“管中管”三同軸測試技術及小物理尺寸器件的電磁性能測試

尹　瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

“管中管”三同軸測試技術及小物理尺寸器件的電磁性能測試

尹瑩

（上海電纜研究所，上海200093）

傳統的三同軸測試技術在測試物理尺寸較小的器件時存在局限性，在基于傳統三同軸測試技術的理論基礎上，介紹了一種新的測試技術——“管中管”方法的技術原理，并著重敘述了其在電纜組件、連接器等物理尺寸較小的器件的電磁性能測試中的應用。

三同軸方法；電磁兼容；管中管方法；轉移阻抗；屏蔽衰減；連接器；電纜組件

0　引　言

在測試屏蔽電纜和組件的電磁性能時，通常根據試樣的應用條件，選擇不同的參數來表征其電磁性能。對于長電長度（試樣電長度遠大于測試信號波長）的試樣，可以選擇屏蔽衰減參數評估該類電纜的電磁性能；對于短電長度（試樣電長度遠小于測試信號波長）的試樣，可以選擇轉移阻抗參數評估該類電纜的電磁性能；在試樣的應用頻率覆蓋低頻和高頻的時候，可同時選擇轉移阻抗參數和屏蔽衰減參數；耦合衰減參數僅適用于屏蔽的對稱通信電纜。

常用的電纜屏蔽性能的測試方法有三同軸法、吸收鉗法、線注入法、混響室法等。由于三同軸測試技術可以同時覆蓋轉移阻抗、屏蔽衰減、耦合衰減參數的測試要求，同時對測試環境的要求低，無須建立專用的電磁屏蔽室，且具有測試速度快、系統動態范圍高、造價低等優點，因此三同軸技術在屏蔽電纜的電磁性能測試中得到了廣泛的使用。

但是，在測試物理尺寸較小的試樣（如RF連接器、接插件、電纜組件等）的屏蔽性能時，傳統的三同軸測試方法存在一定的局限性。

1　理論知識

1.1耦合長度

當試樣的有效長度滿足式（1）時，認為耦合長度是短電長度：

當試樣的有效長度滿足式（2）時，認為耦合長度是長電長度

式中：l為有效耦合長度（m）；λ0為自由空間的波長（m）；f為頻率（Hz）；εr1、εr2分別為內系統和外系統的相對介電常數；c0為自由空間的光速（m/s）。

1.2（表面）轉移阻抗

轉移阻抗定義為當試樣的耦合長度l遠小于信號波長λ時，單位長度上外系統的感應電壓與內系統注入的信號電流的比值（mΩ/m）。外系統是指試樣的屏蔽層與測試管的內徑形成的系統，內系統是指試樣的內導體與試樣的屏蔽層形成的系統。

式中：ZT為轉移阻抗（mΩ/m）；U2為外系統電壓（V；）I1為內系統的電流（A）；l為試樣的耦合長度（m）。

1.3屏蔽衰減

注入功率P1與周期性最大輻射功率Pr，max的對數比值，定義為屏蔽衰減，其公式為：

式中：as為屏蔽衰減（dB）；P1為注入功率（W）；Pr，max為周期性輻射功率的最大值（W）。

2　傳統三同軸測試技術原理及局限性

圖1是傳統三同軸技術測試屏蔽電纜的電磁性能的測試裝置示意圖。圖2是三同軸測試裝置的等效電路圖。三同軸測試裝置的測試管通常是由具有良好導電性能的非磁性的金屬管（例如黃銅、紫銅或鋁）構成，被測屏蔽電纜放置于測試管的中心，被測電纜的內導體、屏蔽層以及測試管的內徑三軸合一，因此該方法稱為三同軸方法。其中，被測電纜的內導體與屏蔽層形成內系統；被測電纜的屏蔽層與測試管形成外系統；屏蔽層既是內系統的外導體，又是外系統的內導體。外系統的阻抗Z2與測試管內徑以及被測電纜的屏蔽層外徑相關。在測試中，由信號源向內系統（被測電纜）注入信號，并在外系統中通過接收機接收信號。內系統通常是處于匹配狀態（在測試轉移阻抗時，內系統的遠端也可以處于短路狀態），而外系統在近端（信號源一側）處于電氣短路狀態。

在頻率較低時，信號的波長遠大于試樣的耦合長度（l?λ），信號在被測件的傳播可以忽略。由于外系統近端處于短路狀態，電容耦合導納可以被忽略，此時有

圖1　三同軸測試系統裝置示意圖

圖2　三同軸測試系統的等效電路圖

隨著頻率的提高，當耦合長度和波長可以相比擬時，波的傳輸不再被忽略，此時轉移阻抗ZT將隨頻率的增加而增加：

同樣，由電容耦合引起的容性耦合阻抗ZF不再被忽略：

此時，在內系統注入的信號耦合到外系統后，耦合信號的一部分將向外系統的近端傳輸，另一部分將向外系統的遠端傳輸。由于外系統在近端處于短路狀態，因此信號在短路點將發生全反射，反射信號將向外系統的遠端傳輸。因此，連接在外系統遠端的接收機接收的是兩個信號的矢量疊加和。輸入信號U1和輸出信號U2有下列關系：

