電纜樣本耦合長度對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的影響

孫蓓云，秦 鋒，聶 鑫

(強脈沖輻射模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024;西北核技術(shù)研究所，西安710024)

轉(zhuǎn)移阻抗是衡量屏蔽電纜屏蔽效能的一個重要特征參量，轉(zhuǎn)移阻抗越小，電纜的屏蔽效能越高。Vance等[1]給出了幾種典型結(jié)構(gòu)屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的理論計算方法，但由于電磁耦合的機理比較復(fù)雜，對于編織屏蔽電纜或具有復(fù)雜屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，轉(zhuǎn)移阻抗通常在實驗室通過測試獲得。轉(zhuǎn)移阻抗的測試方法有多種[2-8]，最常用的是三同軸法。IEC 62153-4-3：2013[9]標(biāo)準(zhǔn)給出了方法A、方法B和方法C共3種基于三同軸法的轉(zhuǎn)移阻抗測試方法。方法C中，可采用金屬管構(gòu)成三同軸結(jié)構(gòu)，也可采用金屬編織套構(gòu)成三同軸結(jié)構(gòu)，本文分別稱為方法C1和方法C2。由于方法C所需的測試設(shè)備較少，電纜樣本的制備比方法A和方法B簡單，且可測試的上限頻率比方法A和方法B低的缺點可通過縮短電纜樣本的耦合長度來彌補，人們更愿意采用方法C來測試屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗，如美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-C-85485[10]中規(guī)定的轉(zhuǎn)移阻抗測試方法就與文獻(xiàn)[9]中的方法C2相同。利用三同軸法測試屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗時，耦合長度不同的電纜樣本在高頻段的測試結(jié)果會有差異。本文從三同軸法的頻率響應(yīng)系數(shù)出發(fā)，通過分析方法C的頻率響應(yīng)和SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗的實測數(shù)據(jù)，給出了不同測試結(jié)構(gòu)和同種測試結(jié)構(gòu)不同耦合長度電纜樣本的頻率響應(yīng)及其對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的影響。

1三同軸法的頻率響應(yīng)系數(shù)

圖1為三同軸法原理圖[11]。被測屏蔽電纜構(gòu)成內(nèi)部傳輸線，電纜屏蔽導(dǎo)體與金屬管或金屬編織套構(gòu)成外部傳輸線，電纜屏蔽導(dǎo)體是內(nèi)部傳輸線的外導(dǎo)體，同時又是外部傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體。匹配電路、終端電阻和阻尼電阻為測試電路的3個負(fù)載電阻。信號源與示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀的位置可互換。

圖1 三同軸法原理圖Fig.1 The diagram of the triaxial method

三同軸法等效電路如圖2所示。其中，內(nèi)部傳輸線的標(biāo)號為1；外部傳輸線的標(biāo)號為2；Z1、εr1、β1分別為內(nèi)部傳輸線的特性阻抗、相對介電常數(shù)和傳播常數(shù)；Z2、εr2、β2分別為外部傳輸線的特性阻抗、相對介電常數(shù)和傳播常數(shù)；L為耦合長度；ZT為轉(zhuǎn)移阻抗；YT為轉(zhuǎn)移導(dǎo)納；R1n為內(nèi)部傳輸線的近端電阻；R1f為內(nèi)部傳輸線的遠(yuǎn)端電阻；R2f為外部傳輸線的遠(yuǎn)端電阻；Ug為信號源電壓；U2f為外部傳輸線遠(yuǎn)端電壓。

圖2 三同軸法的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the triaxial method

如果內(nèi)部與外部傳輸線的材料是非磁性材料，并忽略內(nèi)部與外部傳輸線的損耗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的影響(一般情況下，轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的影響可忽略不計)，外部傳輸線遠(yuǎn)端電壓U2f與信號源電壓Ug之比為[11]

(1)

其中，g為三同軸法的頻率響應(yīng)系數(shù)

{r·[cosx-cos (nx)]-j·n·sin (nx)+j·sinx}

(2)

其中，

[cos (nx)+j·v·sin (nx)]；

其中，λ1和λ2分別為內(nèi)部傳輸線與外部傳輸線中電磁波的波長。

在低頻段，λ?L，g=1；隨著頻率升高，g開始產(chǎn)生振蕩。文獻(xiàn)[11]將三同軸法可測試上限頻率定義為g偏離低頻響應(yīng)3 dB時的頻率。

2IEC 62153-4-3：2013中方法C的頻率響應(yīng)

在IEC 62153-4-3：2013中，方法C的負(fù)載條件如表1所列。一般情況下，信號源、示波器和網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)電阻為50 Ω。

表1 方法C的負(fù)載條件Tab.1 Load conditions of method C

典型射頻電纜的絕緣介質(zhì)為聚乙烯(PE)，相對介電常數(shù)為2.3；護套為聚氯乙烯(PVC)，相對介電常數(shù)為5.0。如采用方法C1測試該類電纜的轉(zhuǎn)移阻抗，內(nèi)部傳輸線相對介電常數(shù)εr1=2.3，外部傳輸線相對介電常數(shù)εr2=1.0；如采用方法C2測試該類電纜的轉(zhuǎn)移阻抗，內(nèi)部傳輸線相對介電常數(shù)εr1=2.3，外部傳輸線相對介電常數(shù)εr2=5.0。方法C1、C2的頻率響應(yīng)分別如圖3和圖4所示。由圖3可見，隨著v值減小，g=-3 dB處的L/λ1增加，表明在耦合長度相同的條件下，減小金屬管的內(nèi)徑，v值減小，可提高方法C1的可測試上限頻率。由圖4可見，隨著v值增加，g=-3 dB處的L/λ1增加，但增加的幅度較小，表明在耦合長度相同的條件下，v值雖有變化，但方法C2的可測試上限頻率卻十分接近。另外，通過比較圖3和圖4可見，在接近可測試上限頻率的高頻段，方法C1的|g|小于1，而方法C2的|g|大于1。

