一種同軸電纜和屏蔽線(xiàn)屏蔽效能測(cè)試方法

2023年上海電磁兼容展上很多工程師對(duì)于射頻同軸線(xiàn)纜的屏蔽性能檢測(cè)非常感興趣，因此整理一份同軸線(xiàn)纜和屏蔽線(xiàn)的屏蔽效能測(cè)試方法供大家參考。

1.??同軸線(xiàn)纜屏蔽效能測(cè)試方法

同軸電纜在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用于傳輸高速信號(hào)，在EMC領(lǐng)域是EMI信號(hào)輸入和EMS信號(hào)注入的重要的線(xiàn)纜。同軸電纜的性能有專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而EMC應(yīng)用中主要關(guān)注同軸電纜傳輸阻抗和屏蔽效能參數(shù)。

同軸阻抗是同軸電纜芯線(xiàn)和屏蔽層傳輸射頻信號(hào)的阻抗，一般為50Ω，可以通過(guò)S21插損測(cè)試方法快速核查；同軸電纜屏蔽效能是指屏蔽層對(duì)傳輸信號(hào)的屏蔽作用，即同軸屏蔽層外層對(duì)在芯線(xiàn)和屏蔽層內(nèi)層傳輸?shù)男盘?hào)的屏蔽能力。

屏蔽效能異常的問(wèn)題相對(duì)阻抗異常更加隱蔽，因?yàn)槠帘萎惓r(shí)信號(hào)也還可以通過(guò)屏蔽外層甚至空間傳輸，信號(hào)質(zhì)量和阻抗變化可能很小但會(huì)導(dǎo)致其他更復(fù)雜的問(wèn)題，如輻射泄露、傳輸損耗加大、駐波比異常、外部信號(hào)干擾、功放的自激等。

因此EMC工程師在工作中常常需要核查同軸線(xiàn)纜屏蔽效能來(lái)確保測(cè)試系統(tǒng)正常和測(cè)試結(jié)果真實(shí)有效。

由于趨膚效應(yīng)影響，同軸電纜的屏蔽層可以等效為內(nèi)外兩層。芯線(xiàn)傳輸?shù)男盘?hào)大部分通過(guò)屏蔽層內(nèi)層回流，而屏蔽外層探測(cè)不到信號(hào)，屏蔽效能很高。但是屏蔽異常時(shí)信號(hào)會(huì)通過(guò)外層傳輸，同軸線(xiàn)纜上就會(huì)探測(cè)到傳輸信號(hào)，因此可以通過(guò)線(xiàn)纜外層共模電流來(lái)評(píng)估屏蔽性能優(yōu)劣。以下是利用電流探頭測(cè)量共模電流快速核查同軸電纜屏蔽性能的操作方法。

圖一 同軸電纜屏蔽效能測(cè)試準(zhǔn)備和測(cè)量深度

利用共模電流來(lái)評(píng)估同軸線(xiàn)纜屏蔽效能的測(cè)試系統(tǒng)由電流探頭、夾具、匹配電阻和帶跟蹤源的頻譜儀組成。

首先按照電流探頭校準(zhǔn)的布置對(duì)電流探頭和夾具的系數(shù)進(jìn)行歸一化，然后將需要測(cè)量的同軸電纜接在跟蹤源輸出口并且端接50Ω同軸電阻，用電流探頭測(cè)量同軸線(xiàn)纜上的射頻電流信號(hào)。

當(dāng)屏蔽正常時(shí)跟蹤源發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電纜芯線(xiàn)到達(dá)同軸匹配電阻再經(jīng)內(nèi)層回流，此時(shí)電流探頭在同軸線(xiàn)纜的外層測(cè)量不到電流，異常時(shí)就能在在線(xiàn)纜上測(cè)到射頻信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的大小就能評(píng)估屏蔽效能。

右圖是該設(shè)置下的屏蔽效能測(cè)量深度，在10kHz-1GHz頻率在40-60dB范圍內(nèi)（減小內(nèi)部衰減和打開(kāi)前置放大器還能增加30dB）。

圖二?3米長(zhǎng)度高性能同軸電纜屏蔽效能測(cè)試布置和測(cè)量結(jié)果
圖三?1米長(zhǎng)度高性能同軸電纜芯線(xiàn)引出3cm對(duì)屏蔽效能的影響

以上兩張圖是高性能同軸電纜的屏蔽效能測(cè)試結(jié)果，可以看出該同軸線(xiàn)纜在全頻段屏蔽效能測(cè)試結(jié)果很好，但是如果將芯線(xiàn)露出屏蔽之外則會(huì)大大破壞屏蔽效果。

