四屏蔽電纜屏蔽衰減的分析與研究
2019-11-03 10:06:45
供稿：網友
汪章瑞
摘要：在雙向有線電視系統中，為使反向傳輸正常工作，必須減少匯流噪聲。匯流噪聲大部分是空間電磁干擾串入反向系統形成的。在雙向CATV系統中，電纜是最容易串入干擾的部件之一。為了使反向系統正常工作需要采用屏蔽衰減高的四屏蔽電纜。本文介紹了四屏蔽電纜的兩種測量方法、測量四屏蔽電纜的原理和測量中應注意的問題。對國產和進口四屏蔽電纜屏蔽衰減測量結果進行了分析。
1 射頻同軸電纜屏蔽衰減的兩種測量方法
測量射頻同軸電纜屏蔽衰減的方法有兩種：泄漏法和滲透法。泄漏法是在同軸電纜內產生強電磁場，由于電纜屏蔽不夠好，電纜內、外導體間的強電磁場可通過外導體的縫隙泄漏出來。測量泄漏場強來表征電纜的屏蔽衰減，吸收鉗法使用的是泄漏法。滲透法是將被測電纜放在均勻電磁場中，由于電纜的外導體有縫隙，電磁場通過縫隙滲透到電纜內部，測量滲透場強也可表征電纜的屏蔽衰減。隨著電磁兼容測量設備的發展，用可以產生均勻橫向電磁碭的GTEM室來測量電纜的屏蔽衰減。這種測量方法稱為GTEM室法，屬于滲透法，比吸收鉗法復雜。但GTEM室法測量范圍為直流-1GHz，比吸收鉗測量范圍更寬。從理論上講，GTEM室可以產生的電磁場強度僅與輸入信號功率有關，只要功率放大器足夠大，就可產生很高的場強。這使GTEM室測量屏蔽衰減的靈敏度大大提高，是一種適合測四屏蔽電纜的較高屏蔽衰減的測量方法。
2 為什么要用GTEM室法代替吸收鉗法來測量四屏蔽電纜呢？
射頻同軸電纜屏蔽衰減的測量，由于受測量設備的限制，吸引鉗法是最傳統的測量方法。這種測量方法設備簡單，使用方便，但靈敏度低，通常測量范圍在100dB以下。并且，測量頻率范圍被限制在30MHz以上。
隨著CATV系統雙向傳輸和多功能運用的發展，出現了四屏蔽電纜，四屏蔽電纜屏蔽衰減更高，一般可達100dB以上，再用吸收鉗法測量，已不能準確測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減（因已超過一般吸收鉗的最高測量范圍）。特別是雙向HFC網，反向傳輸頻率范圍為（5-65）MHz，必須測量5MHz頻率點的屏蔽衰減。這已超出了吸收鉗的工作范圍，顯然，吸收鉗法已不能適應四屏蔽電纜屏蔽衰減測量的需要，應用GTEM室法來代替。
3 GTEM室法測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減測量原理和測量中應注意的問題
GTEM小室是根據同軸及非對稱矩形傳輸線原理設計的。為避免內部電磁波的反射及產生高階模式和諧振，將其設計成尖劈形。輸入端采用N型同軸接頭，爾后漸變至非對稱矩形傳輸線，以減少因結構突變引起的電波反射。為使其達到良好的阻抗匹配并獲得較大的均勻場區，選取并調測合適的角度、芯板高度和寬度。為使球面TEM波從輸入端到負載良好傳輸，并具有良好的高低頻特性，終端采用電阻式匹配網絡與吸收材料共同組成復合負載。GTEM小室的外觀為四棱錐狀屏蔽箱。最左邊為帶N型插座的法蘭盤，射頻信號從此饋入。側面有一扇門，可放入或取出被測部件。屏蔽箱底面有電纜插座，可將被測部件內滲透進去的電磁信號引出，以便測量。屏蔽箱底面還有經過濾波的220V交流電源，以便給被測有源器件供電。
