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越多的關(guān)注。電纜具有天線效應(yīng),它既可以輻射信號,也可以接收信號。信號通過電纜輻射時,會對其它電子設(shè)備形成干擾;電纜接收電子設(shè)備發(fā)射的 無用信號又會對系統(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,減小對周圍電磁 環(huán)境的污染,使用屏蔽電纜線不失為一種簡單而行之有效的方法。屏蔽電纜既可以防止電纜內(nèi)部信號的泄漏,又可以防止外部干擾信號進入電纜內(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,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),電纜的屏蔽衰減會有很大的差異。為了給工程上評定、比較、設(shè)計和使用屏蔽電纜提供準確的 參考依據(jù),必須對屏蔽電纜的屏蔽衰減進行測量。 因此,電纜屏蔽衰減的測試技術(shù)正成為眾多研究人員關(guān)注的問題。

2 主要測試方法

射頻同軸電纜是用于傳輸射頻信號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、 導航以及遙測等領(lǐng)域。射頻同軸電纜屏蔽衰減的測 試方法可分為:a. 通過測量射頻同軸電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗對其進行間接描述,三同軸法是典型的轉(zhuǎn)移阻抗測量方法;b.直接測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。在上述測試方法中,混響室法和GTEM小室法是基于場的觀點,其余的測試方法則是基于電路的觀點,且上述測試方法均已為IEC所采用。本文將闡述上述四種電纜屏蔽衰減的測試方法并對其進行比較。

2.1 三同軸法

三同軸法是一種經(jīng)典的轉(zhuǎn)移阻抗測量方法。也是國際標準IEC 621532423 —2002 電磁兼容———表面轉(zhuǎn)移阻抗(三同軸法) 中的測量方法。 對于電短電纜,即電纜的長度L ≈ ( 0. 10 ～ 0. 35)λ,其中λ為工作波長,轉(zhuǎn)移阻抗Z_t定義為單位長度上由被測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為耦合長度,即套管內(nèi)的電纜長度。

轉(zhuǎn)移阻抗是衡量外部電磁場能量透過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。

測試時,把被測電纜置于同軸的無鐵磁性的良導體(如黃銅或純銅)套管內(nèi),構(gòu)成一個三同軸(同軸電纜內(nèi)導體、同軸電纜外導體和同軸的良導體套管)裝置。其中,同軸電纜的屏蔽層和內(nèi)導體組成內(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)的耦合長度要滿足電短的要求。被測電纜的內(nèi)電路的一端與負載電阻R₁相連接,其阻值與被測電纜特性阻抗Z_c相同,即R₁ = Z_c ;另一端接入信號發(fā)生器。將測試接收機測得的接收信號經(jīng)數(shù)學計算獲得轉(zhuǎn)移阻抗Z_t 的值。

圖1 三同軸法測試系統(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 纜屏蔽衰減的測試方法。也是國際標準IEC 621532 425 —2006 金屬通信電纜試驗方法第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_電磁波會產(chǎn)生反射波,如果被電纜吸收,會改變電磁波的特性,進而影響吸收功率的測量。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干擾電流具有確定的正比關(guān)系。

測試時,信號從被測電纜饋入功率P₁ ,屏蔽電纜內(nèi)導體和屏蔽層構(gòu)成第一級電路,電纜的屏蔽層則與周圍環(huán)境構(gòu)成第二級電路。由于電纜與周圍環(huán)境的電磁耦合,泄漏的信號在屏蔽層上激勵了表面波,并沿屏蔽層向兩個方向傳播。與功率吸收鉗輸出端相連的頻譜分析儀可測出饋入功率P₁在第二級電路中的感應(yīng)信號功率。在近端和遠端分別用功率吸收鉗進行測量,可獲得近端和遠端測得的第二級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 　功率吸收鉗法測試系統(tǒng)示意圖( 近端測試)

2.3 混響室法

混響室又稱模攪拌室,是指一個裝有模式攪拌器,工作在過模狀態(tài)下的屏蔽小室。圖3是混響室法的測試示意圖。攪拌器每轉(zhuǎn)過一個預設(shè)的角度,取樣一次。并對每個頻率點進行取樣。當混響室內(nèi)發(fā)射天線產(chǎn)生射頻信號時,電磁能量被混響室墻壁和模式攪拌器來回反射,隨著模式攪拌器不停地緩慢轉(zhuǎn)動,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通信設(shè)備同時產(chǎn)生各種相位、各種幅度以及各種極化的實際電磁環(huán)境。

測試時,將被測電纜置于混響室內(nèi),一端接 50 Ω匹配負載,一端接接收機。發(fā)射天線饋入足夠的功率P_in ,模式攪拌器開始旋轉(zhuǎn),接收機測得被測電纜上產(chǎn)生的信號功率P_DUT。然后將接收機與標準天線連接,發(fā)射天線饋入同樣的功率P_in  ,在接收機上得到標準天線上產(chǎn)生的信號功率P_REF。在各頻率點重復進行以上的操作,則屏蔽衰減α_s= 10 lg ( P_REF / P_DUT ) 。

