同轴线缆和屏蔽线的屏蔽效能测试方法

2023年上海电磁兼容展上很多工程师对于射频同轴线缆的屏蔽性能检测非常感兴趣，因此整理一份同轴线缆和屏蔽线的屏蔽效能测试方法供大家参考。

1.  同轴线缆屏蔽效能测试方法

同轴电缆在工业领域大规模应用于传输高速信号，在EMC领域是EMI信号输入和EMS信号注入的重要的线缆。同轴电缆的性能有专业标准规范，而EMC应用中主要关注同轴电缆传输阻抗和屏蔽效能参数。同轴阻抗是同轴电缆芯线和屏蔽层传输射频信号的阻抗，一般为50Ω，可以通过S21插损测试方法快速核查；同轴电缆屏蔽效能是指屏蔽层对传输信号的屏蔽作用，即同轴屏蔽层外层对在芯线和屏蔽层内层传输的信号的屏蔽能力。屏蔽效能异常的问题相对阻抗异常更加隐蔽，因为屏蔽异常时信号也还可以通过屏蔽外层甚至空间传输，信号质量和阻抗变化可能很小但会导致其他更复杂的问题，如辐射泄露、传输损耗加大、驻波比异常、外部信号干扰、功放的自激等。因此EMC工程师在工作中常常需要核查同轴线缆屏蔽效能来确保测试系统正常和测试结果真实有效。

由于趋肤效应影响，同轴电缆的屏蔽层可以等效为内外两层。芯线传输的信号大部分通过屏蔽层内层回流，而屏蔽外层探测不到信号，屏蔽效能很高。但是屏蔽异常时信号会通过外层传输，同轴线缆上就会探测到传输信号，因此可以通过线缆外层共模电流来评估屏蔽性能优劣。以下是利用电流探头测量共模电流快速核查同轴电缆屏蔽性能的操作方法。

 

图一 同轴电缆屏蔽效能测试准备和测量深度

 

利用共模电流来评估同轴线缆屏蔽效能的测试系统由电流探头、夹具、匹配电阻和带跟踪源的频谱仪组成。首先按照电流探头校准的布置对电流探头和夹具的系数进行归一化，然后将需要测量的同轴电缆接在跟踪源输出口并且端接50Ω同轴电阻，用电流探头测量同轴线缆上的射频电流信号。当屏蔽正常时跟踪源发出的信号通过电缆芯线到达同轴匹配电阻再经内层回流，此时电流探头在同轴线缆的外层测量不到电流，异常时就能在在线缆上测到射频信号，通过信号的大小就能评估屏蔽效能。右图是该设置下的屏蔽效能测量深度，在10kHz-1GHz频率在40-60dB范围内（减小内部衰减和打开前置放大器还能增加30dB）。

 

图二 3米长度高性能同轴电缆屏蔽效能测试布置和测量结果
图三 1米长度高性能同轴电缆芯线引出3cm对屏蔽效能的影响

 

以上两张图是高性能同轴电缆的屏蔽效能测试结果，可以看出该同轴线缆在全频段屏蔽效能测试结果很好，但是如果将芯线露出屏蔽之外则会大大破坏屏蔽效果。

 

图四  1米同轴电缆芯线引出对屏蔽效能的影响
图五，1米同轴电缆芯线接入50Ω同轴电阻开路
图六，1米同轴电缆芯线接入50Ω同轴电阻短路，芯线电流被测量
图七，1米同轴电缆芯线接入50Ω同轴电阻铜箔屏蔽搭接

 

以上实验可以看出屏蔽层与同轴端子的连接对屏蔽效能的影响很大：完全匹配并且搭接优良的屏蔽线缆能够达到很好的屏蔽效果，任何的芯线暴露和屏蔽不连续都会导致屏蔽性能的下降。利用电流探头测试共模电流的方法能够对同轴线缆屏蔽性能进行快速评估，但更大测量范围和高精度的评估需要在此基础上提高设备精度增加环境电磁噪声屏蔽。EMC应用中利用一根高性能同轴电缆作为基准对其他电缆进行比对就能快速完成评估。 2.   屏蔽线屏蔽效能的演示 屏蔽线的屏蔽效能也可以使用类似的方法进行评估。利用同轴夹具、电流探头、铜箔、屏蔽铜网等就能进行进行快速的屏蔽演示。

 

图八 屏蔽线屏蔽效能测试布置和归一化
图九 两端接地的宽铜箔的屏蔽作用
图十 两端未接地的紧密铜箔包层没有任何屏蔽效果
图十一两端接地的紧密铜箔有屏蔽效果

 

以上实验可以看出对于较短的屏蔽线，屏蔽效能同样主要取决于屏蔽层的导电性和两端接地搭接。工程实践使用的屏蔽线一般是对RS232/485，RJ45,CAN通讯或者关键的采样信号线采用，目的是改善辐射发射或者提升抗扰能力，通常只需要在通讯或采样的工作频段内达到一定的屏蔽效果满足测试要求即可，并不要求全频段完美屏蔽。图九可以看出仅增加一根并行的接地铜箔就能起到10-30dB屏蔽作用，因此实际产品开发中合理利用接地线或者贴近接地的金属结构布线都能够获得一定屏蔽效果。更好的屏蔽层和更好的搭接方法能达到更好的屏蔽效能但也意味着更高的成本。以下演示屏蔽层和搭接对屏蔽效能的影响。

 

图十二60cm线长的屏蔽效能演示布置和测量深度
图十三编织铜网屏蔽两端接地但不完全搭接的影响
图十四 编织铜网两端接地搭接良好的屏蔽效能

 

以上实验可以看铜编织网的屏蔽性能相对铜箔要好一些，接地搭接良好能够提供很高的屏蔽效能，但是接地搭接不良时依旧会对高频的屏蔽产生影响。使用这种铜编织网能够方便且高效地对线缆发射进行屏蔽，EMC诊断分析中可以利用这种方法对线缆进行排查。

3.   小结

同轴电缆的屏蔽异常会导致射频电流流经外层，因此测量同轴线缆上的共模电流泄露能够评估同轴电缆的屏蔽效能，使用电流探头和S21测试设备就能实现方便快速测试。

屏蔽线的屏蔽效能与屏蔽层材质、端口接地搭接密切相关，但工程应用最重要的是对屏蔽应用频段和屏蔽效能需求进行定义，最终结合成本来选择合适的屏蔽线方案。

审核编辑：黄飞