SE同軸測試裝置中階梯電容的研究與優(yōu)化

陳超嬋,趙吉祥,桑 昱,陸福敏

(1.中國計量學院信息工程學院,浙江 杭州 310018；2.上海計量測試技術研究院,上海 201203)

電磁輻射對人體健康方面的危害包括熱效應、非熱效應和累積效應[1].人們生活在一個充斥著電磁輻射的空間里,隨時受到電磁輻射的干擾與影響.因此,如何防止電磁輻射對人及其它生物體的危害成為一個熱門話題.今天,各種防電磁輻射屏蔽材料應運而生,但市場上生產的防電磁輻射屏蔽材料良莠不齊；而且通過其他參數(shù)特性判定屏蔽材料屏蔽電磁波的能力又比較復雜,因為平面電磁波通過屏蔽材料時被反射、吸收、多重反射[2],如圖1.

圖1 平面電磁波在屏蔽材料中的傳播原理Figure 1 Shielding mechanism of single layer material in coaxial tester

根據(jù)電磁場輻射區(qū)域劃分,屏蔽效能的測試方法主要分為遠場法、近場法和屏蔽室法.其中遠場法中ASTM D4935[3]法蘭同軸傳輸線法最成熟,如圖2.但基于ASTM D4935的法蘭同軸傳輸線法測量SE的頻帶窄(頻率上限僅為1.5 GHz),不能準確測量在高頻段范圍的SE,無法滿足現(xiàn)代設備高頻段檢測的需求.

圖2 ASTM D4935的法蘭同軸傳測試裝置Figure 2 ASTM D4935 flanged coaxial tester

本文對此作了改進,將SE同軸測試裝置的頻率上限提高到3GHz.在設計過程中,需要考慮由截面不連續(xù)以及放置支撐介質的同軸線內、外導體槽所產生的階梯電容對阻抗匹配的影響.通過對測試夾具中的錐形連接器,以及內、外導體槽深比與支撐介質模型進行優(yōu)化設計,可使階梯電容達到最小.最后,該模型的回波損耗小于-34 dB,滿足了測試要求.

1 模型設計及優(yōu)化

如圖2,電磁屏蔽材料SE同軸測試夾具由左右對稱均為50 Ω的同軸線組成,中間放置待測屏蔽材料,通過法蘭和尼龍螺釘將兩部分裝置通連在一起.裝置末端為2個N型同軸接口,其中一個連接信號源,另一個連接信號接收機.

1.1 同軸測試夾具尺寸的確定

由于在同軸測試裝置中模擬遠場測試,要求同軸線中只傳輸平面波(TEM波).當測試頻率超過同軸裝置的頻率上限時,會產生高次模.在這些高次模中,截止頻率最低的是H11波.為確保同軸線中主模T EM波的單模傳輸,測試頻率應該低于第一高次模TE11波的截止頻率.因此同軸夾具尺寸需滿足下面2個條件[4]:

1)同軸測試夾具的特性阻抗Z0(50 Ω)保持不變,即r1,r2比值不變；

2)在設備的最大操作頻率 fmax范圍內,只傳播TEM主模.即fmax需小于第一高次模TE11波的截止頻率fc:

整理式(1)(2),可得r1,r2尺寸:

式中:Z0—無耗同軸傳輸線的本征阻抗；c0—光速；fc—TE11模的截止頻率；η0—空氣中的波阻抗；r1—內導體半徑；r2—外導體內部半徑.

實際運用中,為有效抑制高次模,常引用一保險系數(shù),取 fmax=,因此 H11的截止頻率 fc=3.3 GHz.整理得到SE同軸線的尺寸:

r1=8.77 mm

r2=20.18 mm

根據(jù)ASTM D4935的模型仿真,在頻率范圍30 MHz至1.5GHz之間,回波損耗(RL)＜-30dB,如圖3,視為在同軸測試裝置中無損傳輸.但頻率上限為3 GHz的模型按圖2標準設計,損耗十分嚴重,如圖5(b).產生損耗的主要原因是截面不連續(xù)以及支撐介質的插入產生的階梯電容對反射的影響.如何使階梯電容達到最小,是本文的主要目的.

圖3 ASTM D4935同軸測試裝置的回波損耗Figure 3 Return loss of ASTM coaxial tester

1.2 錐形連接器的優(yōu)化設計

在同軸測試裝置中,設計的尺寸滿足均勻50 Ω的特性,裝置末端為N型同軸接口,外導體內徑a2=3.5 mm,內導體半徑a1=1.52 mm,這就導致兩部分同軸線的尺寸不一致,直接將兩段連接在一起,產生截面突變,如圖4.這種突變產生的階梯電容,極大地引起TEM 波的反射[5],從而影響整個測試裝置的時域阻抗,需要對該突變部分進行適當?shù)男拚?

