屏蔽效能宽带同轴线夹具的优化设计与测试

陈 翔 陈永光 魏 明 罗 乐 胡小锋

(1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北 石家庄 050003；2.解放军63893部队，河南 洛阳 471003)

引 言

材料电磁脉冲屏蔽效能的测试，是强场作用下的弱信号测量，必然要求测试系统有足够大的动态范围[1-3].在参考现有标准[4]的基础上改进的一些脉冲时域测试方法，如“窗口法”、“试件法”，由于受脉冲场传感器的制约，动态范围有限，而使用同轴线夹具测试方法则能很好地克服这一问题.目前，比较典型的同轴线夹具测试方法有美国材料试验学会(American Society for Testing and Materials，ASTM)的两个标准ES7和D4935，其测试频率上限均为1.5 GHz[6].ASTM ES7的特点是同轴的中心导体连续，其低频下限主要由信号源确定，理论上可到直流.而ASTM D4935特点是测试时内外导体全断开，使用法兰配合塑料螺母夹持材料，依靠测试面的容性电流保持电连接，其频率下限为30 MHz[7].

虽然Sarto M S等[8]和Vasquez H L等[9]分别在2006年和2009年，研制了高频上限达8 GHz和13.5 GHz的导体断开同轴线夹具，但其低频性能仍然不足.且ASTM ES7同轴线夹具模拟的情况更接近于无限大平面材料在自由空间的情况，更适合于材料的电磁脉冲屏蔽效能测试.文献[10]使用基于ASTM ES7标准的改进1.5 GHz同轴测试线夹具搭建了时域测试系统，并提出缩小同轴的尺寸来改善其高频性能的建议.本文使用粒子群优化(Particle Swarm Optimization，PSO)算法结合电磁场数值计算软件，设计制作了一种宽带同轴线夹具测试装置，利用矢量网络分析仪搭建了材料屏蔽效能频域测试系统，测量了同轴线夹具的回波损耗(Return Loss，RL)和两种金属织物材料的插入损耗(Insertion Loss，IL)，比较了与使用1.5 GHz改进同轴线夹具的测试结果.

1 同轴线夹具的优化设计

图1为参考ASTM ES-7标准制作的宽带同轴线夹具测试装置示意图，内导体连续且贯通材料样本中心，构成低频回路，外导体由螺母连接.下面分别从同轴的尺寸、过渡段和支撑介质三个方面进行讨论.

图1 宽带同轴线夹具的示意图

1.1 同轴的内外导体尺寸

为使同轴仅传输横电磁波(Transverse Electric and Magnetic，TEM)模，同轴必须工作在截止频率以下.而TE11模作为截止频率最低的模式，其大小与同轴内外导体的尺寸需满足

(1)

式中：fc为TE11模截止频率；c0为光速；R1为内导体的直径；R2为外导体的内直径.

同轴的阻抗由式(2)确定

(2)

式中：Z0为同轴阻抗；η0为空气阻抗；εr为填充介质的相对介电常数.为保证同轴线夹具与测试系统其它组件的匹配，取Z0=50Ω.

联立式(1)、(2)，得到同轴的尺寸与截止频率的关系式为

(3)

(4)

陈翔等[10]之前进行的材料电磁脉冲屏蔽效能试验中所使用的方波脉冲源，其上升沿大约在300 ps左右，包含有频率很高的成分.为保证同轴工作在TEM模式下，并为设计留有足够的余量，取同轴的截止频率为10 GHz，计算得到R1=5.78 mm，R2=13.3 mm.

1.2 过渡段的设计

同轴线夹具末端使用N型同轴连接器底座与线缆连接，文中选用L16-50KF连接器，其内导体芯的直径R11=3.04 mm，要保持50 Ω阻抗的连续，则R22=7 mm.同轴尺寸突变的地方会产生不连续阶梯电容，处理不好会导致传输TEM波的强烈反射，影响到同轴的性能.对过渡段的处理方式有渐变式和阶梯式[11]，文中R1/R11=1.90，在内外径之比不大时选择阶梯式过渡，即可通过较短的过渡段满足所需的性能要求，如图1所示.使用CST电磁场仿真软件进行参数扫描，得A=1.64 mm时同轴线夹具的回波损耗最小.

1.3 支撑介质的设计

支撑介质通常选用介电常数较小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)，取相对介电常数εr=2.1，厚度d=4 mm.图2为图1中支撑介质部分的局部放大图，支撑介质的引入会改变该处同轴的阻抗.

图2 支撑介质示意图

为保证同轴的阻抗为50 Ω，按式(5)重新计算同轴的内外径比例，将内外导体设计成图2所示的槽状结构[12].

(5)

在满足式(5)的条件下，可以得到不同的外导体槽深h2和内导体槽深h1组合，将式(5)重写为

(6)

得到h2与h1的关系式

h2=3.30(R1/2-h1)-R2/2 .

(7)

为进一步降低不连续电容，减少在宽频带上的反射，常常在支撑介质与空气交界面上挖一个环形凹槽(图2)，形成小电感来补偿不连续电容.环形凹槽的深度W和宽度L，将直接影响同轴的性能.

此外，同轴中两个支撑介质间的距离2(l1-A-B-d)以及支撑介质与外导体直径变化处的距离(A+B)都会影响谐振频点，为削弱这种影响[11]，取2(l1-A-B-d)≥2R2，A+B≥R2.其中，仅有参数B未定，经整理得B的取值范围：R2-A≤B≤l1-A-d-R2，取l1=10mm，l2=40mm.

