“管中管”三同轴测试技术及小物理尺寸器件的电磁性能测试

尹　莹

（上海电缆研究所，上海200093）

“管中管”三同轴测试技术及小物理尺寸器件的电磁性能测试

尹莹

（上海电缆研究所，上海200093）

传统的三同轴测试技术在测试物理尺寸较小的器件时存在局限性，在基于传统三同轴测试技术的理论基础上，介绍了一种新的测试技术——“管中管”方法的技术原理，并着重叙述了其在电缆组件、连接器等物理尺寸较小的器件的电磁性能测试中的应用。

三同轴方法；电磁兼容；管中管方法；转移阻抗；屏蔽衰减；连接器；电缆组件

0　引　言

在测试屏蔽电缆和组件的电磁性能时，通常根据试样的应用条件，选择不同的参数来表征其电磁性能。对于长电长度（试样电长度远大于测试信号波长）的试样，可以选择屏蔽衰减参数评估该类电缆的电磁性能；对于短电长度（试样电长度远小于测试信号波长）的试样，可以选择转移阻抗参数评估该类电缆的电磁性能；在试样的应用频率覆盖低频和高频的时候，可同时选择转移阻抗参数和屏蔽衰减参数；耦合衰减参数仅适用于屏蔽的对称通信电缆。

常用的电缆屏蔽性能的测试方法有三同轴法、吸收钳法、线注入法、混响室法等。由于三同轴测试技术可以同时覆盖转移阻抗、屏蔽衰减、耦合衰减参数的测试要求，同时对测试环境的要求低，无须建立专用的电磁屏蔽室，且具有测试速度快、系统动态范围高、造价低等优点，因此三同轴技术在屏蔽电缆的电磁性能测试中得到了广泛的使用。

但是，在测试物理尺寸较小的试样（如RF连接器、接插件、电缆组件等）的屏蔽性能时，传统的三同轴测试方法存在一定的局限性。

1　理论知识

1.1耦合长度

当试样的有效长度满足式（1）时，认为耦合长度是短电长度：

当试样的有效长度满足式（2）时，认为耦合长度是长电长度

式中：l为有效耦合长度（m）；λ0为自由空间的波长（m）；f为频率（Hz）；εr1、εr2分别为内系统和外系统的相对介电常数；c0为自由空间的光速（m/s）。

1.2（表面）转移阻抗

转移阻抗定义为当试样的耦合长度l远小于信号波长λ时，单位长度上外系统的感应电压与内系统注入的信号电流的比值（mΩ/m）。外系统是指试样的屏蔽层与测试管的内径形成的系统，内系统是指试样的内导体与试样的屏蔽层形成的系统。

式中：ZT为转移阻抗（mΩ/m）；U2为外系统电压（V；）I1为内系统的电流（A）；l为试样的耦合长度（m）。

1.3屏蔽衰减

注入功率P1与周期性最大辐射功率Pr，max的对数比值，定义为屏蔽衰减，其公式为：

式中：as为屏蔽衰减（dB）；P1为注入功率（W）；Pr，max为周期性辐射功率的最大值（W）。

2　传统三同轴测试技术原理及局限性

图1是传统三同轴技术测试屏蔽电缆的电磁性能的测试装置示意图。图2是三同轴测试装置的等效电路图。三同轴测试装置的测试管通常是由具有良好导电性能的非磁性的金属管（例如黄铜、紫铜或铝）构成，被测屏蔽电缆放置于测试管的中心，被测电缆的内导体、屏蔽层以及测试管的内径三轴合一，因此该方法称为三同轴方法。其中，被测电缆的内导体与屏蔽层形成内系统；被测电缆的屏蔽层与测试管形成外系统；屏蔽层既是内系统的外导体，又是外系统的内导体。外系统的阻抗Z2与测试管内径以及被测电缆的屏蔽层外径相关。在测试中，由信号源向内系统（被测电缆）注入信号，并在外系统中通过接收机接收信号。内系统通常是处于匹配状态（在测试转移阻抗时，内系统的远端也可以处于短路状态），而外系统在近端（信号源一侧）处于电气短路状态。

在频率较低时，信号的波长远大于试样的耦合长度（l≪λ），信号在被测件的传播可以忽略。由于外系统近端处于短路状态，电容耦合导纳可以被忽略，此时有

图1　三同轴测试系统装置示意图

图2　三同轴测试系统的等效电路图

随着频率的提高，当耦合长度和波长可以相比拟时，波的传输不再被忽略，此时转移阻抗ZT将随频率的增加而增加：

同样，由电容耦合引起的容性耦合阻抗ZF不再被忽略：

此时，在内系统注入的信号耦合到外系统后，耦合信号的一部分将向外系统的近端传输，另一部分将向外系统的远端传输。由于外系统在近端处于短路状态，因此信号在短路点将发生全反射，反射信号将向外系统的远端传输。因此，连接在外系统远端的接收机接收的是两个信号的矢量叠加和。输入信号U1和输出信号U2有下列关系：

