1 電纜屏蔽衰減的定義

隨著電子通信及網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展,連接電子設(shè)備內(nèi)部或電子設(shè)備之間的電纜的屏蔽性能正受到越來(lái)越多的關(guān)注。電纜具有天線效應(yīng),它既可以輻射信號(hào),也可以接收信號(hào)。信號(hào)通過(guò)電纜輻射時(shí),會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備形成干擾;電纜接收電子設(shè)備發(fā)射的 無(wú)用信號(hào)又會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾。隨著電子通信網(wǎng)絡(luò)中工作頻率的不斷升高,這種干擾和輻射正嚴(yán)重影 響到系統(tǒng)的性能。

為了提高電纜的抗干擾能力,減小對(duì)周圍電磁 環(huán)境的污染,使用屏蔽電纜線不失為一種簡(jiǎn)單而行之有效的方法。屏蔽電纜既可以防止電纜內(nèi)部信號(hào)的泄漏,又可以防止外部干擾信號(hào)進(jìn)入電纜內(nèi)部。屏蔽電纜的屏蔽性能一般用電纜的屏蔽衰減來(lái)度量,它是表征同軸線電磁兼容性(抗干擾和防泄漏) 的重要指標(biāo),定義為:

a_s = 10 lg ( P_in / P_max ) （1）

式中P_in為注入功率, P_max為輻射的最大功率。由于屏蔽電纜的屏蔽層多種多樣,不同的屏蔽材料和屏蔽結(jié)構(gòu),電纜的屏蔽衰減會(huì)有很大的差異。為了給工程上評(píng)定、比較、設(shè)計(jì)和使用屏蔽電纜提供準(zhǔn)確的 參考依據(jù),必須對(duì)屏蔽電纜的屏蔽衰減進(jìn)行測(cè)量。 因此,電纜屏蔽衰減的測(cè)試技術(shù)正成為眾多研究人員關(guān)注的問(wèn)題。

2 主要測(cè)試方法

射頻同軸電纜是用于傳輸射頻信號(hào)或能量的同軸電纜的總稱。其工作頻段通常為15 kHz～ 20 GHz ,主要應(yīng)用于通信廣播、電視、微波中繼、雷達(dá)、 導(dǎo)航以及遙測(cè)等領(lǐng)域。射頻同軸電纜屏蔽衰減的測(cè) 試方法可分為:a. 通過(guò)測(cè)量射頻同軸電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗對(duì)其進(jìn)行間接描述,三同軸法是典型的轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)量方法;b.直接測(cè)量射頻同軸電纜的屏蔽衰減, 比較常用的有功率吸收鉗法、混響室法、GTEM小室法等。在上述測(cè)試方法中,混響室法和GTEM小室法是基于場(chǎng)的觀點(diǎn),其余的測(cè)試方法則是基于電路的觀點(diǎn),且上述測(cè)試方法均已為IEC所采用。本文將闡述上述四種電纜屏蔽衰減的測(cè)試方法并對(duì)其進(jìn)行比較。

2.1 三同軸法

三同軸法是一種經(jīng)典的轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)量方法。也是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 621532423 —2002 電磁兼容———表面轉(zhuǎn)移阻抗(三同軸法) 中的測(cè)量方法。 對(duì)于電短電纜,即電纜的長(zhǎng)度L ≈ ( 0. 10 ～ 0. 35)λ,其中λ為工作波長(zhǎng),轉(zhuǎn)移阻抗Z_t定義為單位長(zhǎng)度上由被測(cè)的屏蔽及套管形成的匹配外電路上感應(yīng)的縱向電壓U與饋入內(nèi)電路的電流I之比,即

（2）

式中L為耦合長(zhǎng)度,即套管內(nèi)的電纜長(zhǎng)度。

轉(zhuǎn)移阻抗是衡量外部電磁場(chǎng)能量透過(guò)電纜屏蔽層的特征參數(shù)。在很多情況下,特別是頻率比較低的時(shí)候(100 MHz 以下) ,可以用轉(zhuǎn)移阻抗間接描述屏蔽電纜的屏蔽衰減,轉(zhuǎn)移阻抗越低,屏蔽電纜的屏蔽性能越好。