對于其他類型的屏蔽電纜，方法C1和方法C2的頻率響應(yīng)分別與圖3和圖4所示的變化規(guī)律相似。

圖3 方法C1的頻率響應(yīng)Fig.3 Frequency response of method C1

圖4 方法C2的頻率響應(yīng)Fig.4 Frequency response of method C2

3頻率響應(yīng)對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的影響

采用三同軸法測試屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗時，根據(jù)式(1)，轉(zhuǎn)移阻抗的測試結(jié)果為

(3)

即轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果為所用測試方法的頻率響應(yīng)系數(shù)與真實轉(zhuǎn)移阻抗的乘積。由圖3和圖4可見，在低頻段，方法C1和方法C2的|g|=1，|gZT|=|ZT|。在接近可測試上限頻率的高頻段，方法C1的|g|<1，|gZT|<|ZT|；而方法C2的|g|>1，|gZT|>|ZT|。圖5為L=30 cm時，采用方法C1 (w=1,r=0,v=3.0)和方法C2 (w=1,r=0,v=0.23)獲得的SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果。圖5中，虛線為根據(jù)1～10 MHz測試數(shù)據(jù)線性外推的轉(zhuǎn)移阻抗。

圖5 L=30 cm時，采用方法C1和方法C2 測得的SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗Fig.5 The transfer impedances of SYV50-3-4 coaxial cable measured by method C1 and C2 when L is 30 cm, respectively

由圖5可見，在低頻段，2種測試方法的轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果均為0.011 Ω·m-1，與SYV-50-3-4同軸電纜屏蔽導(dǎo)體直流電阻的實測值0.010 8 Ω·m-1十分接近，驗證了測試方法可靠性；在接近可測試上限頻率的高頻段，方法C1的轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果小于外推值，而方法C2的轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果大于外推值，這驗證了測試結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的影響。方法C1中，外傳輸線由內(nèi)徑為40 mm的銅管構(gòu)成。根據(jù)式(2)，當(dāng)L=30 cm時，方法C1的可測試上限頻率約為50 MHz，方法C2的可測試上限頻率約為76 MHz，方法C2要優(yōu)于方法C1。SYV-50-3-4同軸電纜是一種常用的射頻電纜，其特性阻抗為50 Ω，電纜的結(jié)構(gòu)為：內(nèi)導(dǎo)體為銅，直徑為0.91 mm；絕緣體為聚乙烯(PE)，直徑為(2.95±0.15) mm；屏蔽導(dǎo)體為銅絲編織屏蔽；編織角為23 °；編織束為16；編織束的導(dǎo)體數(shù)目為6；編織導(dǎo)體直徑為0.15 mm；護套為聚氯乙烯(PVC)，直徑為(5.0±0.20) mm。

除測試結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果有影響之外，采用同種測試結(jié)構(gòu)，電纜樣本耦合長度的變化也會對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果產(chǎn)生影響。仍以SYV-50-3-4同軸電纜為例，L=100，30，10 cm時，采用方法C2的頻率響應(yīng)，如圖6所示，對應(yīng)的可測試上限頻率分別約為23，76，230 MHz，當(dāng)f=20 MHz時，|g|分別為1.29，1.02，1.00。

圖6 L=100，30，10 cm時， 采用方法C2的頻率響應(yīng)Fig.6 The frequency responses of method C2 when L is 100, 30, 10 cm ,respectively

由圖6可見，縮短電纜樣本的耦合長度，既可提高轉(zhuǎn)移阻抗的可測試上限頻率，又可提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖7為L=100，30，10 cm時，采用方法C2測得的SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗。由圖7可見，在低頻段，3種耦合長度電纜樣本轉(zhuǎn)移阻抗的測試結(jié)果均約為0.011 Ω·m-1；在接近可測試上限頻率的高頻段，耦合長度越長，轉(zhuǎn)移阻抗的測試結(jié)果越大，與理論預(yù)期相符。根據(jù)頻率響應(yīng)分析可知，耦合長度為10 cm時，SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗的測試結(jié)果最為準(zhǔn)確。

圖7 L=100，30，10 cm時，采用方法C2 測得的SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗Fig.7 The transfer impedances of SYV50-3-4 cable measured by method C2 when L is 100, 30, 10 cm, respectively

4結(jié)論

三同軸法是最常用的轉(zhuǎn)移阻抗測試方法。本文給出了三同軸法的頻率響應(yīng)系數(shù)解析公式，基于SYV-50-3-4同軸電纜參數(shù)計算了IEC 62153-4-3：2013標(biāo)準(zhǔn)中方法C1和方法C2的頻率響應(yīng)，并通過SYV-50-3-4同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗的實測數(shù)據(jù)，分析了不同測試結(jié)構(gòu)及同種測試結(jié)構(gòu)不同耦合長度電纜樣本對轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：

1)在相同耦合長度的條件下，方法C2的可測試上限頻率高于方法C1；在接近可測試上限頻率的高頻段，方法C1的轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果小于實際值，而方法C2轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果大于實際值。

2)無論采用何種負(fù)載條件的三同軸法，縮短電纜樣本的耦合長度，在提高轉(zhuǎn)移阻抗可測試上限頻率的同時，還可提高測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

在實際應(yīng)用中，考慮到方法C2所需測試儀器較少，電纜樣本制備較容易，推薦首選方法C2進行屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的測試，且在測量儀器靈敏度允許并保證測試結(jié)果可信的前提下，盡量縮短電纜樣本的耦合長度，提高轉(zhuǎn)移阻抗測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。