通过前面的分析，还有三个参数需要最终确定，其约束条件分别为B(11.7～21 mm)、L(0.1～3.6 mm)、W(0.1～0.5 mm).使用CST仿真软件对有支撑介质的同轴线夹具进行参数化建模，结合基本PSO算法对三个参数进行优化，使RL(0～10 GHz)的最大值不断变小，直到整个迭代过程完成.

取粒子的数目为30，最大迭代次数为15，使用PSO算法寻优，当B=16.44 mm，L=3.42 mm，W=0.46 mm，LRmax=0.023时.图3为对支撑介质进行共面补偿并优化后同轴线夹具在0～10 GHz的回波损耗曲线，在4.2 GHz的时候LRmax=-32.7 dB，相比未经以上优化的同轴线夹具有了很大的改善.

图3 优化前后同轴线夹具的回波损耗

2 实测试验

2.1 宽带同轴线夹具的频域性能测试

选用黄铜作为材料，按照上节优化得到的尺寸制作宽带同轴线夹具.使用表1中的矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer，VNA)1与其组成材料屏蔽效能频域测试系统，如图4所示.宽带同轴线夹具1的两端通过转接头与矢量网络分析仪的线缆接头相连.

表1 试验设备

使用VNA1的线性扫频模式测试同轴线夹具1在10 MHz～10 GHz的回波损耗，如图5所示.另外，还使用了表1中的VNA2测量同轴线夹具1的回波损耗，结果表明在300 kHz～10 MHz的回波损耗LR小于-38 dB.综上，该宽带同轴线装置在6.4 GHz以下的LR小于-20 dB(驻波比小于1.2).

图4 宽带屏蔽效能频域测试系统

图5 宽带同轴线夹具的回波损耗

对比图3和图5可发现仿真与实测试验结果有很大的不同.这是由于仿真设计中假设同轴两端为理想状态、阻抗均为50 Ω的源和负载，而实际测试系统中，还需要使用N型同轴连接头、线缆及其转接头等与VNA相连.还有一个重要原因是仿真中假设支撑介质为理想介电常数为2.1的PTFE，而实际使用中的PTFE的电磁参数则并不能很好地控制.此外，零件机械加工的公差以及内外导体制造和装配产生的不同轴等因素.这些都会影响同轴线夹具的性能，最终导致仿真和实测性能的出入.

2.2 金属织物的屏蔽效能测试

宽带同轴线夹具的夹持材料部分设计如图6所示，内导体一端留有长5 mm、直径3 mm的栓舌，另一端留有与之配合的孔洞，这样可以很好的保持内导体的连续性和径向的定位，外导体则由大螺母连接.试验时仅需准备内径3 mm、外径41 mm的圆环状试样即可，材料厚度不得超过5 mm.

图6 同轴线夹具的夹持材料部分

下面选用两种不同的金属织物屏蔽材料AM-01和AM-03材料进行测试，使用图4所示的材料屏蔽效能测试系统测得两种材料的插入损耗，结果如图7所示.两种材料的LI值在0～6 GHz相差大约5 dB，在整个频段上的趋势基本一致.

图7 两种材料的插入损耗曲线

文献[8]已经指出，材料的厚度、介电常数均会影响到插入损耗曲线的谐振频点，进而决定同轴线夹具的可用频率范围.由图7同样可看出，在6.4～10 GHz区间，由于谐振的存在，AM-01的插入损耗值甚至会大于AM-03.

为了说明宽带同轴线夹具1相对于同轴线夹具2的改善，使用同轴线夹具2和VNA2组成的材料屏蔽效能测试系统同样对以上两种材料进行了测试，结果如图8所示.可见同轴线夹具1在0～6.4 GHz的范围内测得的材料插入损耗曲线比较平滑，而同轴线夹具2测得的曲线在频段内则有很大的波动.研制的宽带同轴线夹具1在将材料屏蔽效能的测试频段高频最低扩展到6.4 GHz的同时，还保证了低频可达直流(根据信号源而定).6.4～10 GHz的测试数据也可作为参考，能够在一定程度上反映材料在该频段的屏蔽性能.

图8 两种同轴线夹具测得的材料插入损耗曲线

使用同轴线夹具装置测得的是材料的插入损耗，而插入损耗作为对材料屏蔽效能的估计，是否精确的等价于材料的屏蔽效能，主要取决于材料的电厚度和同轴线的电长度[13-14].取宽带同轴线夹具的频率上限为6.4 GHz，则电薄材料(波长的1%)的厚度不应超过0.47 mm，文中的两种材料完全符合要求.笔者仅对金属织物屏蔽材料进行了测试，对于其它一些材料如导电玻璃、导电薄膜等的适用性还需要进一步研究.

文中制作的同轴性能与仿真结果有较大差异，还需要反复改进和试验.如支撑介质可以尝试使用带气孔的支撑介质，以获得更小的介电常数；仿真时将同轴接头底座的引入也考虑到.此外，在满足材料测试动态范围的条件下还可以给同轴线夹具连接上50 Ω的衰减器来更好的匹配整个测试系统.

3 结 论

使用粒子群优化算法结合电磁场数值分析软件对同轴线夹具装置的支撑介质进行了优化设计，使其在宽频带上(0～10 GHz)的回波损耗小于-32.7 dB，得到了宽带同轴线夹具装置的关键尺寸.

实测试验表明该宽带同轴线夹具的回波损耗在6.4 GHz以下小于-20 dB，能够在0～6.4 GHz范围内准确评价材料的屏蔽效能，而且所需的材料试样更小，测试曲线更平滑，测试速度更快.

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