測(cè)試時(shí),把被測(cè)電纜置于同軸的無(wú)鐵磁性的良導(dǎo)體(如黃銅或純銅)套管內(nèi),構(gòu)成一個(gè)三同軸(同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體、同軸電纜外導(dǎo)體和同軸的良導(dǎo)體套管)裝置。其中,同軸電纜的屏蔽層和內(nèi)導(dǎo)體組成內(nèi)電路,電纜屏蔽和套管組成外電路。在電纜饋入端,短接套管與電纜屏蔽。套管內(nèi)的耦合長(zhǎng)度要滿足電短的要求。被測(cè)電纜的內(nèi)電路的一端與負(fù)載電阻R₁相連接,其阻值與被測(cè)電纜特性阻抗Z_c相同,即R₁ = Z_c ;另一端接入信號(hào)發(fā)生器。將測(cè)試接收機(jī)測(cè)得的接收信號(hào)經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得轉(zhuǎn)移阻抗Z_t 的值。

圖1 三同軸法測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2 功率吸收鉗法

功率吸收鉗法是目前最常用、最經(jīng)典的同軸電 纜屏蔽衰減的測(cè)試方法。也是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 621532 425 —2006 金屬通信電纜試驗(yàn)方法第425 部分:電磁兼容性( EMC) ———耦合或屏蔽衰減———吸收鉗法中的測(cè)量方法。它的使用頻率由功率吸收鉗的工作頻率決定,而市售的吸收鉗有可用于30～1 000 MHz 和300～2 500 MHz 兩種規(guī)格。

功率吸收鉗是由電流變壓器和鐵氧體環(huán)吸收器組成的。電流變壓器作為電流探頭,用于測(cè)量電纜上從內(nèi)部流到外部的共模電流大小。我們知道,在電纜表面?zhèn)鞑サ母蓴_電磁波會(huì)產(chǎn)生反射波,如果被電纜吸收,會(huì)改變電磁波的特性,進(jìn)而影響吸收功率的測(cè)量。所以在吸收鉗中利用可以吸收反射能量的鐵氧體環(huán)作吸收器,保證了吸收功率與被測(cè)干擾電流具有確定的正比關(guān)系。

測(cè)試時(shí),信號(hào)從被測(cè)電纜饋入功率P₁ ,屏蔽電纜內(nèi)導(dǎo)體和屏蔽層構(gòu)成第一級(jí)電路,電纜的屏蔽層則與周圍環(huán)境構(gòu)成第二級(jí)電路。由于電纜與周圍環(huán)境的電磁耦合,泄漏的信號(hào)在屏蔽層上激勵(lì)了表面波,并沿屏蔽層向兩個(gè)方向傳播。與功率吸收鉗輸出端相連的頻譜分析儀可測(cè)出饋入功率P₁在第二級(jí)電路中的感應(yīng)信號(hào)功率。在近端和遠(yuǎn)端分別用功率吸收鉗進(jìn)行測(cè)量,可獲得近端和遠(yuǎn)端測(cè)得的第二級(jí)電路中的最大功率值P_2max ,該電纜的屏蔽衰減α_s = 10 lg ( P₁ / P_2max ) 。

圖2 　功率吸收鉗法測(cè)試系統(tǒng)示意圖( 近端測(cè)試)

2.3 混響室法

混響室又稱模攪拌室,是指一個(gè)裝有模式攪拌器,工作在過(guò)模狀態(tài)下的屏蔽小室。圖3是混響室法的測(cè)試示意圖。攪拌器每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)設(shè)的角度,取樣一次。并對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行取樣。當(dāng)混響室內(nèi)發(fā)射天線產(chǎn)生射頻信號(hào)時(shí),電磁能量被混響室墻壁和模式攪拌器來(lái)回反射,隨著模式攪拌器不停地緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),混響室內(nèi)的電磁能量分布趨于均勻,以模擬各類電器及移動(dòng)通信設(shè)備同時(shí)產(chǎn)生各種相位、各種幅度以及各種極化的實(shí)際電磁環(huán)境。