圖3 　混響室法測試系統(tǒng)示意圖

2.4 GTEM小室法

GTEM小室法是近十年來在TEM(橫電磁波)小室基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的屏蔽衰減測量方法,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試。它采用了同軸及非 對稱矩形傳輸線設(shè)計原理,如圖4 所示,它的外導體為一個四棱錐狀的屏蔽箱。錐頂處為50 Ω 的N型同軸連接器,它連接著一個尺寸漸變的平板狀內(nèi)導體。由于小室平板狀內(nèi)導體與頂板張角很小,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)生了一個均勻的測試區(qū)域。GTEM小室采用寬帶分立無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,當在其輸入端饋 入激勵功率時,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的環(huán)境。箱體的側(cè)面有一扇門,用來放置和取出被測電纜。

測試時,將被測電纜置于小室內(nèi),電纜一頭接匹配負載,另一頭接頻譜分析儀。信號發(fā)生器注入正弦等幅波。射頻信號在GTEM小室的工作區(qū)域激勵出均勻的垂直極化電磁場。用功率計測量GTEM小室激勵功率P1;保持輸入功率不變,通過頻譜分析儀測得滲透到電纜內(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小室法測試系統(tǒng)示意圖

3 　屏蔽衰減測試方法的比較

上述四種射頻同軸電纜屏蔽衰減測試方法的對比如表1所示。基于電路原理測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合。三同軸法是基于屏蔽衰減與轉(zhuǎn)移阻抗的關(guān)系,通過測量轉(zhuǎn)移阻抗來間接評價電纜的屏蔽衰減。它是一種封閉式的測試方法,操作和調(diào)試非常簡單,測試精度也較高,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便、使用方便的特點,它是一種開放式的測試方法,測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量的頻率范圍受吸收鉗的工作頻率限制,所以其測量頻率范圍相對較小。

基于場的原理測試射頻同軸電纜屏蔽衰減的混響室法,測量頻率范圍最大,能提供各個入射方向和極化方向的入射波,從而更接近實際的電磁環(huán)境,因此不會受到功率吸收鉗法以及GTEM小室法對被測電纜長度及放置要求的限制,可非常輕松地測量各種形狀的電纜。雖然理論上,混響室法沒有測試頻率上限,但它的測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,即測試頻率較低時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,它的信號處理過程也較為復雜。

與三同軸法、功率吸收鉗法相比,GTEM小室法的測量頻率范圍更大。與混響室法相比,GTEM小室法的測試效率高,儀器設(shè)備更為簡單,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體質(zhì)量的重要因素。如模具表面光滑,則鍍層表面細致、均勻;如模具表面粗糙,則鍍層會出現(xiàn)裂紋、劃傷等問題。在整體鍍錫工藝生產(chǎn)中要注意對模架角度的調(diào)整,以保證錫爐中的壓線支點、模具中心點及導輪上的支撐點在一條直線上。模具的孔徑也是影響整體鍍錫成品線質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素。如模具孔徑偏小,易造成張力過大,編織外導體抖動頻繁,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)過生產(chǎn)試驗及對產(chǎn)品性能的測試,刮錫模的孔徑應(yīng)比編織層外徑大0.1mm左右為宜。

3 整體鍍錫工藝常見問題及原因

整體鍍錫工藝常見的質(zhì)量問題有: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低或編織網(wǎng)表面有油污、錫灰,可通過更換助焊劑和加強除油、清洗等方法解決。b.錫層表面發(fā)黃,其原因可能是錫溫過高或錫的質(zhì)量較差,可通過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)、模具過大以及生產(chǎn)速度過快等因素造成,可通過調(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、錫層過厚,這可能是因模具被劃傷、生產(chǎn)速度過慢以及模具過大等因素造成,可通過更換模具和提高生產(chǎn)速度等方法解決。e.錫層過薄,其原因可能是模具過小或生產(chǎn)速度過慢,可通過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低或生產(chǎn)速度過快,可通過升高錫溫和降低生產(chǎn)速度等方法解決。

綜上所述,實際生產(chǎn)過程中常常因設(shè)備、原材料、工藝等因素造成脫錫、編織層局部漏鍍、裂紋以及錫瘤等問題。因而,我們應(yīng)通過對原材料、工藝流程以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的嚴格控制,避免上述問題的產(chǎn)生,才能生產(chǎn)出鍍層均勻,表面光亮,無針孔、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)量及單線長度均有保證的半柔同軸電纜。由于設(shè)備和工藝的異同,實際生產(chǎn)過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心得,供同行參考。

作者：中國電子科技集團公司第二十三研究所 殷海成 朱榮華

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