/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

電磁屏蔽材料作為功能性新材料，在高端裝備產(chǎn)品、新興產(chǎn)業(yè)裝備、關(guān)鍵基礎(chǔ)產(chǎn)品中都有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26667-2011《電磁屏蔽材料術(shù)語(yǔ)》[1]把電磁屏蔽薄膜確定為十二大類(lèi)電磁屏蔽材料中的一大類(lèi)。電磁屏蔽薄膜通過(guò)在基底表面利用電離鍍、化學(xué)鍍、真空沉積等方法制備導(dǎo)電涂層以達(dá)到電磁屏蔽效果[2-5]。

屏蔽效能 (Shielding Effectiveness, SE)是表征電磁屏蔽材料屏蔽電磁波能力的重要參數(shù)。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種法蘭同軸測(cè)試裝置[6-10]，均采用同軸傳輸線(xiàn)理論[11]。當(dāng)前檢測(cè)機(jī)構(gòu)大多采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4935-2010或GB/T 30142-2013開(kāi)展屏蔽效能測(cè)試。法蘭同軸法具有測(cè)試速度快、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽薄膜的屏蔽效能測(cè)試。但由于標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4935-2010規(guī)定的測(cè)試頻率范圍為30 MHz～1.5gHz、GB/T 30142-2013 規(guī)定的測(cè)試頻率范圍為 30 MHz～3gHz，測(cè)量頻率范圍窄 ,無(wú)法完全滿(mǎn)足當(dāng)前電子設(shè)備電磁兼容對(duì)更寬頻率范圍的測(cè)試需求。如何提高法蘭同軸法測(cè)試裝置的測(cè)量范圍，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[12-17]。

根據(jù)同軸傳輸線(xiàn)理論，截止頻率對(duì)法蘭同軸法測(cè)試裝置具有“雙重”影響。一方面，截止頻率越高，越適用于當(dāng)前電磁兼容測(cè)量需求；另一方面，截止頻率越高，對(duì)被測(cè)材料厚度的要求越“薄”，將影響部分較厚材料的屏蔽效能測(cè)試。與其他電磁屏蔽材料相比，電磁屏蔽薄膜在厚度方面具有較大優(yōu)勢(shì)，適合采用更寬頻段的法蘭同軸法測(cè)試裝置開(kāi)展測(cè)試。

本文提出了一套頻率范圍 30 MHz～8gHz的法蘭同軸測(cè)量裝置，通過(guò)3D仿真軟件創(chuàng)新性采用電容補(bǔ)償和電感補(bǔ)償技術(shù)對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并加工，滿(mǎn)足電磁屏蔽薄膜在更寬頻段的屏蔽效能測(cè)試。

1 理論及設(shè)計(jì)

1.1 屏蔽效能測(cè)量原理

根據(jù)GB/T 26667-2011對(duì)屏蔽效能的定義：

在同一激勵(lì)下的某點(diǎn)上，有屏蔽材料與無(wú)屏蔽材料時(shí)所測(cè)量到的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度或功率之比。

式中：SE—— 屏蔽效能（dB）；

H1—— 無(wú)屏蔽材料時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

H2—— 有屏蔽材料時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

E1—— 無(wú)屏蔽材料時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度；

E2—— 有屏蔽材料時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度；

P1—— 無(wú)屏蔽材料時(shí)的功率；

P2—— 有屏蔽材料時(shí)的功率

法蘭同軸法測(cè)試裝置技術(shù)基于同軸傳輸線(xiàn)傳輸主模TEM波的原理，電磁波在低于第一高次模截止頻率的同軸傳輸線(xiàn)中只傳輸TEM波[18]。因此，采用該測(cè)試裝置能模擬遠(yuǎn)場(chǎng)平面波的屏蔽效能測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 30 MHz～8gHz 法蘭同軸法測(cè)試系統(tǒng)

1.2 法蘭同軸法測(cè)試裝置的尺寸

法蘭同軸法測(cè)試裝置包括同軸測(cè)試夾具、射頻同軸接頭、過(guò)渡連接器、支撐介質(zhì)等部件（如圖2所示）。其中同軸測(cè)試夾具由左右對(duì)稱(chēng)的兩部分組成，兩法蘭中間放置屏蔽材料。

