第３２卷第４期 ２０１２年４月 核电子学与探测技术
Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３２ Ｎｏ．４
Ａｐｒ． ２０１２
电缆屏蔽效能评估方法比较研究 张 琦，石立华，张 祥，周璧华 （解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，南京２１０００７）
摘要：针对核电磁脉冲，提出了具有工程实际应用价值的峰值屏蔽效能评估指标和脉冲时域测量 系统；测试了某型镀银编织屏蔽电缆的转移阻抗，利用Ｋｅｌｙ理论模型与频域试验验证了测试数据的有 效性，三者对比分析结论一致，效果良好。 关键词：峰值屏蔽效能；转移阻抗；屏蔽衰减；电磁脉冲 中图分类号：Ｔ ２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１２）０４－０４２１－０８
随着电磁环境日益复杂，屏蔽电缆应用越 来越广泛。电缆按照屏蔽结构可分为编织型屏 蔽电缆、实圆柱导体屏蔽电缆、螺旋缠绕式屏蔽 电缆和金属镀镆屏蔽电缆；按照用途可分为电 力电缆、通信电缆、射频电缆、控制电缆、电气装 备电缆、特种电缆等；按照芯线可分为同轴电 缆、多芯电缆以及对绞电缆等。当前，由于电缆 种类繁多，屏蔽复杂，应用广泛，在评估电缆屏 蔽效能上存在着诸多的方法。ＩＥＣ ６２１５３—４一 ｌ【】 列举了１３类测试方法，这些方法针对不同 的测试对像，用相适应的指标评估电缆屏蔽效 能。但是，对于核电磁脉冲快前沿高电压辐照， 电缆屏蔽会发生磁饱合等非线性效应，电缆屏 蔽效能评估的新方法显得日益迫切而又必要。 本文在比较分析电缆屏蔽效能评估指标体 系和常规测量方法的基础上，提出了峰值屏蔽 效能评估指标和脉冲时域测量系统；测试了某 型镀银编织屏蔽电缆的转移阻抗，利用Ｋｅｌｌｙ 理论模型与频域试验验证了测试数据的有效 收稿日期：２０１Ｉ一１１—１２ 基金项目：国家自然科学基金（５１０７７１３３）和教育部 新世纪优秀人才支持计划。 作者简介：张琦（１９７７一），男，陕西西安人，博士研究 生，从事电缆屏蔽效能的研究与测试工作。 性，三者对比分析结论一致，效果良好。 １评估指标体系 １．１直流阻抗评估屏蔽电缆 对于圆柱导体屏蔽，在低频近似条件下 （Ａ／８＜＜１）： Ｒ。 Ｚｒ （１） 式中，△／８为屏蔽层厚度与集肤深度之比。 对于编织网屏蔽，当编织角度远离４５。时， 可以用直流电阻代替散射阻抗，低频时的散射 阻抗即为转移阻抗 Ｊ。 因此，屏蔽层的直流阻抗近似等于屏蔽电 缆的转移阻抗。可用毫欧表直接测量直流阻抗 来评估屏蔽电缆。一般情况下同轴电缆屏蔽层 的直流阻抗约在几十个ｍｆｔ。考虑到转移阻抗 一般在毫欧量级，所以，必须考虑接触阻抗不确 定性的影响，工程实践中，这一评估指标仅能粗 略了解电缆屏蔽层的情况，而在评估电缆与连 接器接触阻抗时，这种方法简单而实用。 １．２屏蔽衰减评估屏蔽电缆 屏蔽衰减 的定义为： Ｐ． Ａｓ＝１０１ｇ（ Ｌ） （２）
Ｊ ２．ｍｘ
式中，Ａ 为屏蔽效能，单位：ｄＢ；Ｐ 为注入