圖4 導體界面突變及其等效階梯電容Figure 4 Discontinuity in conductor section and its equivalentstep capacitance

通過采用一定長度的過渡段,將兩段截面不同的同軸線采用漸變方式連接能大大減小損耗.常用的過渡方式分為階梯式和漸變式,其功能都是減小反射,使阻抗達到匹配.直角階梯過渡不適用于外導體內徑與內導體直徑比值大的情況；漸變式有指數(shù)型、錐形等,但指數(shù)型曲線在加工上會產生一定的難度.為便于加工,采用錐形過渡方式.

錐形過渡段斜率太大或太小對阻抗匹配均有一定影響,我們通過參掃優(yōu)化得到內導體錐形斜率13°.若內外導體錐形位置相同,得到的回波損耗在高頻范圍不是很理想,通過對錐形過渡段內導體進行微小移位產生小電感對階梯電容進行補償,如圖5(a),采用軟件不斷優(yōu)化設計得到當內導體與外導體內部對應位置錯開1.00 mm距離時,得到的回波損耗(RL)＜-32 dB,如圖5(b).

圖5 錐形連接器位移補償前后比較Figure 5 Comparison of two different tapering connectors

1.3 支撐介質的設計與補償

同軸線經(jīng)過位置優(yōu)化后,為支撐和固定同軸測試裝置,需使用支撐介質.常用的支撐介質材料有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等,筆者采用聚苯乙烯(εr=2.5),因其具有足夠的硬度支撐較大尺寸的同軸線.

為了保證加入支撐介質段后測試裝置在所需的頻帶范圍內反射很小,沿同軸傳輸方向的要有一致的時域阻抗.在放入支撐介質的位置,支撐介質的半徑滿足:

由式(5)知,安裝50 Ω的聚苯乙烯介質支撐處的外導體內直徑與內導體直徑比值為3.75(大于2.3).因此需要將外導體內徑與內導體設計成槽狀,以保證每個截面的特性阻抗匹配,由它們的比值可得到不同的外導體內徑槽深度與內導體槽深度組合.當內導體槽深為零時,外導體槽為h0(圖6a)時,為使導體槽引起的不連續(xù)電容最小,通過不斷優(yōu)化仿真,得到當外導體槽深h約為h0的25%時(圖6b),將引起最小的回波損耗,如圖8.通過計算得到:

經(jīng)過同軸線槽深比值的選取,使得剩余反射大大減小.在支撐介質端面不連續(xù)所引起的電容,通過在斷面挖去一定厚度的介質形成補償電感,如圖7(a).

環(huán)凹槽深度挖去量多少,在工程中很難計算,需要根據(jù)設計師的經(jīng)驗才能判斷,但是通過仿真優(yōu)化,可以較快找到最佳位置,(圖7b),獲得最小回波損耗(RL)＜-34 dB,如圖8.

2 屏蔽材料SE測試

得到最佳測試裝置尺寸后,選擇表面電阻為5 Ω的單層鍍膜屏蔽材料對圖9的裝置模型進行驗證.如圖10,未經(jīng)過優(yōu)化的模型所測得屏蔽材料的屏蔽效能SE波動非常大,而經(jīng)過補償之后的模型測得 SE曲線較為平坦,符合 ASTM D4935中的對于表面電阻為5 Ω的屏蔽材料SE需滿足-32±3 dB的規(guī)定.此外,SE與單層涂層屏蔽材料表面電阻RA之間有一個簡化公式[6]:

代入數(shù)值,可得到SE=-31.8 dB,這也驗證了該設計符合理論要求.

圖10 屏蔽材料屏蔽效能值Figure 10 Shielding effectiveness of shielding material

3 結 語

同軸測試裝置中,截面突變處傳輸信號的反射非常大,雖然在實際運用中無法完全消除反射,使得時域阻抗達到完全精確匹配；但是,通過錐形過渡段位置、以及加入支撐介質后導體槽深與介質凹環(huán)深度的優(yōu)化選擇,確實能補償階梯電容,從而使反射達到最小.最后,用表面電阻為5 Ω的屏蔽材料對該裝置進行驗證,結果滿足要求.

[1] 程明軍,吳雄英,張 寧,等.抗電磁輻射織物屏蔽效能的測試方法[J].印染,2003,29(9):31-35.

[2] SCHULZ R B,PLAN TZ V C,BRUSH D R,et al.Shielding theory and practice[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1988,30(3):187-201.

[3] ASTM Standard Designation D 4935-99.Standard test method for measuring the electromagnetic shielding effectiveness of planar materials[S].America:American Society for Testing and Materials,1999.

[4] POZAR D M.微波工程[M].3版.張肇儀,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006:78-109.

[5] SOM LO P I.The computation of coaxial line step capacitances[J].IEEE T ransactions on Microwave T heory and Techniques,1967,15(1):48-53.

[6] VASQUEZ H,ESPINOZA L.Simple device for electromagnetic interference shielding effectiveness measurement[J].EMC IEEE EMC Society Newsletter,2009(220):62-68.