连接器和电缆电磁屏蔽效果的测试方法摘要：在当前电磁频谱日趋密集、电磁功率密度急剧增加、设备大量混合使用的情况下，系统电磁环境日益恶化。连接器和电缆作为系统安装过程中不可缺少的一部分，影响着系统数据传输的速度和信号传送的质量，电磁屏蔽的重要性更为突出。文章主要阐述五种测试电磁屏蔽效果的方法，并分析它们各自的特点。关键词：电磁屏蔽；测试；连接器；电缆1 引 言 连接器和电缆是重要的电子元件，如果电磁屏蔽效果差，就会因为串扰、耦合等原因产生无用信号或者噪声，最终影响系统性能的稳定和寿命等，因此对连接器和电缆屏蔽效果测试方法的研究尤为重要。本文阐述五种电磁屏蔽效果的测试方法：三同轴法、管中管法、吸收钳法、模式搅拌法和GTEM室法，并对它们进行对比。2 电磁屏蔽效果的测试方法21 三同轴法211 活塞可调节的三同轴法 图1为三同轴法的结构，工作原理是测试射频泄漏源四周的泄漏能量。在测试过程中，被测连接器放置在终端接匹配负载的均匀传输线中构成完整的同轴系统，再放置在一个圆筒内，从而形成第二个同轴系统，其一端端接可调的短路活塞，而另一端则接圆锥形的过渡器，过渡器连接到匹配检波器。调节短路活，使检波器示数最大。然后，直接将检波器接至射频电源，测得保持检波器初始电平需要的衰减变化量，最后根据衰减量计算出接有被测件的装置的接人引起的总衰减量。212 活塞不可调节的三同轴法 图2也是一种三同轴法的结构，但是没有可调节的短路活塞。通常外同轴线阻抗总是大于5012。IEC规范中缺省值是15012，内、外系统问信号传输速率相差10 。由于内、外同轴线传输速率不同时会影响测试结果，因此要引入修正因数 被测件特性阻抗(通常为5011)，引入的修正值为10 l0g加(2zsR)，z为外同轴线特性阻抗，R为 n(见公式3) 为了连接到标准接口，图2采用台阶的结构。 无论是台阶还是锥度，由于径向尺寸变小，在频率不断增大时，传输中都会出现高次模，由于高次模的出现会影响电磁屏蔽测试结果，因此推荐测试频率低于外同轴线截止频率。由于外同轴线截止频率低，IEC规范中规定上限频率为3 GHz一4GHz。三同轴系统理论上可以应用至12GHz。当工作频率达到更高频率时，就可能产生高次模。大多数文献资料只提到TE 模，实际上尤其在交叉极化中，还会出现其他形式的高次模。图3为三同轴线(接电缆)的仿真结果。模型的外同轴线内径为23241ram (0915英寸)，阻抗为108Q，在低于75GHz的频率范围内，大多不会出现谐振。在低于18 GHz的频率范围内，出现三个高次模，通常是TE模。增大传输线直径，当阻抗为12711时，出现10个高次模。22 管中管法 管中管法是三同轴法的延伸，用于测试有线电归一化值。,n 视、数据传输网络的连接器件的屏蔽性能。在GHz频段下，当前的屏蔽效果测试方法只能测试出转移阻抗，这是因为在低频工作状态下，没有达到连接器的截止频率，也就不能测试其屏蔽衰减。在用管中管方法测试连接器时，连接器与电缆配接，延长了电长度，从而降低了截止频率(低于100MHz)，实现了在低频段测试屏蔽衰减的目的。但是测得的是整个组件的衰减指标，如果用这种方法测试不接电缆的连接器是不合适的。 如图4所示，被测连接器或者电缆的一端与连接电缆相连，并与密封套管连接在一起。然后插入测试套管中，连接信号发生器，信号就通过电缆传输给被测件。在被测件的另一端，通过匹配转接器连接了与被测器件相匹配的特性阻抗。在测试过程中，从内部系统中的器件耦合到外部系统中的高频信号能量在系统之间双向传输，在近端短路处被反射，这样在远端就可以测到两个电磁波的叠加信号。输人电压与远端测的电压的对数比率为屏蔽衰减指标。23 吸收钳法 用于测量被测设备通过电源线辐射的干扰功率。对于带有电源线的设备，其干扰能力可以用起辐射天线作用的电源线所提供的能量来衡量。该功率近似等于功率吸收钳环绕引线放置时能吸收到的最大功率。除电源线外的其他引线也可能以与电源线同样的方式辐射能量，吸收钳也能对这些引线进行测量。测量频段为30MHz一1GHz。 如图5所示，在测试过程中将被测电缆一端接信号源，另一端接匹配负载，在功率吸收钳的耦合端用频谱分析仪接收，然后将频谱分析仪接被测电缆另一端。记下信号源输出功率 ，记下被测电缆另一端频谱分析仪读数s 功率吸收钳耦合端频谱分析仪读数s24 模式搅拌法 虽然模式搅拌法设备昂贵，信号处理过程复杂，但是由于它可以很方便地测试形状复杂的被测件，又可以应用至很高频率范围(03GHz一40GHz)，因此被广泛采用。 在GJB1 2171991方法3008中规定的模式搅拌法只用于测量在1GHz一10C,Hz频率范围内多接触件连接器的屏蔽效果。它利用一个屏蔽试验箱把试验样品暴露在人射电磁场中，典型的试验箱有两个天线：标准天线和输入天线，标准天线用来测量箱体内信号强度，输入天线用作信号源，提供辐射信号。箱体内有一个搅拌器，它通过一个马达来旋转。对于不连续采样的平均值系统，旋转模式搅拌器应采用有足够转矩的步进电动机；对于连续采样的平均值系统(见图6)，应采用一个可变速的连续旋转的马达。搅拌器连续或者随机的旋转影响箱体边界条件。箱体内各个方向的微波反射，形成各种模式的电磁波。多个模式迭加的结果，使箱体内的电磁能量分布趋于均匀，便于准确地测试。由于箱体的尺寸至少应为最低试验频率在自由空间波长的3倍，另外，试验样品与箱壁之间的最小距离至少为最低试验频率的1个波长，所以在设计时，要尽可能选择大体积的模式搅拌箱25 GTEM室法 GTEM室是一个改进的TEM (横电磁波)室，它模拟自由空间环境，可用于测试零部件和模块的电磁辐射敏感度和干扰性。它采用同轴及非对称矩形传输线设计原理，为避免内部电磁波的反射及产生高阶模和谐振，总体设计为尖劈形。输人端口采用N型同轴接头，而后渐变至非对称矩形传输以减小结构突变引起的电波反射。