电缆的功率；Ｐ：． 为电缆耦合的最大功率。 ４２１ 屏蔽衰减曲线评估电缆最为直观，特别是 在高频段可以评估电缆对电磁能量的衰减快 慢。图１为ＳＹＶ一５０—５型同轴电缆的屏蔽衰 减曲线。 －＿ ●● ｈ ’ ： ’ ！＼ ● …… ’ － ・｝ ： ：… ： ・ － ： ＼ ： ’、 ● 一 ． ： 图１ ＳＹＶ一５０—５型Ｉ司轴电缆的屏蔽衰减曲线 １．３峰值屏蔽效能评估屏蔽电缆 对于核电磁脉冲快前沿高电压辐照，电缆 屏蔽会发生磁饱合等非线性效应，此时电缆屏 蔽效能急剧恶化，可用电磁脉冲峰值屏蔽效能 评估电缆，即为最严酷的评估指标。依据屏蔽 衰减的定义，峰值屏蔽效能的定义为注入脉冲 峰值与耦合电压峰值之比，其计算公式为： ｒ， ，．、 Ｄ ＳＥＰ：２０１ｇ ＋１０１ｇ （３） Ｃ．Ｐ＼‘／ ～２ 式中，阳 为峰值屏蔽效能，单位：ｄＢ； ＭＰ－ （ｔ）为注入脉冲峰值；Ｕｃ． （ｔ）为耦合电压 峰值； Ｒ：为测试系统内外电路匹配阻抗。 １．４转移阻抗评估屏蔽电缆 工程上，人们往往不会利用转移阻抗的定 义式去计算，而是采用式（４）测量转移阻抗 ］。 如）＝ （４） 式中， 为有效耦合长度；厶（如）为注入测 试系统初级回路的电流； （如）为测试系统次 级回路耦合的电压。 图２为实测ＳＹｖ一５０—５型同轴电缆的转 移阻抗。由图可见，频率越高，转移阻抗越大， 屏蔽效能越差。 实际上，根据电磁场传输线理论，对于特定 长度的屏蔽电缆，存在着截止频率，高于截止频 率时，即波长小于电缆长度，可以认为该屏蔽电 缆为电气长度长电缆，测得的屏蔽效能为屏蔽 衰减，屏蔽衰减与电缆的长度无关；低于截止频 率时，即波长大于电缆长度，可以认为该电缆为 电气长度短电缆，测得的屏蔽效能为转移阻抗， ４２２ 转移阻抗与电缆的长度有关 。 ……一 — ‘ ”ｌ ＿－ ……一 一ｒ。 …
……。＂０ ＿＿ １ ； … ：。．Ｊ
－＿ ‘ 撕
： １ ０７ １０＇ 优
图２ ＳＹＶ一５０—５型Ｉ司轴电缆转移阻抗 １．５耦合衰减评估屏蔽电缆 耦合衰减 Ｊ，是针对芯线为绞线的通信电 缆提出的屏蔽效能评估指标，其定义式为： Ａｃ＝Ａ【，＋Ａｓ （５） 式中，Ａ。为对称电缆耦合衰减，单位：ｄＢ； Ａ 为电缆不对称衰减，单位：ｄＢ；Ａ 为电缆屏蔽 衰减，单位：ｄＢ。
２屏蔽效能测量的主要方法 以上几种评估方法在评估对象、评估需求 以及工程应用价值上存在较大差异，与其相适 应的测量方法也千差万别。当前，适应于测量 屏蔽衰减的方法有混波室法、功率吸收钳法和 ＧＴＥＭ小室法等；适应于测量转移阻抗的方法 有三同轴法、线注入法和电流探头法等【１］。本 文在三同轴方法的基础上，建立了脉冲时域测 量系统。 ２．１混波室法 混波室 是一个电大的、高导电的、结构 复杂的封闭腔体，通过搅拌器转动提供一个统 计各向同性的、各种极化的、均匀的电磁环境。 由于结构封闭且内部元吸波材料，使得混波室 的品质因数Ｑ值较高，能在工作区域产生高强 度辐射场。如图３所示。 混波室法测试系统是通过比较混波室内的 受试电缆内外的电磁场功率得到屏蔽衰减，具 体方法是在一定输入功率下比较接收天线和受 试电缆的输出值。利用混波室进行电缆屏蔽效 能测试的优点在于无理论上的频率上限，实际 工程中可达到４０ ＧＨｚ，并且由于其高Ｑ值，一 定的输入功率可以产生很高的场强，所以其动 态范围很大，国外有资料表明可测到１５０ ｄＢ。 