一種同軸電纜和屏蔽線屏蔽效能測試方法

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

1.??同軸線纜屏蔽效能測試方法

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)注入的重要的線纜。同軸電纜的性能有專業(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和屏蔽層傳輸射頻信號(hào)的阻抗，一般為50Ω，可以通過S21插損測試方法快速核查；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纜屏蔽效能來確保測試系統(tǒng)正常和測試結(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。芯線傳輸?shù)男盘?hào)大部分通過屏蔽層內(nèi)層回流，而屏蔽外層探測不到信號(hào)，屏蔽效能很高。但是屏蔽異常時(shí)信號(hào)會(huì)通過外層傳輸，同軸線纜上就會(huì)探測到傳輸信號(hào)，因此可以通過線纜外層共模電流來評(píng)估屏蔽性能優(yōu)劣。以下是利用電流探頭測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試準(zhǔn)備和測量深度

利用共模電流來評(píng)估同軸線纜屏蔽效能的測試系統(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，用電流探頭測量同軸線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)通過電纜芯線到達(dá)同軸匹配電阻再經(jīng)內(nèi)層回流，此時(shí)電流探頭在同軸線纜的外層測量不到電流，異常時(shí)就能在在線纜上測到射頻信號(hào)，通過信號(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)部衰減和打開前置放大器還能增加30dB）。

圖二?3米長度高性能同軸電纜屏蔽效能測試布置和測量結(jié)果
圖三?1米長度高性能同軸電纜芯線引出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試結(jié)果，可以看出該同軸線纜在全頻段屏蔽效能測試結(jié)果很好，但是如果將芯線露出屏蔽之外則會(huì)大大破壞屏蔽效果。

圖四 ?1米同軸電纜芯線引出對(duì)屏蔽效能的影響
圖五，1米同軸電纜芯線接入50Ω同軸電阻開路
圖六，1米同軸電纜芯線接入50Ω同軸電阻短路，芯線電流被測量
圖七，1米同軸電纜芯線接入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)良的屏蔽線纜能夠達(dá)到很好的屏蔽效果，任何的芯線暴露和屏蔽不連續(xù)都會(huì)導(dǎo)致屏蔽性能的下降。

利用電流探頭測試共模電流的方法能夠?qū)νS線纜屏蔽性能進(jìn)行快速評(píng)估，但更大測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.???屏蔽線屏蔽效能的演示屏蔽線的屏蔽效能也可以使用類似的方法進(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 屏蔽線屏蔽效能測試布置和歸一化
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，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)踐使用的屏蔽線一般是對(duì)RS232/485，RJ45,CAN通訊或者關(guān)鍵的采樣信號(hào)線采用，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足測試要求即可，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)品開發(fā)中合理利用接地線或者貼近接地的金屬結(jié)構(gòu)布線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線長的屏蔽效能演示布置和測量深度
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，因此測量同軸線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測試設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)方便快速測試。

屏蔽線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)合成本來選擇合適的屏蔽線方案。