为使球面波从源输人端到负载不产生时间差和相位差，并具有良好的高低频特性，终端采用电阻式匹配网络与高性能吸波材料组成的复合负载结构。根据一些参考资料可知GTEM室可以在高达18GHz的频率范围内处于良好的工作状态，然而目前在IEC的标准中，其最大测试频率仅为1 000 MHz，用这种测试EMI的方法需要建立数学模型及结合计算机软件进行数据处理。251 GTEM电磁辐射敏感度测试系统 如图7所示，在测试过程中首先将EUT(被测装置)及场探头置于GTEM小室内，确定测试频率及调制方式和调制度。然后调整信号源输出电平，通过场强仪监测GTEM小室的场强达到所需的强度。重复以上步骤，观测确定EUT的电磁辐射敏感度。252 GTEM电磁辐射干扰测试系统 如图8所示，在测试过程中首先将EUT置于GTEM小室内，根据测量标准要求设置扫频范围和检波方法及分辨率带宽，然后记录接收机测出的EUT辐射干扰电平，最后进行计算和数据处理(软件处理)。电磁兼容(EMC)综合设计控制对策|电磁干扰(EMI)对策|电磁兼容控制技术|EMC控制技术众所周知，屏蔽、滤波、合理接地合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的，在工程实践中被广泛采用。但是随着电子系统的集成化、综合化，以上措施的应用往往会与成本、质量、功能要求产生矛盾，必须权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性要求。又如新的导电和屏蔽材料以及工艺方法的出现，使电磁兼容性控制技术又有了新的措施，可见电磁兼容控制技术始终是电磁兼容科学中最活跃的研究课题。电磁干扰的控制策略电磁兼容学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者的目标都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不发生干涉，最大限度地发挥其工作效率。但是早期的抗干扰方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略思想上有着本质的差别。单纯的抗干扰方法在抑制干扰的思想方法上比较简单，或者认识比较肤浅，主要的思路集中在怎样设法抑制干扰的传播上，因此工程技术人员处于极为被动的地位，那里有干扰就在哪里就事论事的给予解决，当然经验丰富的工程师也会采取预防措施，但这仅仅是根据经验局部的应用，解决问题的方法也是单纯的对抗式的措施。电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。人类在征服大自然各种灾难性危害中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略，在控制电磁危害中同样是极其有效的思维方法。首先电磁兼容性控制是一项系统工程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分的予以考虑和实施才可能有效。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。在控制方法，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、答接、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。他们是精明的工程师们经常采用的控制方法。在解决电磁干扰问题的时机上，应该由设备研制后期暴露出不兼容问题而采取挽救修补措施的被动控制方法，转变成在设备设计初始阶段就开展预测分析和设计，预先检验计算，并全面规划实施细则和步骤，做到防患于未然。把电磁兼容性设计和可靠性设计，维护性、维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行，并行开展。电磁兼容控制技术是现代并行工程的组成内容之一。电磁兼容控制策略与控制技术方案可分为如下几类：(1).传输通道抑制： 具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、布线。(2).空间分离： 地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。(3).时间分隔： 时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。(4).频率管理： 频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光电转换。(5).电气隔离： 变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、/变换。电磁屏蔽技术电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一区域感应和辐射传播的方法。屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防治静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。因而为了满足电磁兼容性要求，常常用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能的要求。通风口可使用穿孔金属板，只要孔的直径足够小，就能够达到所要求的屏蔽效能。当对通风量的要求高时，必须使用截止波导通风板（蜂窝板），否则不能兼顾屏蔽和通风量的要求。如果对屏蔽要求不高，并且环境条件较好，可以使用铝箔制成的蜂窝板。这种产品的价格低，但强度差，容易损坏。如果对屏蔽