測量表面轉(zhuǎn)移阻抗的三同軸法的綜述

韓沛岑，馬偉澤，陳 曦，劉 妍

（中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司航研所，上海 201324）

測量表面轉(zhuǎn)移阻抗的三同軸法的綜述

韓沛岑，馬偉澤，陳 曦，劉 妍

（中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司航研所，上海 201324）

表面轉(zhuǎn)移阻抗是評(píng)價(jià)屏蔽層屏蔽性能的重要參數(shù)，介紹了三同軸測量表面轉(zhuǎn)移阻抗的基本原理，即將影響屏蔽層性能的電磁場用等效的表面電流和表面電荷代替，使用三同軸裝置構(gòu)建內(nèi)外回路。同時(shí)介紹了三同軸測量裝置的3種具體使用方法，包括截止頻率的計(jì)算。

表面轉(zhuǎn)移阻抗；三同軸；截止頻率

0 引言

表面轉(zhuǎn)移阻抗是評(píng)價(jià)屏蔽層屏蔽性能的重要參數(shù)，三同軸法測量屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗，已廣泛應(yīng)用在航空電纜屏蔽層EMC和線束屏蔽套EMC的測試中[1,2]。目前使用較多也較成熟的標(biāo)準(zhǔn)是IEC62153-4-3（Edition2.0）：2013[3]，同時(shí)，包含諸多技術(shù)細(xì)節(jié)的IEC62153-4-1（Edition2.0）：2010[4]也是協(xié)助理解和應(yīng)用三同軸方法的標(biāo)準(zhǔn)。三同軸法將影響屏蔽層性能的電磁場用等效的表面電流和表面電荷代替，使用三同軸裝置構(gòu)建內(nèi)外回路。由于三同軸方法將復(fù)雜的電磁感應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)，因此測試結(jié)果可重復(fù)性好。

1 三同軸法原理

通常認(rèn)為，當(dāng)屏蔽電纜的直徑遠(yuǎn)小于電纜長度和感應(yīng)電磁場的波長時(shí)，外部場和內(nèi)部場的耦合是微弱的。屏蔽層表面的電磁場由兩部分疊加形成，即外部電磁場和電纜本身產(chǎn)生的電磁場兩個(gè)部分，如圖1所示。屏蔽層表面的電磁場即為電纜的耦合源：電場通過電容耦合滲入屏蔽層孔隙，磁場通過電感耦合滲入屏蔽層孔隙。另外，屏蔽層本身是有電阻的。

通過圖1可以得到：

圖1 屏蔽層表面的電磁場[4]

其中，J為表面感應(yīng)電流密度，單位為（A/m），σ為表面感應(yīng)電荷密度，單位為（C/m2），0ε和rε表示自由空間介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)。因?yàn)槠帘螌颖砻娴碾姶艌龊捅砻骐娏髋c電荷息息相關(guān)，也就是說和（J，σ）是等價(jià)的。因此，耦合到電纜的電磁場可以通過在屏蔽層上注入表面電流和電荷來產(chǎn)生和模擬。因?yàn)殡娎|直徑相對(duì)很小，因此高階模態(tài)可以忽略，并且可以用額外的外同軸導(dǎo)體作為注入裝置，如圖2所示。

圖2 外電路注入電流的三同軸裝置定義[4]

其中，(1)為外電路，由外部同軸管和屏蔽層組成，特征阻抗為Z1，(2)為內(nèi)電路，由屏蔽層和電纜中心導(dǎo)體組成，特征阻抗為Z2。

Z1n和Z1f為電路(1)近端和遠(yuǎn)端的負(fù)載電阻，同理Z2n和Z2f為電路(2)近端和遠(yuǎn)端的負(fù)載電阻。

注：D1＜＜L。

也可以在內(nèi)電路注入電流，如圖3所示。

圖3 外電路注入電流的三同軸裝置定義[3]

