基于辐射发射的互连电缆屏蔽效能测试研究

赵炜铭，王添文，彭光宇

(中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089)

随着军用设备电磁兼容性要求越来越严格，武器装备广泛应用屏蔽电缆来控制电缆的辐射发射。互连电缆是武器装备最重要的电磁泄漏途径，电缆屏蔽效能高低将极大影响武器装备电磁兼容性。目前，互连电缆一般通过转移阻抗和屏蔽衰减来表征外界电磁环境对电缆芯线的耦合能力。

转移阻抗的测量有三同轴法和线注入法。其主要思想是构建2个内、外测量回路，通过测量内、外回路的电参数值，计算开路电压与屏蔽层电流比值得到转移阻抗。由于是基于电路的原理，因此其测量频率范围一般只能在几百MHz以内。

屏蔽衰减测量，既有基于内外回路传输线理论，又有基于场的理论，其基本思想是在某一回路注入功率，然后在另一回路测量其经过衰减后接收的功率[1]。通过功率比值来计算屏蔽衰减。主要测量方法有功率吸收钳法、注入钳法和混响室法。

屏蔽电缆测试方法国内主要有GB 9023—1988中的基于三同轴测试方法测量转移阻抗[2]、GB/T 15217—1994中的采用吸收钳法测量屏蔽衰减[3]、GB 17737.1—2000中的线注入法、三同轴法、吸收钳法[4]和GJB 1217—1991中的混响室法[5]等。国外主要有IEC61196[6]、IEC62153[7]、IEC61726[8]和MIL-STD-1344A[9]等标准，涉及的测试方法有三同轴法、注入钳法、吸收钳法、线注入法、管中管法和混响室法。

转移阻抗和屏蔽衰减反映的都是外界环境对电缆的影响，主要是从抗扰度的角度出发表征屏蔽效能，而在实际应用中，屏蔽电缆不仅用于抑制外部电磁环境对电缆的影响，还应用于抑制内部电缆对外的辐射，特别是目前武器装备广泛应用屏蔽电缆来控制辐射发射，因此非常有必要从辐射的角度，从实际工程应用角度研究屏蔽效能的测量。

1 互连电缆屏蔽效能测试方法

1.1 测试原理

互连电缆屏蔽效能可定义为：线缆有无屏蔽层时，在空间某点辐射电磁场强的比值。根据屏蔽效能的定义，可以得到如下论点。

1)为了使线缆辐射的电磁场不受外界电磁场的影响，屏蔽效能测试需要在微波暗室内进行。

2)屏蔽效能是相对于基准的比值，根据定义线缆屏蔽效能的基准应是无屏蔽层的导线。

3)接着测量有屏蔽层的电缆的场强值，2个场强值之比为屏蔽层的屏蔽效能，此时要求无屏蔽层时芯线传输的端口电流与有屏蔽层时芯线传输的端口电流一致，当不一致时应进行修正。

图1所示为屏蔽电缆辐射模型，图2所示为去除屏蔽层后芯线辐射模型。

图1 屏蔽电缆辐射模型

a) 屏蔽电缆无屏蔽层时理想辐射、芯线电流相等

E2=K3I3+K2I2

(1)

(2)

E1=K1I1

(3)

式中，K1为芯线对地回路共模辐射因子；K2为芯线-屏蔽层差模回路辐射因子；K3为屏蔽层对地回路共模辐射因子，是电缆长度、离地高度、频率、电缆直径的函数。

将式3代入式2可得

(4)

根据屏蔽效能定义可得

(5)

用对数表示屏蔽效能为

(6)

当采用相同电流测量时，I1=I2，可得

(7)

而在实际测试过程中，不可能等电流测量，但可以输入端等功率测量，又因为

(8)

(9)

式中，P为输入功率；R1为单线回路输入阻抗；R2为屏蔽电缆输入阻抗。

将式8和式9代入式6，得：

(10)

