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微波电缆组件的屏蔽效率
材料来源:《微波杂志》2018年5/6月号           录入时间:2018/5/24 15:00:33

微波电缆组件的屏蔽效率

Shielding Effectiveness of Microwave Cable Assemblies

Paul Pino,W. L. Gore & Associates Inc.(戈尔公司), Landenberg, Pa.

微波电缆组件的屏蔽效率:其重要性何在?它会对系统性能产生什么影响?导致屏蔽效率良好与屏蔽效率欠佳的原因何在?在本文中,我们将会介绍电缆组件结构,并举例说明飞机机身电缆组件的屏蔽效率。

在探究屏蔽效率之前,先让我们了解什么是屏蔽效率。屏蔽层是包围和隔离电路的传导屏障。对微波同轴电缆来说,被隔离的电路是中心导体、电介质和外导体。由于集肤效应,在微波频率上,外导体的回流在外导体内侧很薄的一层内传输。如此一来,外导体的剩余部分成为了隔离层。因此将屏蔽效率定义为屏蔽层一边入射的射频能量与透射到另一边的射频能量之间的比率。

反射和吸收是两个主要屏蔽机制。Schellkunoff模型1(图1)是一个公认的屏蔽层分析代表,其中媒介2为屏蔽层。部分入射射频能量从媒介2表层反射出去。能量的剩余部分进入媒介2,由于材料的电阻损耗,能量被耗散,部分能量被吸收。能量的剩余部分穿过媒介2到达媒介3,其中部分能量又被反射,其余部分能量抵达媒介3,即屏蔽层需要隔离的区域。

1:电场屏蔽Schellkunoff模型。资料来源:York EMC Services

大部分屏蔽体只防电场辐射。防磁需要另辟蹊径。因为没有实用方法可以屏蔽磁场,必须使用高导磁率材料覆盖电路,以改变电磁辐射的方向,避免其干扰电路(图2)。高导磁率材料(在图中以圆环表示)能够使磁场变形、圆环中心绝缘。在预计出现高能量、电磁脉冲时,经常采用这类屏蔽。

2磁场屏蔽。

屏蔽结构

微波同轴电缆屏蔽层形式多样。最简单有效的屏蔽层是半刚性同轴电缆的外导体,远优于其他屏蔽手段。半刚性结构采用一个相对粗厚的整体式圆柱外导体,以高导电材料制成。因此,它具有优异的屏蔽效率,在1至18GHz频率下的屏蔽效率远超140dB。

3展示了柔性微波电缆的4种常见屏蔽层类型。第1种是最常见的编织圆线屏蔽层,通常以锡或镀银铜线制成。这种结构柔性极佳,易于生产,具有结构和导电双重作用。它的缺点在于屏蔽效率与编织密度直接成正比。对于最高18GHz频率,标准密度对应的标准屏蔽效率为40dB。更高的编织密度可以提升屏蔽效率,但是电缆的柔性减弱、生产时间延长以及材料成本增加。

3常见微波电缆屏蔽体。资料来源: Emerson Corp

编织扁平线屏蔽层(图3的第2种)通常为镀银铜线。这类屏蔽层结构坚固,较第1种拥有更佳的屏蔽效率,通常在最高18GHz频率下,屏蔽效率为85dB,并且生产所需时间短。但是,与螺旋缠绕扁平线屏蔽层(第3种)相比,它具有较高的接触电阻、弯曲时较差的相位和幅度稳定性。螺旋缠绕扁平线屏蔽层在弯折时能保持较佳的相幅稳定性、接触电阻较低、柔性极佳,在最高18GHz频率下的屏蔽效率为120dB。优质电缆使用镀银扁平铜线。但是这种屏蔽层的安装要求高,安装过程比第1、第2种慢,因此总成本更高。

第4种常见屏蔽层结构使用硬化聚合物(聚脂薄膜®、聚酰亚胺或聚酯)螺旋缠绕或“卷烟式缠绕”。聚酰亚胺具有高强度、抗化学腐蚀和抗高温的特点。铝聚酯薄膜便宜、轻质,并且防静电放电。缺点在于屏蔽性能较差,需要沉积金属才能导电。沉积过程会导致高接触电阻,有损屏蔽性能,并且通常需要“排流线”提供低电阻接地路径。最常见屏蔽层的屏蔽效率比较如4所示。

4最常见屏蔽体的屏蔽性能。

另外两种屏蔽层类型如5所示:单层圆绞线屏蔽层与单层扁平绞线屏蔽层。单层圆绞线屏蔽层使用多重圆线导体以螺旋状缠绕电介质。单层扁平绞线屏蔽层使用薄扁平金属(通常为镀银铜线)以螺旋状缠绕电介质,并缠绕一层硬化聚合物捆绑扁平线束,减少接触电阻。单层绞线屏蔽层用以增强电缆的“触感”,产生柔软、柔韧的电缆。其制造容易、快速,组件成本低。但是,这两种屏蔽层容易因弯曲、移动和温度改变接触电阻,降低损耗稳定性和屏蔽效率。

5单层圆绞线屏蔽结构(a)与单层扁平绞线屏蔽结构(b)

