導(dǎo)體相短接，通過測試線接入接收端。在被測件未接入的狀態(tài)下，按照校準時的測試參數(shù)進行掃頻，此時整個測試裝置的靜態(tài)屏蔽衰減均低于-120 dB，認為所搭建的測試裝置可以滿足測試的要求。接入被測件，安裝好裝置，按照校準時的參數(shù)進行掃頻，記錄所得的參數(shù)曲線并計算頻段中最大的αS。

本次被測件共3只，測試時對每只被測件進行了3次掃頻，記錄最大的被測值。所得的測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計表 單位：dB

可以看出，固定耦合長度的被測頻段產(chǎn)品的屏蔽衰減測試曲線與頻率存在周期性變化關(guān)系，測試結(jié)果能夠符合式（1）的情形。從而也證明了，在使用延長管的情況下，內(nèi)回路的電耦合長度確實被有效增加了，測試頻率明顯高于最低截止頻率。從數(shù)據(jù)上看，被測件測試結(jié)果存在著一定的一致性，可以認定能滿足其-60 dB的設(shè)計要求。但是可以看出不同樣品之間的測試結(jié)果存在著一定的差異。

該三只產(chǎn)品為同一批次的產(chǎn)品，其測試結(jié)果顯示出了一定的差異。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀TDR模塊對被測件及其轉(zhuǎn)接器進行特性阻抗測試，未發(fā)現(xiàn)個別樣品的阻抗失配。對被測組件拆卸時注意到，由于轉(zhuǎn)接器各端口的嚙合力（矩）并不同，因而測試線纜對被測件存在應(yīng)力。每一次被測組件裝好裝入測試鏈路的過程，都有可能導(dǎo)致其偏心或松脫。而這一部分的變化使每一次測試時被測組件并不能以相同的狀態(tài)進行測試，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的波動。

對于單獨的雙端SSMP轉(zhuǎn)接器，其本身嚙合力就很小，并不能與測試轉(zhuǎn)接口形成很好的保持。故而對轉(zhuǎn)接器進行改進，將其更換為帶法蘭盤的轉(zhuǎn)接器，對插好后通過螺套和螺母將兩只轉(zhuǎn)接器之間鎖緊，通過螺套保證雙端SSMP在測試過程中不會因為測試線的移動而發(fā)生彎曲。更換轉(zhuǎn)接器后對產(chǎn)品進行重新測試，所得的測試結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 改進后的測試結(jié)果統(tǒng)計表 單位：dB

圖3 改進后的同軸連接器測試

可以看出，數(shù)據(jù)一致性上有了一定的提升。但是由于被測的是包含轉(zhuǎn)接器的整體，除去產(chǎn)品本身的原因外，被測組件一共存在4次轉(zhuǎn)接，每增加一次轉(zhuǎn)接都會存在著一定的泄漏，故而被測結(jié)果仍不是單一連接器的屏蔽衰減。同時，轉(zhuǎn)接器本身也存在著對外的射頻發(fā)射，這一部分在整個測試鏈路中無法去除，因而所得到的結(jié)果只能是被測組件屏蔽衰減的綜合結(jié)果。如果想要得到更精確的結(jié)果，必須減少引入轉(zhuǎn)接端面。以該SSMP轉(zhuǎn)接器為例，所接測試線應(yīng)以帶法蘭盤的SSMP端口直接與被測轉(zhuǎn)接器相接。而引出線在相接界面，則應(yīng)使用合適的銅片與轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體直接相接，使之能與所用延長管相短接。

4 結(jié)束語

利用在測試管內(nèi)套延長管，可以有效增加三同軸測試組件中內(nèi)回路的電耦合長度，從而在對連接器測試時解決其耦合長度過短導(dǎo)致的下截止頻率過高的問題，進而可以相對準確地測量出射頻同軸連接器本身在工作中的射頻衰減。其測量結(jié)果對于連接器的改進、同軸線纜的設(shè)計以及射頻模塊組件的元器件選型有著一定的參考意義。但是相較于線纜的測試，連接器的測試結(jié)果差異性更大，測試過程中由于每段對接部位的實際嚙合力矩不同，每次對接都會產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生測試值的偏差。要想減少測試安裝過程中的偏差，就需要改善整個測試鏈路中的對接方式。故而實際測試前針對每種被測件端面設(shè)計并選用更適配的對接夾具，這對于有效提升連接器的屏蔽衰減測試準確度有著更直接的意義。