因此屏蔽效能的测量原理可分为2个功能测量：第一输入阻抗测量和第二辐射场强测量。具体步骤可分为：1)无屏蔽层芯线输入阻抗测量；2)无屏蔽层芯线辐射场强测量；3)屏蔽电缆输入阻抗测量；4)屏蔽电缆辐射场强测量。

1.2 屏蔽效能测量系统构建

根据GJB 151B中RE102(10 kHz～18 GHz 电场辐射发射)[10]，其适用范围为设备和分系统壳体和所有互连电缆的辐射发射，通过引用RE102的测试布置，在消除壳体辐射的前提下，可以得到互连电缆的场强值。

图3所示为检测系统的基本配置，图4所示为建立的电缆屏蔽效能检测系统，有如下组成部分：1)半电波暗室构成测试场地；2)信号源、信号输入同轴电缆、被测互连电缆和接地测试桌构成测试回路形成辐射系统；3)天线、频谱仪和信号输出同轴电缆构成辐射场强接收系统；4)矢量网络分析仪用于输入阻抗测量；5)屏蔽转接箱用于屏蔽同轴电缆与互连电缆的转接并起屏蔽作用，以及将输入端屏蔽层360°连接，屏蔽负载箱用于屏蔽负载，以及将输出端屏蔽层360°接地连接，屏蔽金属管为铜管，用于暗室内信号输入同轴电缆的加强屏蔽，降低同轴电缆的辐射，其一端与屏蔽转接箱的面板焊接，另一端与暗室的转接面板焊接。

图3 检测系统

图4 建立的电缆屏蔽效能检测系统

2 电缆测试屏蔽效能测试及数据分析

2.1 电缆屏蔽效能测试

图5所示为瑞侃防波套，直径为6.0 mm，股数为24，根数为9，线径为0.13 mm。从图5可以看出，在10 kHz～1 MHz时，屏蔽效能随着频率的增大而增大，刚开始屏蔽效能低的原因是由于低频屏蔽层内表面的回流电流较小，部分回流电流是通过地回路回流，因此低频屏蔽效能较差，随着频率升高时，由于对地阻抗逐渐增大，此时大部分电流从屏蔽层内表面流过，地回路电流较小，对地形成的共模辐射变小，因此屏蔽效能变大；大于1 MHz时，随着频率升高，由于屏蔽编织层转移阻抗随频率逐渐增大的原因，在屏蔽层外表面产生较大的纵向电压，使得屏蔽层外表面电流变大，产生较大的共模辐射，导致屏蔽效能变差。

图5 瑞侃φ6.0屏蔽效能

图6所示为瑞侃防波套直径为10.0与单层导电布的屏蔽效能，瑞侃10.0其股数为36，根数为12，线径为0.13 mm，从图6可以看出，10 kHz～100 MHz防波套性能好，而从100 MHz以上，导电布屏蔽效能好。低频导电布屏蔽效能差的原因是导电布直流电阻较差，导电布高频屏蔽效能好的原因是屏蔽布的缝隙孔洞极小，防波套的孔洞缝隙较大。

图6 瑞侃φ10.0与单层导电布屏蔽效能比较

图7所示为铝箔与导电布测试性能比较，从图7中可以看出，双层导电布在整个频段都比单层导电布屏蔽效果好，另外铝箔在整个频段比单层导电布好，但在100 MHz以上双层导电布的屏蔽效能比铝箔的好，其原因在于双层导电布厚度与铝箔相比较厚。

图7 铝箔与导电布测试性能比较

图8所示为铝箔、双层导电布、铜管屏蔽效能比较，从图8可以看出，整个频段都是铜管屏蔽效能较好，铜管屏蔽效果好的原因是直流电阻较小以及无缝隙，另外，铜管的壁厚较厚，壁厚为1 mm。

图8 铝箔、双层导电布、铜管屏蔽效能比较

图9所示为同轴电缆屏蔽效能比较，RG142为双层编织屏蔽，JC200为一层编织一层铝箔，SYV50-3为国产单层编织，RG58为进口单层编织。从图9中可以看出，RG142的屏蔽效能整个频段都较好，JC200在3 MHz以下时，屏蔽效能与RG58和SYV50-3一致，而在3 MHz以上时，屏蔽效能较好。而RG58和SYV50-3基本一致。