GTEM小室內電磁場分布。實線為實測的電場強度變化1dB、2dB和3dB的等強度線（從內向外）。而虛線表示電場強度變化1db和2dB的均勻區。
（1）GTEM室測量屏蔽衰減的基本原理
射頻信號發生器經功率放大以后，饋送到GTEM室輸入端口，在GTEM室內激勵起均勻電磁場。將四屏蔽電纜截下30cm長一段，兩邊作好壓接的F型電纜插頭。將此電纜一頭用屏蔽良好的75Ω負載電阻終結，另一頭接到GTEM室中電纜插頭上，并保持電纜垂直（與電場平行）。由于，四屏蔽電纜外導體仍有很細小縫隙，GTEM室的強場會滲透到電纜內部。
滲透到電纜內部的微弱信號經前置放大器放大后，由頻譜分析儀顯示出來。
GTEM室測量四屏蔽電纜屏蔽衰減的基本原理如下：
30cm長的四屏蔽電纜做上壓接式F頭以后，電纜有效長度只剩下25cm。25cm長的導體在GTEM室內均勻電磁場中產生的感生電平為電場強度乘以導體長度。四屏蔽電纜外導體有細小縫隙（屏蔽不良），GTEM室內強的電磁場會滲透到電纜內也會產生滲透感生電平，此電平很微弱需經低噪聲高增益的前置放大器放大之后，在頻譜分析儀上才能顯示出來。頻譜分析儀上顯示的電平減去前置放大器的增益就得到了四屏蔽電纜內滲透感生電平的大小。25cm長導體在GTEM室的均勻電磁場中產生的感生電平減去四屏蔽電纜內滲透感生電平，就得到四屏蔽電纜的屏蔽衰減。
（2）GTEM室法測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減應注意的問題
1）GTEM室內部，四屏蔽電纜到GTEM室引出插座之間連線，最好使用金屬外導體的75Ω電纜。以免GTEM室內強電磁場滲透到連線電纜中，影響屏蔽衰減測量準確度。
2）電纜接頭和75Ω終結電阻（本身必須屏蔽良好）要擰緊。必要時，應用銅絲布將接頭包緊并扎牢，以免GTEM中的強電磁場滲透到被測系統內部。
3）屏蔽衰減測試系統本身的自檢。在GTEM室內，將75Ω終結電阻直接接到金屬外導體的電纜引線頭上，并擰緊、包牢。減屏蔽衰減應在130dB以上，方能證明系統可靠，不會影響四屏蔽電纜120dB左右屏蔽衰減的測量準確度。
4）頻譜分析儀以及前置放大器都應單獨放在屏蔽室中。不應與射頻信號源或功率放大器置同一室中，以免射頻信號源或功率放大器泄漏出來的電磁場混入頻譜儀或前置放大器中，影響測量準確度。
4 吸收鉗法能否提高靈敏度，降低干擾，也可以測量四屏蔽電纜嗎？
吸收鉗采取以下較嚴格的措施可提高靈敏度、降低外界侵入的干擾，可以測量屏蔽衰減達120dB以上。解決了用兩種方法：吸收鉗法和GTEM室法同時測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減的難題。但采取嚴格措施的吸收鉗法，因要求太高，非一般實驗室的條件能滿足。不適合用作測量一般四屏蔽電纜的屏蔽衰減。
為了能測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減，吸收鉗采取了以下措施提高靈敏度、降低外界侵入的干擾。
?。?）在吸收鉗信號輸出端與頻譜分析儀之間加前置放大器。