圖2 30 MHz～8gHz 法蘭同軸法測(cè)試裝置

本裝置的頻率上限為8gHz，因此，需要確定同軸測(cè)試夾具內(nèi)導(dǎo)體半徑r1、外導(dǎo)體內(nèi)徑r2的尺寸。其中r1、r2的尺寸需滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件[16-17]：

1）同軸測(cè)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(shè)備的最大操作頻率fmax范圍內(nèi)，只能傳播TEM主模。即，fmax需小于第一高次模TE11波的截止頻率fc，整理成公式：

通過(guò)重新整合式（4）（5），得到

式中：Z0—— 無(wú)耗同軸傳輸線(xiàn)的本征阻抗；

c0—— 真空中的光速；

fc—— 第一高次模TE11波的截止頻率；

η0—— 空氣中的波阻抗；

r1—— 同軸測(cè)試夾具內(nèi)導(dǎo)體半徑；

r2—— 同軸測(cè)試夾具外導(dǎo)體內(nèi)半徑

由于同軸測(cè)試裝置中只傳輸TEM波，因此第一高次模TE11波的截止頻率fc應(yīng)高于頻率上限fmax，工程應(yīng)用中通常fc＞fmax,?。篺c= 8.3gHz

整理計(jì)算得到同軸測(cè)試夾具的尺寸：

1.3 過(guò)渡連接器的選擇

在法蘭同軸測(cè)試裝置中，設(shè)計(jì)的尺寸應(yīng)滿(mǎn)足均勻50 Ω的特性，裝置末端為用于連接同軸傳輸線(xiàn)（10 dB，50 Ω）的N型同軸接頭，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為外導(dǎo)體內(nèi)徑a2= 3.5 mm，內(nèi)導(dǎo)體半徑a1= 1.52 mm，這就導(dǎo)致N型接頭與法蘭同軸測(cè)試夾具這兩部分的尺寸不一致，直接從大尺寸到小尺寸的直接連接，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的截面突變。

這種截面突變產(chǎn)生的階梯電容，極大引起TEM波的反射，從而影響整個(gè)測(cè)試裝置的時(shí)域阻抗，需要對(duì)該突變部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。通過(guò)采用一定長(zhǎng)度的過(guò)渡段，將兩段突變的同軸線(xiàn)采用漸變方式連接將大大減小損耗。常用的過(guò)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(dá)到匹配。直角階梯過(guò)渡不適用于外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體直徑比值大的情況；漸變式有錐形、指數(shù)型等，指數(shù)型曲線(xiàn)理論上引起損耗比錐形小，但數(shù)型曲線(xiàn)過(guò)渡在加工上會(huì)產(chǎn)生一定的難度。為便于加工，本項(xiàng)目采用錐形過(guò)渡方式。

1.4 電容補(bǔ)償與電感補(bǔ)償

通過(guò)錐形過(guò)渡連接器，N型同軸接口與法蘭測(cè)試夾具得到有效的連接，此時(shí)，整個(gè)裝置的框架已基本確定，錐形過(guò)渡連接器的具體尺寸對(duì)駐波比的影響不一。錐形過(guò)渡器的斜率不宜過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大則錐形長(zhǎng)度太短，截面突變影響嚴(yán)重；過(guò)小則錐形過(guò)渡器太長(zhǎng)，同時(shí)內(nèi)外導(dǎo)體需要絕緣子支撐，過(guò)渡段與絕緣子在電磁波傳輸過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生損耗。通過(guò)仿真，確定了斜率及錯(cuò)位尺寸、絕緣子的電感補(bǔ)償。本項(xiàng)目建立的仿真模型（見(jiàn)圖3），得到了最佳的回波損耗（見(jiàn)圖4）。