外导体和屏蔽层采用连续整体式结构(例如半刚性电缆的外导体),可以提升柔性同轴电缆的屏蔽效率。它假定材料在微波频率上拥有优异的导电性。包含开口或缺口的结构易受干扰的影响,比如接收和发射电磁能。

屏蔽效率

讨论了屏蔽层类型之后,我们将会分析飞机机身微波电缆在实际应用中的表现。这种特别的电缆类型代表一部分独特的微波电缆技术,应用于军事战争和运输飞机非承压的场景,电缆通常装在雷达和电子作战系统中。这些系统在侦查威胁、瞄准目标、自我保护、通信和导航方面起到重要作用;假如电缆失效或出故障,会危害设备,更重要的是危及生命。由于它们安装在非承压的环境,机身电缆组件必须采用密封结构。假如使用传统非密封电缆,由于海拔感应压力的变化,潮湿的空气会穿透电缆的电介质,导致电气性能发生变化。

美国军用飞机使用的微波机身电缆必须符合MIL-T-81490A (AS)标准。标准规定电缆组件在设计频率范围内,屏蔽效率不能低于90dB。6比较了两家公司的微波机身电缆组件的屏蔽效率,表明不同模型和组件的长度,全部支持18GHz最高频率。根据MIL-STD-1344测试方法3008,测试了频率介于1到18GHz的情况。

6两家公司微波机身电缆组件系列的屏蔽性能。最低规格为根据MIL-T-81490A (AS)达到90dB

为什么两组产品存在差异?连接器、连接器端接和电缆是三大射频泄漏的潜在区域。举例说明,7展示了1m的微波机身电缆组件的屏蔽效率,以及当连接器和连接器端接区域覆盖额外屏蔽材料(0.07mm厚×25mm宽的粘合铜箔),用材料重叠缠绕覆盖该区域时,屏蔽效率出现的改进。有了额外屏蔽层,从频率看,曲线仍然保持下降趋势,但是性能从6GHz显著提升至12GHz。

7在连接器应用附加屏蔽可提升1m电缆组件的屏蔽性能。

由于屏蔽效率“下降”的部分是辐射功率,这永远不会抵达电缆组件的末端,因此,在相同频率范围下,6到12GHz的标准电缆组件较差的屏蔽效率完全足以增加插入损耗(图8)。这些能量辐射到了电缆外部。

8 单层扁平绞线电缆组件与戈尔螺旋缠绕扁平线组件的插 入损耗。

回到图7,我们注意到应用在连接器区域的额外屏蔽层改善了6到12GHz的标准电缆组件屏蔽效率较差的情况,但是并未影响曲线的下降趋势,这可能是由于电缆的3mil厚单层扁平绞线外导体结构(图5b)用薄硬化聚合垫片严实缠绕所致。单层扁平绞线结构在电缆全长每个单层扁平绞线部分之间具有连续的螺旋缺口。这些缺口犹如电磁辐射器,是屏蔽层的开口。为了补救这一情况,在单层绞线应用薄硬化聚合垫片覆盖缺口,提升每个相邻扁平线部分的导电性。由于低频率的主要屏蔽机制是反射,因此在低频率运行相当好。在较高的频率,主要屏蔽机制转变为吸收,它是产品的σrμr的函数,其中σr是相对于铜的材料导电性,μr是相对于铜的材料磁导率2。与铜相比,聚合物垫片的导电性和磁导率较低,并且垫片本身与扁平线接触不多,因此进一步强化了抗屏蔽性能。垫片的厚度按规定为1.5mil,加上屏蔽效率与屏蔽厚度直接相关,加强了抗屏蔽性能。这种结构(如图6的较低曲线所示)导致在超出1GHz频率时的屏蔽效率不断降低,低于MIL-T-81490A (AS)标准对支持7GHz频率的规定。

在图6中,戈尔电缆组件的屏蔽效率相对平缓,远超在最高18GHz频率下屏蔽效率达到90dB的限定。这一表现归功于连接器设计、连接器端接技术和电缆结构。该电缆组件使用耐久的螺旋缠绕扁平线外导体;扁平线为3mil厚度的镀银铜线。其螺旋缠绕确保重叠绕包之间优异的机电接触。而且,其镀银铜线的高导电性在低频率时提供了良好的反射率,而重叠缠绕后,屏蔽层整体厚度在高频率具有优异的吸收率。

结论

本文研究了电缆组件的屏蔽性能,选取机身电缆组件作为例子,让用户更了解结构技术以及它们如何影响微波电缆组件的性能。由于人们会假定性能良好,却极少实际验证,因此微波电缆组件的屏蔽性能常常被忽略。

在选择机身使用的微波电缆组件时,请询问供应商:

• 电缆是专门为机身应用设计的吗?

• 在不降低射频性能的情况下,它可以经受要求严苛的机身安装吗?

• 它在安装前后符合军用屏蔽效率标准吗?

微波机身电缆是许多军用系统重要的组件,可以提升系统性能。正因如此,应当谨慎仔细挑选电缆。

参考文献

1.       S. A. Schelkunoff, The Electromagnetic Theory of Coaxial Transmission Lines and Cylindrical Shields,” Bell System Technical Journal, 1934, pp. 532-579.

2.       D. D. L. Chung, “Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Carbon Materials,” Permagon Press, July 2000.


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