圖3與圖2標(biāo)注不同，(1)表示內(nèi)電路，(2)表示外電路。圖2和圖3中轉(zhuǎn)移阻抗均可以定義為：

圖4是IEC62153-4-3:2013中規(guī)定的三同軸裝置。

圖4 三同軸測量裝置[3]

該裝置的等效電路如圖5所示。

圖5 三同軸裝置等效電路

2 三種標(biāo)準(zhǔn)測量方法

2.1 A方法

方法A（如圖6所示）采用圖3的內(nèi)回路電流注入方式，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，轉(zhuǎn)移阻抗可以由網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)轉(zhuǎn)化表示。

圖6 三同軸測試A方法[3]

其中ZG和ZR為信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)的阻抗，通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)作為信號(hào)源和接收機(jī)，因此認(rèn)為ZG=ZR=Z0，Z0通常為50Ω。圖6中Z1=R1，即R1為內(nèi)電路的特征阻抗。式(5)可以簡化為：

通常認(rèn)為S參數(shù)以對(duì)數(shù)的形式給出，同時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在使用前進(jìn)行了校準(zhǔn)。此時(shí)式(6)可以寫成：

其中，ameas=20log10(S21)。

為了得到更寬的截止頻率：

由于轉(zhuǎn)移阻抗屬于低頻參數(shù)，所以A方法的截止頻率[3]為：

從式(8)可以看出，耦合長度越長，截止頻率越低。

2.2 B方法

圖7 三同軸測試B方法[3]

方法B（如圖7所示）采用圖3的內(nèi)回路電流注入方式，根據(jù)式(5)和式(6)得到：

其中，ameas=20log10(S21)。

由于轉(zhuǎn)移阻抗屬于低頻參數(shù)，所以B方法的截止頻率[3]為：

2.3 C方法

圖8 三同軸測試C方法[3]

方法C（如圖8所示）又稱短路法，采用圖2的外回路電流注入方式，根據(jù)式(5)和式(6)得到：

其中，ameas=20log10(S21)。

由于轉(zhuǎn)移阻抗屬于低頻參數(shù)，所以C方法的截止頻率為[3]：

3 結(jié)束語

本文介紹了三同軸測量表面轉(zhuǎn)移阻抗的基本原理，即將影響屏蔽層性能的電磁場用等效的表面電流和表面電荷代替，使用三同軸裝置構(gòu)建內(nèi)外回路。同時(shí)介紹了三同軸測量裝置的3種具體使用方法。三同軸法將樣件置于封閉的殼體內(nèi)，一般的電磁環(huán)境對(duì)結(jié)果影響不明顯。

[1] EN 4674-003:2015[S].erospace series-Electrical cables, installation-Self-wrapping shielding (EMI) protective sleeve.Part 003:Open sleeve-Inside pressurized area-EMI protection 5 kATemperature range- 65°C to 200°C- Product standard.

[2] EN 4674-004:2015[S].Aerospace series — Electrical cables, installation-Self-wrapping shielding (EMI) protective sleeve. Part 004: Open sleeve-Outside pressurized area-EMI protection 10 kATemperature range-65°C to 200°C-Product standard.

[3] IEC 62153-4-3,Edition 2.0 2013-10[S].Metallic communication cable test methods –Part 4-3:Electromagnetic compatibility(EMC)-Surface transfer impedance-Triaxial method.

[4] IEC/TR 62153-4-1,Edition 2.0 2010-05[S].Metallic communication cable test methods-Part 4-1:Electromagnetic compatibility (EMC) -Introduction to electromagnetic(EMC)screening measurements.

A review on triaxial method of measuring surface transfer impedance

HAN Pei-cen, MA Wei-ze, CHEN Xi, LIU Yan

V261

：A

1009-0134(2017)03-0072-03

2016-12-05

韓沛岑（1986 -），女，江蘇徐州人，工學(xué)碩士，主要從事民用飛機(jī)集成測試技術(shù)。