其缺点在于下限频率较高，约在３００ ＭＨｚ，且系 统复杂，造价昂贵。 曾ｌｋＣ－Ｗ－￣ 翟） ＝三＝ 密 标准天线ｌ 担涟ｉ ｌ 图３混波室法测试系统 ２．２功率吸收钳法 功率吸收钳法【６ 是一种常用的测量电缆 屏蔽衰减的方法，属于一种长线测量的方法。 测试频率由功率吸收钳的工作频率决定，一般 为（３０～ｌＯ０ｏ）ＭＨｚ和（３００—２ ５００）ＭＨｚ两种。 测试系统原理如图４所示。 耦合长度 功率吸收钳 网络 ＿＿Ｉ ３［ 脚 分析仪 ｌ一… ｌ ｕ 板 Ｉ 图４功率吸收钳法测试系统 功率吸收钳法测试时信号从受试电缆注 入，作为初级电路；电缆屏蔽层与周围环境构成 次级电路。由于电缆和周围环境之间的电磁耦 合，屏蔽层泄漏的能量激励了表面波，它沿屏蔽 层向两个相反方向，分别在两个方向上（即近 端和远端）用功率吸收钳进行测量，并取近端 和远端测量所得的最大功率值。铁氧体吸收器 和功率吸收钳中的铁氧体环用来吸收反射的电 缆屏蔽层表面波。所以可以认为功率吸收钳法 是一种匹配状态下的测试方法，受试电缆的有 效长度要满足长线测量要求，一般取６ ｎｌ。由 于功率吸收钳有十几个分贝的插入损耗，因此 功率吸收钳法的测试动态范围受到限制。 ２．３ ＧＴＥＭ小室法 ＧＴＥＭ小室法 是在ＴＥＭ（横电磁波）小 室基础上发展而来的一种新的屏蔽衰减测量方 法，它突破了ＴＥＭ小室在频率和尺寸上的局限 性，更好地模拟了自由空间环境，可用于电缆及 其组件的屏蔽效能测试。ＧＴＥＭ小室又称吉赫 兹（ＧＨｚ）横电磁波室，如图５所示。它的外导 体为一个四棱锥状的屏蔽箱。锥顶处为５０ Ｑ 的Ｎ型同轴连接器，它连接着一个尺寸渐变的 平板状内导体。由于小室平板状内导体与顶板 张角很小，ＧＴＥＭ小室传播的球面波可近似为 平面波，且小室终端连接无感匹配电阻、敷设吸 波材料，从而产生了一个均匀的测试空间，能够 较好地模拟自由空间电磁场环境。测试频率 ３００ ＭＨｚ～１．８ ＧＨｚ。
图５ ＧＴＥＭ小室法测试系统 ２．４三同轴法 三同轴法ｌ３ 是一种经典测量转移阻抗的 方法，测试频段主要在１００ ＭＨｚ以内，它把被 测试线缆置于同轴的无铁磁性的良导体管（比 如黄铜或纯铜）内，构成三同轴（同轴电缆内导 体、同轴电缆外导体和同轴的良导体管）装置。 其装置由互易原理分为两种：一种由同轴电缆 注入信号 】，在同轴套管远端取出耦合信号； 另一种由同轴套管注入信号，在同轴电缆远端 取出耦合信号 ］。如图６所示。三同轴装置测
试同轴电缆是一种封闭式的测试方法，理论和 实践的发展也较为成熟，其精度较高，但试样的 制备复杂。后来发展的“扩展三同轴法”或称 “屏蔽屏蔽衰减法”，频率上限可以测到几个 ＧＨｚ。
图６转移阻抗时域测试系统图 ２．５线注入法 线注入法＿８ 是在三同轴法的基础上发展 起来的，它用一根导线代替三同轴法中的同轴 良导体，该导线称为注入线，如图７所示。信号 经注人线注人，经过屏蔽层返回时通过转移阻 抗和容性耦合阻抗耦合到同轴线内部电路。线 注入法能够测量至Ｇ赫兹的转移阻抗，其测试 装置较简单，但测试不同电缆时特性阻抗调整
４２３