图9 同轴电缆屏蔽效能比较

图10所示为HTPQ 16*24防波套屏蔽效能，电缆参数为48×11×0.12，电缆直径为16 mm，其屏蔽效能变化趋势是先升高后震荡降低。

图10 HTPQ 16*24防波套屏蔽效能

图11所示为HTPQ 24*30防波套屏蔽效能，电缆参数为48×11×0.15，电缆直径为20 mm，其屏蔽效能变化趋势与图10变化趋势一致，先升高后震荡降低。

图11 HTPQ 24*30防波套屏蔽效能

图12所示为HTPQ 16*24单层屏蔽、HTPQ 24*30单层屏蔽以及两者的双层屏蔽，从图12可以看出，从200 kHz开始，双层屏蔽的高频屏蔽效果明显好于单层屏蔽，其原因是双层屏蔽构成2次屏蔽，另外所形成的缝隙较小。

图12 3种防波套屏蔽效能比较

2.2 测试数据比较

图13所示为混响室测量屏蔽衰减，摘自文献[11]，文献中没有给出具体的电缆型号，但指出是单层屏蔽编织电缆，测试的频率段为200 MHz～2 GHz，平均值约为45 dB，变化的趋势为震荡下降。

图13 混响室测量屏蔽衰减

图14所示为混响室测量屏蔽衰减，测量屏蔽范围为200 MHz～20 GHz，在200～1 000 MHz平均屏蔽衰减为45 dB，变化的趋势为逐渐震荡下降。

图14 混响室测量RG58屏蔽衰减

图15所示为本文方法测量RG58屏蔽效能，平均值约为45 dB，变化的趋势为逐渐抖动下降。

图15 本文方法测量RG58屏蔽效能

图16所示为文献中测试样品RG316以及编织铝箔复合电缆，图17所示为混响室测量RG316以及编织铝箔复合电缆屏蔽衰减，其中RG316为单层编织同轴电缆，White电缆为一层铝箔屏蔽一层编织复合同轴电缆。从图17可以看出，200 MHz～1 GHz White电缆随频率震荡上升，从70上升到94左右然后下降到86。

图16 文献中测试样品RG316以及编织铝箔复合电缆

图17 混响室测量RG316以及编织铝箔复合电缆屏蔽衰减

图18所示为本文方法测量JC200编织铝箔复合电缆屏蔽效能，JC200为一层编织一层铝箔复合屏蔽同轴电缆，200 MHz～1 GHz随频率上升，抖动上升，从78上升到96左右然后下降到86。

图18 本文方法测量JC200编织铝箔复合电缆屏蔽效能

图19所示为文献[12]中混响室测量RG142的屏蔽衰减，RG142为双层编织屏蔽，包含混响室法和线注入法，混响室测量频率为500 MHz～40 GHz，其中500 MHz～1 GHz为震荡上升然后下降，从82上升到92然后下降到84。

图19 混响室测量RG142双层编织同轴电缆屏蔽衰减

图20所示为本文方法测量RG142屏蔽效能，500 MHz～1 GHz随频率抖动上升，从86上升到98左右然后下降到86。

图20 本文方法测量RG142屏蔽效能

图21所示为文献[12]提供的电缆屏蔽效能测试数据，RG142双层屏蔽为75 dB，RG303单层屏蔽为50 dB，RG405铜管为110 dB，而本文方法测量铜管的屏蔽效能如图8所示，50 MHz～1 GHz屏蔽效能约为115 dB。

图21 文献提供的屏蔽电缆测试数据

3 结语

本文区别于传统的抗扰度角度，从控制互连电缆辐射发射出发，分析屏蔽效能的测量原理，建立屏蔽效能的测试方法和检测系统，对各类型屏蔽电缆进行屏蔽效能测试，其测试结果与其他屏蔽效能数据相比，测试数据相当，变化趋势近似，该方法可以指导互连电缆屏蔽效能的测试。