圖3　函數的頻率響應曲線

圖4、圖5分別是耦合長度為1 m和2 m的同軸電纜樣品實測圖。

圖4　耦合長度1 m時的測試曲線

圖5　耦合長度2 m時的測試曲線

因此，三同軸技術測試屏蔽衰減的最低可測試頻率與耦合長度相關，當低于這個頻率時，無法得到正確的結果。我們將這個最低可測試的頻率稱之為下截止頻率fcut_l：

表1為不同的耦合長度與下截止頻率的關系。在此假設內系統的等效介電常數εr1＝2.3（實心PE）及εr1＝1.6（發泡PE），外系統εr2＝1.0。

表1　耦合長度與下截止頻率關系

在進行屏蔽衰減測試時，我們往往選擇試樣長度1～3 m或更長，可以獲得被測試樣較低頻率的屏蔽性能數據。

但是在實際應用中，連接器、組件或短段電纜試樣的物理尺寸較小，如一般連接器的物理尺寸在0.05～0.1 m之間，而多數組件的物理長度也小于0.5 m，此時的下截止頻率可能高達數GHz。因此，想利用三同軸技術測試這些物理尺寸小的試樣，必須解決下截止頻率偏高的問題。圖6為部分常見的組件和連接器。

圖6　部分常見的組件、連接器實物圖

3　“管中管”三同軸測試技術的原理

根據三同軸測試技術的原理和頻率響應特性，想降低下截止頻率fcut_l，其中一個簡便的方法是增加耦合長度。增加試樣的耦合長度使其截止頻率降低，同時額外增加的耦合長度部分不會產生新的電磁信號泄露，保證測試系統所接收的泄露信號僅來源于被測件，這就是“管中管”三同軸技術的原理。

圖7為“管中管”三同軸測試裝置的示意圖。和傳統的三同軸技術不同，“管中管”技術用一根具有一定壁厚的銅管延長被測件的電長度（銅管稱為延長管）。從圖7中可以看出，待測件被延長，耦合長度包括試樣本身的長度和在測試管中的延長管的長度。管中管測試系統在近端是短路狀態，在遠端，待測件靠近信號接收器的一側連接一個等于其特性阻抗的標準負載。負載及其與被測件的連接部分應具有良好的屏蔽，防止信號外泄。信號發生器通過測試引線向內系統注入信號，從內系統耦合到外系統的高頻信號在內外系統之間進行正向和反向傳輸，在近端短路處信號被反射，這樣在遠端就可以測得兩個不同方向的電磁波的疊加。輸入信號電壓與遠端測得的反射信號的電壓的對數比就是屏蔽衰減。

圖7　“管中管”三同軸測試裝置示意圖

為了降低系統的失配影響，測試管與延長管形成的阻抗應與信號源、接收機的阻抗一致。由于延長管的管徑具有足夠的厚度，可以認為其屏蔽性能遠遠高于被測件，所以接收機接收的泄露信號均來源于被測件。

可以看出，“管中管”三同軸測試技術通過延長短電長度器件的電長度，使系統的下截止頻率fcut_l向更低的頻率擴展，從而實現較低頻率下電磁性能的測試。

4　“管中管”三同軸測試技術實際應用

在實際應用中，我們先確定延長管的長度，以滿足被測件的測試頻段的要求；然后根據被測件的類型，選擇相應的連接或安裝方式，以滿足測試連接的要求。圖8為常見組件和器件的安裝方法，圖9為三同軸管中管測試裝置的實物圖。

圖8　管中管方法的短試樣連接示意圖

圖9　三同軸管中管測試裝置圖

測試實例1：一根長度為50 mm的SMA（J）-SMA（J）的電纜組件，其連接的電纜為PE絕緣同軸電纜。通過計算，得到其下截止頻率在5.8 GHz左右。為了得到較低的下截止頻率，我們采用三個分別為0.5 m、1 m、2 m的耦合長度，進行測試。圖10、圖11、圖12為測試結果。

從圖中可以清楚地看出，隨著耦合長度的增加，測試曲線的截止頻率明顯向低頻段延伸。

圖10　耦合長度0.5 m時的測試曲線

圖11　耦合長度1 m時的測試曲線

圖12　耦合長度2 m時的測試曲線

值得注意的是，當被測件是接插件時，測試值反映的是被測件、與被測件相連的電纜、連接被測件的適配器（若有的話）的綜合屏蔽性能。

5　結　論

“管中管”三同軸測試技術，通過延長管和物理尺寸較小的試件相連接，增加系統的耦合長度，從而降低測試系統的下截止頻率，解決傳統三同軸測試技術在小物理尺寸器件測試中存在的局限性。該技術可用于RF連接器、組件等電磁性能的測試。同時，該技術和傳統三同軸技術一樣，具有非常高的動態范圍。以半剛電纜組件實測上海電纜研究所研制的管中管測試設備，其動態范圍可以達到125dB以上。

[1]IEC 62153-4-1：2007Electromagnetic Compatibility（EMC）-Introduction to electromagnetic（EMC）screening measurements [S].

[2]IEC 62153-4-7：2007Metallic communication cable testmethods-Part 4-7：Shielded screening attenuation test method for measuring the transfer impedance ZT and the screening attenuation or the coupling attenuation of RF-Connectors and assemblies up to and above 3 GHz，Tube in tubemethod[S].

Tube-in-Tube Triaxial M ethod for M easuing Electromagnetic Com patibility（EMC）of RF-Connectors and Assemblies

YIN Ying
（Shanghai Electrical Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

Triaxial-tubemethod is used widely in the the EMCmeasurement of shield screening cables，but it is not appriate for cable assemblies and connectors.A new test method based on the traditional triaxial-tube，named as“tube-in-tube”，can be applied to determine the screening effectiveness of connectors and cable assemblies.

triaxialmethod；EMC；tubu-in-Tube method；transfer impedance；screening attenuation；RF-connectors；cable assembly

TM246.9

A

1672-6901（2016）01-0036-05

2015-07-24

科技部科技支撐計劃（2012BAB19B02）

尹瑩（1973-），女，高級工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號[200093].