图3　函数的频率响应曲线

图4、图5分别是耦合长度为1 m和2 m的同轴电缆样品实测图。

图4　耦合长度1 m时的测试曲线

图5　耦合长度2 m时的测试曲线

因此，三同轴技术测试屏蔽衰减的最低可测试频率与耦合长度相关，当低于这个频率时，无法得到正确的结果。我们将这个最低可测试的频率称之为下截止频率fcut_l：

表1为不同的耦合长度与下截止频率的关系。在此假设内系统的等效介电常数εr1＝2.3（实心PE）及εr1＝1.6（发泡PE），外系统εr2＝1.0。

表1　耦合长度与下截止频率关系

在进行屏蔽衰减测试时，我们往往选择试样长度1～3 m或更长，可以获得被测试样较低频率的屏蔽性能数据。

但是在实际应用中，连接器、组件或短段电缆试样的物理尺寸较小，如一般连接器的物理尺寸在0.05～0.1 m之间，而多数组件的物理长度也小于0.5 m，此时的下截止频率可能高达数GHz。因此，想利用三同轴技术测试这些物理尺寸小的试样，必须解决下截止频率偏高的问题。图6为部分常见的组件和连接器。

图6　部分常见的组件、连接器实物图

3　“管中管”三同轴测试技术的原理

根据三同轴测试技术的原理和频率响应特性，想降低下截止频率fcut_l，其中一个简便的方法是增加耦合长度。增加试样的耦合长度使其截止频率降低，同时额外增加的耦合长度部分不会产生新的电磁信号泄露，保证测试系统所接收的泄露信号仅来源于被测件，这就是“管中管”三同轴技术的原理。

图7为“管中管”三同轴测试装置的示意图。和传统的三同轴技术不同，“管中管”技术用一根具有一定壁厚的铜管延长被测件的电长度（铜管称为延长管）。从图7中可以看出，待测件被延长，耦合长度包括试样本身的长度和在测试管中的延长管的长度。管中管测试系统在近端是短路状态，在远端，待测件靠近信号接收器的一侧连接一个等于其特性阻抗的标准负载。负载及其与被测件的连接部分应具有良好的屏蔽，防止信号外泄。信号发生器通过测试引线向内系统注入信号，从内系统耦合到外系统的高频信号在内外系统之间进行正向和反向传输，在近端短路处信号被反射，这样在远端就可以测得两个不同方向的电磁波的叠加。输入信号电压与远端测得的反射信号的电压的对数比就是屏蔽衰减。

图7　“管中管”三同轴测试装置示意图

为了降低系统的失配影响，测试管与延长管形成的阻抗应与信号源、接收机的阻抗一致。由于延长管的管径具有足够的厚度，可以认为其屏蔽性能远远高于被测件，所以接收机接收的泄露信号均来源于被测件。

可以看出，“管中管”三同轴测试技术通过延长短电长度器件的电长度，使系统的下截止频率fcut_l向更低的频率扩展，从而实现较低频率下电磁性能的测试。

4　“管中管”三同轴测试技术实际应用

在实际应用中，我们先确定延长管的长度，以满足被测件的测试频段的要求；然后根据被测件的类型，选择相应的连接或安装方式，以满足测试连接的要求。图8为常见组件和器件的安装方法，图9为三同轴管中管测试装置的实物图。

图8　管中管方法的短试样连接示意图

图9　三同轴管中管测试装置图

测试实例1：一根长度为50 mm的SMA（J）-SMA（J）的电缆组件，其连接的电缆为PE绝缘同轴电缆。通过计算，得到其下截止频率在5.8 GHz左右。为了得到较低的下截止频率，我们采用三个分别为0.5 m、1 m、2 m的耦合长度，进行测试。图10、图11、图12为测试结果。

从图中可以清楚地看出，随着耦合长度的增加，测试曲线的截止频率明显向低频段延伸。

图10　耦合长度0.5 m时的测试曲线

图11　耦合长度1 m时的测试曲线

图12　耦合长度2 m时的测试曲线

值得注意的是，当被测件是接插件时，测试值反映的是被测件、与被测件相连的电缆、连接被测件的适配器（若有的话）的综合屏蔽性能。

5　结　论

“管中管”三同轴测试技术，通过延长管和物理尺寸较小的试件相连接，增加系统的耦合长度，从而降低测试系统的下截止频率，解决传统三同轴测试技术在小物理尺寸器件测试中存在的局限性。该技术可用于RF连接器、组件等电磁性能的测试。同时，该技术和传统三同轴技术一样，具有非常高的动态范围。以半刚电缆组件实测上海电缆研究所研制的管中管测试设备，其动态范围可以达到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

科技部科技支撑计划（2012BAB19B02）

尹莹（1973-），女，高级工程师.

作者地址：上海市军工路1000号[200093].