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通信电缆、连接器及组件屏蔽效率试验方法

| 摘要

国内外关于电缆和连接器及组件的屏蔽效率试验方法的标准多达二十多项,归纳可知,常用的测量屏蔽效率的试验方法有混响室法、三同轴法、吸收钳法、线注入法、电容电桥法和GTEM 小室法等。


1.混响室法

混响室法是将被测件暴露于几乎均匀且各向同性的电磁场中,然后测量感应到被测件内的信号电平,主要用于测量电缆、连接器和组件及其它微波元件的屏蔽衰减。试验装置见图1。

图1 混响室测量屏蔽效率的试验装置示意图

利用混响室进行电缆屏蔽效率测试的优点在于无理论上的频率上限,实际工程中可达到40 GHz。由于混响室的Q 值高,一定的输入功率可以产生很高的场强,所以其动态范围很大,国外有资料表明可测到150 dB。其缺点在于达到较低的下限频率,混响室的尺寸需要很大,造价昂贵。


2.三同轴法及其扩展方法

2.1 三同轴法

三同轴法是测量屏蔽效率的经典方法,一般用来测量电缆和长电缆组件的表面转移阻抗、屏蔽衰减和对称电缆的耦合衰减等。其原理是通过向电缆屏蔽层施加确定的电流和电压,测量感应电压以测定表面转移阻抗,得到电缆的屏蔽效率。三同轴测量法适用于测量电缆、连接器和组件。

典型三同轴试验装置见图2,被测线缆置于同轴的无铁磁性的良导体管(比如黄铜或纯铜)内,构成三同轴(同轴电缆内导体、同轴电缆外导体和同轴的良导体套管)装置。其装置根据互易原理可分为两种: 一种由同轴电缆注入信号,在同轴套管远端取出耦合信号;另一种由同轴套管注入信号,在同轴电缆远端取出耦合信号。

图2 三同轴试验装置原理

三同轴装置测试装置是一种封闭式的测试方法,理论发展较为成熟,测试精度较高,但试样的制备复杂,而且测试频率、样品长度和直径等受到管子的直径和长度的限制。

2.2 “管中管”法

对于一些射频连接器短的电缆组件,由于其机械长度很短,截止频率将会很高,若用三同轴法测量,在很高的频率范围内,只能用转移阻抗表征其屏蔽效率。然而大多数用户仍然愿意用屏蔽衰减表征其屏蔽效率。为此,在IEC 62153-4-7 中规定了扩展的三同轴法——“管中管”法。

“管中管”法是通过采用一种射频密闭的金属延长管(管中管)来延伸被试组合件的电长度,使被试组合件的电长度变长,截止频率则向更低频率范围推移。如此,在这一更低频率范围,也可以测量屏蔽衰减。试验装置见图3。

图3 “管中管”试验装置原理

“管中管”三同轴法的试验装置具有下述特点:

(1)三同轴形装置:具有足够的长度,在能够绘出包络曲线的窄频带可产生波的叠加;

(2)长度可变的管:例如用不同的管件和/ 或可动管中管制成;

(3)长度可变的射频密闭延长管:具有一个最佳直径,使外管的特性阻抗为50 Ω 或为网络分析仪或发生器及接收器的标称阻抗;

(4)延长管的材质应无磁且传导性能优良(铜或黄铜),并且厚度应≥ 1 mm,以使其转移阻抗与被试件转移阻抗相比,忽略不计;

(5)信号发生器:特性阻抗与被试电缆相同,或者配置阻抗适配器,如果需要极高的屏蔽衰减,则需配备一个功率放大器;

(6)接收器:配有校准的阶梯衰减器或网络分析仪(NWA)。

其它连接方法同普通三同轴法,目前“管中管”法的使用已非常普遍。

2.3 三轴仪法

三同轴法和“ 管中管”法适用于测量直径较小(低于30 mm)的通信电缆、连接器(直式圆形)及组件的转移阻抗和屏蔽衰减( 或耦合衰减)。但对于直径较大,形状不规则的连接器和电缆组件则适用于三轴仪法(IEC 62153-4-15)。三轴仪法是将普通三同轴装置或“管中管”装置的外壳改成体积较大的矩形壳体,壳体由非铁磁性金属材料构成。其它与三同轴装置或“管中管”装置一样,详见图4a)和图4b)。

(a)三同轴的扩展

(b)“管中管”的扩展

图4 三轴仪法试验装置原理



3.功率吸收钳法

功率吸收钳法是常用测量电缆的屏蔽衰减的测试方法之一,基于电路原理进行长线测量,其近端和远端测量示意图分别见图5a)和图5b)。在IEC 标准中规定受试电缆的有效长度为(600±10)cm。

(a)近端测量

(b)远端测量

图5 功率吸收钳法测量屏蔽效率的示意图

对平衡的(对称)电缆来说,必须考虑以下两种情况:

● 差模骚扰功率:测量结果为耦合衰减,是不平衡衰减和屏蔽衰减相结合的结果;

● 共模骚扰功率:测量结果为屏蔽衰减。

表面电流可以用一个固定钳以扫频的方式来测得。


4.线注入法

用线注入法测量屏蔽电缆(或组件)的转移阻抗的试验装置如图6 所示。外部电路是线注入电路,由屏蔽层表面和注入线组成;内部电路由被测件内部导体和屏蔽层组成,是用于测量感应电压的电路。

图6 线注入法测量转移阻抗的试验装置


5.电容电桥法和脉冲法

在IEC 62153-4-8 中规定了电容电桥法和脉冲法测电缆及组件的容性耦合导纳。

5.1 电容电桥法

电容电桥法适用于在频率约1 kHz 时,测量试样内导体与金属管或外编织层之间的耦合导纳,其试验装置也是“三同轴”型式,如图7 所示。试验时,将试样内导体的一端屏蔽(屏蔽方法是将一个金属圆片接到屏蔽层,或采用一个不带电阻器的屏蔽终端负载)。试样沿同轴方向安装于试验装置内。试验装置的外导体,可以是一个金属管,也可以在试样护套上(若试样无护套,则在其上套一个绝缘套管)套装一个编织层而构成。将试样的屏蔽层接到电容电桥的中间位置。

图7 电容电桥法测量穿透电容的试验电路

为确保对连接电缆电容和测量仪器电容的校正不对系统精度造成过度损害,被试屏蔽层长度应为0.5~5 m。

5.2 脉冲法

脉冲法是将脉冲发生器的信号馈送到外同轴系统(激励回路)和示波器的一个通道(V1)(见图8),将试样内导体接到示波器的另一通道(V2)。为避免连接器失配造成反射,将V2 记录为脉冲触发后1~2μs 显示的平均脉冲高度。

(a)测试电路

(b)系统校准电路

图8 脉冲法测量穿透电容的试验电路


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