圖四 ?1米同軸電纜芯線(xiàn)引出對(duì)屏蔽效能的影響
圖五，1米同軸電纜芯線(xiàn)接入50Ω同軸電阻開(kāi)路
圖六，1米同軸電纜芯線(xiàn)接入50Ω同軸電阻短路，芯線(xiàn)電流被測(cè)量
圖七，1米同軸電纜芯線(xiàn)接入50Ω同軸電阻銅箔屏蔽搭接

以上實(shí)驗(yàn)可以看出屏蔽層與同軸端子的連接對(duì)屏蔽效能的影響很大：完全匹配并且搭接優(yōu)良的屏蔽線(xiàn)纜能夠達(dá)到很好的屏蔽效果，任何的芯線(xiàn)暴露和屏蔽不連續(xù)都會(huì)導(dǎo)致屏蔽性能的下降。

利用電流探頭測(cè)試共模電流的方法能夠?qū)νS線(xiàn)纜屏蔽性能進(jìn)行快速評(píng)估，但更大測(cè)量范圍和高精度的評(píng)估需要在此基礎(chǔ)上提高設(shè)備精度增加環(huán)境電磁噪聲屏蔽。EMC應(yīng)用中利用一根高性能同軸電纜作為基準(zhǔn)對(duì)其他電纜進(jìn)行比對(duì)就能快速完成評(píng)估。

2.???屏蔽線(xiàn)屏蔽效能的演示屏蔽線(xiàn)的屏蔽效能也可以使用類(lèi)似的方法進(jìn)行評(píng)估。利用同軸夾具、電流探頭、銅箔、屏蔽銅網(wǎng)等就能進(jìn)行進(jìn)行快速的屏蔽演示。

圖八 屏蔽線(xiàn)屏蔽效能測(cè)試布置和歸一化
圖九 兩端接地的寬銅箔的屏蔽作用
圖十 兩端未接地的緊密銅箔包層沒(méi)有任何屏蔽效果
圖十一兩端接地的緊密銅箔有屏蔽效果

以上實(shí)驗(yàn)可以看出對(duì)于較短的屏蔽線(xiàn)，屏蔽效能同樣主要取決于屏蔽層的導(dǎo)電性和兩端接地搭接。工程實(shí)踐使用的屏蔽線(xiàn)一般是對(duì)RS232/485，RJ45,CAN通訊或者關(guān)鍵的采樣信號(hào)線(xiàn)采用，目的是改善輻射發(fā)射或者提升抗擾能力，通常只需要在通訊或采樣的工作頻段內(nèi)達(dá)到一定的屏蔽效果滿(mǎn)足測(cè)試要求即可，并不要求全頻段完美屏蔽。

圖九可以看出僅增加一根并行的接地銅箔就能起到10-30dB屏蔽作用，因此實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中合理利用接地線(xiàn)或者貼近接地的金屬結(jié)構(gòu)布線(xiàn)都能夠獲得一定屏蔽效果。更好的屏蔽層和更好的搭接方法能達(dá)到更好的屏蔽效能但也意味著更高的成本。以下演示屏蔽層和搭接對(duì)屏蔽效能的影響。

圖十二60cm線(xiàn)長(zhǎng)的屏蔽效能演示布置和測(cè)量深度
圖十三編織銅網(wǎng)屏蔽兩端接地但不完全搭接的影響
圖十四 編織銅網(wǎng)兩端接地搭接良好的屏蔽效能

以上實(shí)驗(yàn)可以看銅編織網(wǎng)的屏蔽性能相對(duì)銅箔要好一些，接地搭接良好能夠提供很高的屏蔽效能，但是接地搭接不良時(shí)依舊會(huì)對(duì)高頻的屏蔽產(chǎn)生影響。使用這種銅編織網(wǎng)能夠方便且高效地對(duì)線(xiàn)纜發(fā)射進(jìn)行屏蔽，EMC診斷分析中可以利用這種方法對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行排查。

3.???小結(jié)

同軸電纜的屏蔽異常會(huì)導(dǎo)致射頻電流流經(jīng)外層，因此測(cè)量同軸線(xiàn)纜上的共模電流泄露能夠評(píng)估同軸電纜的屏蔽效能，使用電流探頭和S21測(cè)試設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)方便快速測(cè)試。

屏蔽線(xiàn)的屏蔽效能與屏蔽層材質(zhì)、端口接地搭接密切相關(guān)，但工程應(yīng)用最重要的是對(duì)屏蔽應(yīng)用頻段和屏蔽效能需求進(jìn)行定義，最終結(jié)合成本來(lái)選擇合適的屏蔽線(xiàn)方案。