測(cè)試時(shí),將被測(cè)電纜置于混響室內(nèi),一端接 50 Ω匹配負(fù)載,一端接接收機(jī)。發(fā)射天線饋入足夠的功率P_in ,模式攪拌器開(kāi)始旋轉(zhuǎn),接收機(jī)測(cè)得被測(cè)電纜上產(chǎn)生的信號(hào)功率P_DUT。然后將接收機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)天線連接,發(fā)射天線饋入同樣的功率P_in  ,在接收機(jī)上得到標(biāo)準(zhǔn)天線上產(chǎn)生的信號(hào)功率P_REF。在各頻率點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行以上的操作,則屏蔽衰減α_s= 10 lg ( P_REF / P_DUT ) 。

圖3 　混響室法測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.4 GTEM小室法

GTEM小室法是近十年來(lái)在TEM(橫電磁波)小室基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新的屏蔽衰減測(cè)量方法,它突破了TEM小室在頻率和尺寸上的局限性。

GTEM 小室又稱吉赫茲( GHz) 橫電磁波室,它更好 地模擬了自由空間環(huán)境,可用于電纜及其組件的電 磁輻射敏感度和干擾性的測(cè)試。它采用了同軸及非 對(duì)稱矩形傳輸線設(shè)計(jì)原理,如圖4 所示,它的外導(dǎo)體為一個(gè)四棱錐狀的屏蔽箱。錐頂處為50 Ω 的N型同軸連接器,它連接著一個(gè)尺寸漸變的平板狀內(nèi)導(dǎo)體。由于小室平板狀內(nèi)導(dǎo)體與頂板張角很小,因而, 由N型接頭向GTEM 小室傳播的球面波可近似為平面波,從而產(chǎn)生了一個(gè)均勻的測(cè)試區(qū)域。GTEM小室采用寬帶分立無(wú)感端接匹配電阻和吸波材料, 改善低頻段與高頻段的阻抗匹配,當(dāng)在其輸入端饋 入激勵(lì)功率時(shí),GTEM小室內(nèi)就建立起均勻的橫電磁行波,因而能夠較好地模擬自由空間中電磁場(chǎng)的環(huán)境。箱體的側(cè)面有一扇門,用來(lái)放置和取出被測(cè)電纜。

測(cè)試時(shí),將被測(cè)電纜置于小室內(nèi),電纜一頭接匹配負(fù)載,另一頭接頻譜分析儀。信號(hào)發(fā)生器注入正弦等幅波。射頻信號(hào)在GTEM小室的工作區(qū)域激勵(lì)出均勻的垂直極化電磁場(chǎng)。用功率計(jì)測(cè)量GTEM小室激勵(lì)功率P1;保持輸入功率不變,通過(guò)頻譜分析儀測(cè)得滲透到電纜內(nèi)部的滲透功率P₂。則電纜的屏蔽衰減α_s = 10 lg ( P₁ / P₂ ) 。

圖4 　GTEM小室法測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3 　屏蔽衰減測(cè)試方法的比較

上述四種射頻同軸電纜屏蔽衰減測(cè)試方法的對(duì)比如表1所示?；陔娐吩頊y(cè)量射頻同軸電纜屏蔽衰減的三同軸法、功率吸收鉗法均適用于頻率較低的場(chǎng)合。三同軸法是基于屏蔽衰減與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)移阻抗來(lái)間接評(píng)價(jià)電纜的屏蔽衰減。它是一種封閉式的測(cè)試方法,操作和調(diào)試非常簡(jiǎn)單,測(cè)試精度也較高,但試樣的制作和加工有一定難度。隨著電纜工作頻率的升高,必須考慮電纜單位長(zhǎng)度上電感和電容的影響及相位的變化,此前的屏蔽衰減與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系不再適用。功率吸收鉗法具有操作簡(jiǎn)便、使用方便的特點(diǎn),它是一種開(kāi)放式的測(cè)試方法,測(cè)試精度易受周圍電磁環(huán)境的影響。并且,由于功率吸收鉗法測(cè)量的頻率范圍受吸收鉗的工作頻率限制,所以其測(cè)量頻率范圍相對(duì)較小。