圖3 30 MHz～8gHz法蘭同軸測(cè)試裝置仿真模型

根據(jù)ASTM D4935-2011標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭同軸測(cè)試裝置仿真模型，在頻率范圍30MHz～1.5GHz，回波損耗（Return Loss）RL＜-30dB，即電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）＜ 1.2，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30142-2013 中，在頻率范圍30MHz～3gHz，回波損耗RL＜-30dB，即電壓駐波比VSWR＜ 1.2，同軸裝置的輸入信號(hào)視為無(wú)損傳輸。通過(guò)本項(xiàng)目研制裝置與兩種標(biāo)準(zhǔn)法蘭同軸裝置的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比（如圖5所示）,可以看出，在頻率范圍30MHz～8GHz，RL＜-30dB，VSWR＜1.2，滿(mǎn)足測(cè)試需求。

圖4 回波損耗的優(yōu)化

圖5 8gHz 裝置與 1.5gHz、3gHz 裝置的回波損耗比對(duì)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 裝置的加工與測(cè)試

根據(jù)仿真優(yōu)化后的理想尺寸，對(duì)裝置進(jìn)行加工與裝配，左右對(duì)稱(chēng)的法蘭測(cè)試裝置通過(guò)導(dǎo)軌控制，裝置實(shí)物如圖6所示。

圖6 30 MHz～8gHz 法蘭同軸測(cè)試裝置實(shí)物

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（AgilentE8363B）測(cè)量后可看到裝置的回波損耗RL與駐波比VSWR，從圖7可發(fā)現(xiàn)，裝置實(shí)物的駐波比VSWR＜ 1.2，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)走向一致，實(shí)測(cè)值與仿真值的差值在10 dB范圍內(nèi)。

圖7 8gHz法蘭同軸測(cè)試裝置實(shí)測(cè)值與仿真值

2.2 電磁屏蔽薄膜屏蔽效能測(cè)試與分析

采用標(biāo)準(zhǔn)的鍍金聚酯薄膜進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試。從圖8可知，對(duì)于單層鍍金聚酯薄膜，薄膜的厚度（d≤ 5 μm），與入射波波長(zhǎng)（λmin= 16 mm）相比，可忽略不計(jì)。根據(jù)Vasquez H[14]等人的觀(guān)點(diǎn)，可用式（9）判定電磁屏蔽薄膜屏蔽效能與表面電阻率之間的關(guān)系。

根據(jù)已知測(cè)試數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），在30 MHz頻率點(diǎn)下，SE= 42.8 dB，RA= 3.97 Ω，η0= 377 Ω，這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證8gHz法蘭同軸測(cè)試裝置的有效性。

圖8 鍍金聚酯薄膜厚度測(cè)試

表1 電磁屏蔽薄膜法蘭同軸法屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)本項(xiàng)目研制的8gHz法蘭同軸法測(cè)試裝置與 GB/T 30142-2013規(guī)定的 3gHz法蘭同軸法測(cè)試裝置分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電磁屏蔽薄膜進(jìn)行屏蔽效能測(cè)試，比對(duì)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

在 30 MHz～3gHz頻率范圍內(nèi)，兩者屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù)接近；對(duì)于電磁屏蔽薄膜來(lái)說(shuō)，在30 MHz～8gHz各個(gè)頻段單位內(nèi)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)。

圖9 電磁屏蔽薄膜屏蔽效能測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論推導(dǎo)、軟件仿真與加工制造，研制了一套法蘭同軸測(cè)試裝置，用于測(cè)量當(dāng)前電磁屏蔽薄膜在高頻段的屏蔽效能。主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1）裝置的測(cè)試頻率范圍覆蓋 30 MHz～8gHz，駐波比VSWR＜ 1.2，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

2）創(chuàng)新性采用電容補(bǔ)償和電感補(bǔ)償技術(shù)，解決由于錐形過(guò)度連接器和支撐介質(zhì)引起的裝置不連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)裝置的阻抗匹配。

3）加工了法蘭同軸測(cè)試裝置，并采用標(biāo)準(zhǔn)鍍金聚酯薄膜對(duì)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，證明裝置的實(shí)用性及有效性。

[1]全國(guó)電磁屏蔽材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC323）.GB/T 26667-2011電磁屏蔽材料術(shù)語(yǔ)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

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[10]全國(guó)電磁屏蔽材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC323）.GB/T 30142-2013平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

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