基于場(chǎng)的原理測(cè)試射頻同軸電纜屏蔽衰減的混響室法,測(cè)量頻率范圍最大,能提供各個(gè)入射方向和極化方向的入射波,從而更接近實(shí)際的電磁環(huán)境,因此不會(huì)受到功率吸收鉗法以及GTEM小室法對(duì)被測(cè)電纜長(zhǎng)度及放置要求的限制,可非常輕松地測(cè)量各種形狀的電纜。雖然理論上,混響室法沒(méi)有測(cè)試頻率上限,但它的測(cè)試頻率下限卻取決于混響室的尺寸。圖5是混響室體積與測(cè)試頻率下限的關(guān)系。

可以看出,混響室的尺寸越大,其頻率下限就越低,即測(cè)試頻率較低時(shí)必須使用較大尺寸的混響室。此外,混響室的設(shè)備非常昂貴,它的信號(hào)處理過(guò)程也較為復(fù)雜。

與三同軸法、功率吸收鉗法相比,GTEM小室法的測(cè)量頻率范圍更大。與混響室法相比,GTEM小室法的測(cè)試效率高,儀器設(shè)備更為簡(jiǎn)單,自身及配。

2.5 模具的質(zhì)量

模具也是影響整體鍍錫編織外導(dǎo)體質(zhì)量的重要因素。如模具表面光滑,則鍍層表面細(xì)致、均勻;如模具表面粗糙,則鍍層會(huì)出現(xiàn)裂紋、劃傷等問(wèn)題。在整體鍍錫工藝生產(chǎn)中要注意對(duì)模架角度的調(diào)整,以保證錫爐中的壓線支點(diǎn)、模具中心點(diǎn)及導(dǎo)輪上的支撐點(diǎn)在一條直線上。模具的孔徑也是影響整體鍍錫成品線質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。如模具孔徑偏小,易造成張力過(guò)大,編織外導(dǎo)體抖動(dòng)頻繁,鍍層厚度不均;如模具孔徑偏大,則錫層偏厚,影響鍍層的質(zhì)量,且耗錫量增加,成本提高。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)及對(duì)產(chǎn)品性能的測(cè)試,刮錫模的孔徑應(yīng)比編織層外徑大0.1mm左右為宜。

3 整體鍍錫工藝常見(jiàn)問(wèn)題及原因

整體鍍錫工藝常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題有:a.發(fā)生脫錫、編織層局部漏鍍,其原因可能是助焊劑活性過(guò)低或編織網(wǎng)表面有油污、錫灰,可通過(guò)更換助焊劑和加強(qiáng)除油、清洗等方法解決。b.錫層表面發(fā)黃,其原因可能是錫溫過(guò)高或錫的質(zhì)量較差,可通過(guò)降低錫溫和更換錫等方法解決。c.錫層表面不均勻,有錫瘤,這可能是由放線張力不穩(wěn)、模具過(guò)大以及生產(chǎn)速度過(guò)快等因素造成,可通過(guò)調(diào)整放線張力、更換模具和降低生產(chǎn)速度等方法解決。d.錫層表面粗糙、錫層過(guò)厚,這可能是因模具被劃傷、生產(chǎn)速度過(guò)慢以及模具過(guò)大等因素造成,可通過(guò)更換模具和提高生產(chǎn)速度等方法解決。e.錫層過(guò)薄,其原因可能是模具過(guò)小或生產(chǎn)速度過(guò)慢,可通過(guò)更換模具和提高生產(chǎn)速度等方法解決。f.鍍層表面有針孔,其原因可能是錫溫過(guò)低或生產(chǎn)速度過(guò)快,可通過(guò)升高錫溫和降低生產(chǎn)速度等方法解決。

綜上所述,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常常因設(shè)備、原材料、工藝等因素造成脫錫、編織層局部漏鍍、裂紋以及錫瘤等問(wèn)題。因而,我們應(yīng)通過(guò)對(duì)原材料、工藝流程以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制,避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生,才能生產(chǎn)出鍍層均勻,表面光亮,無(wú)針孔、黑斑,鍍錫層與編織層結(jié)合緊密,耐彎曲性能良好,且產(chǎn)品質(zhì)量及單線長(zhǎng)度均有保證的半柔同軸電纜。由于設(shè)備和工藝的異同,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中影響半柔同軸電纜鍍錫質(zhì)量的因素還有很多,以上只是筆者的幾點(diǎn)心得,供同行參考。

作者：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所 殷海成 朱榮華

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