我們選用美國惠普公司生產的高增益、低噪聲前置放大器。增益G=32dB，噪聲系數NF=2.5dB，頻帶寬度為9KHz-1GHz。可將吸收鉗輸出的射頻信號提高32dB，從而使屏蔽衰減測量靈敏度提高。
（2）降低頻譜分析儀中頻帶寬到30KHz，使頻譜分析儀測量靈敏度提高到0dBpV。降低頻譜分析儀中頻帶寬，可降低頻譜分析儀固有低噪聲電平，提高測量靈敏度。
再選用較高輸出電平的射頻信號發生器，其輸出電平可達127dBpV。
這樣，用吸收鉗法測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減可達130dB。因為射頻信號發生器輸出電平127dBpV，再加上前置放大器32dB，這相當于信號電平可達159dB。減去吸收鉗的插入衰減為20dB左右和頻譜分析儀最大靈敏度0dBpV，可使吸收鉗測量四屏蔽電纜屏蔽衰減的最大值可達139dB。
(3）將吸收鉗法測量四屏蔽電纜的屏蔽衰減系統中，所有電纜接頭和負載電阻接頭擰緊，并用銅絲布包牢，又使屏蔽衰減測試范圍從90dB擴大到120dB。特別是吸收鉗射頻輸出口為BNC頭，本身屏蔽衰減不夠高，只這個頭用銅絲布包牢，扎緊就使系統測量屏蔽衰減范圍提高了20dB。
?。?）射頻信號發生器輸出電平較高達127dBpV，信號源本身屏蔽不夠，有微弱電磁場泄漏到空間，再串入前置放大器或頻譜分析儀輸入端，從而影響測量高屏蔽衰減的準確度?？蓪⑸漕l信號源放在屏蔽室外，通過電纜將射頻信號引入屏蔽室的吸收鉗測量屏蔽衰減的外界干擾達6dB，使屏蔽衰減測量范圍擴大到126dB。
用GTEM室法和吸收鉗法測量同一根四屏蔽電纜的屏蔽衰減，其結果GTEM法比吸收鉗法測出屏蔽衰減的平均值最多差10dB。這是為什么呢？仔細分析發現：一根四屏蔽電纜上屏蔽衰減有缺欠的地方是局部的。吸收鉗法測量屏蔽衰減選用電纜長度為6m，吸收鉗在電纜上前、后移動，找出屏蔽衰減最小的點。而GTEM法測屏蔽衰減所取電纜長度為30cm，相當于吸收鉗法電纜長度的20分之一。因此，屏蔽衰減最差點出現概率小得多，GTEM法測量出屏蔽衰減往往比吸收鉗法高。為了解決這一問題，我們選取一段6m長四屏蔽電纜用吸收鉗法測量屏蔽衰減后，用吸收鉗找出電纜屏蔽最差的段上截下30cm，再用GTEM室法測量這段四屏蔽電纜的屏蔽衰減。這樣，用吸收鉗和GTEM室兩種方法測出同一根電纜的屏蔽衰減基本一致。
測量屏蔽衰減還發現：用吸收鉗法測量四屏蔽電纜時，從30MHz-1GHz各頻率點測出的最差屏蔽衰減最差位置在電纜上不重合，最多相距1m左右。這又是為什么呢？按常理，四屏蔽電纜在一小段上屏蔽衰減最差點在各個頻率應該重合?？紤]到另一個因素，射頻信號在電纜傳播不可能全是行波，由于匹配不夠，必然產生駐波。各頻率信號在6m長電纜上所形成的駐波，波節和波腹點差開，就會造成上述現象。為了證實這個問題，我們用網絡分析儀測了吸收鉗法6m電纜信號供應系統：包括信號源送出的50Ω電纜、進屏蔽室用的50Ω兩通和50Ω-75Ω阻抗轉換器，被測6m長四屏蔽電纜和75Ω終結電阻的反射損耗。該系統反射損耗只有8dB，相當有40％的駐波，這是因為國產器件本身反射損耗就不夠高，全部改用進口器件后，系統反射損耗達16dB，駐波只有16％，上述問題圓滿解決。
5 用吸收鉗和GTEM室兩種方法測量四屏蔽電纜屏蔽衰減的結果與比較
?。?）用吸收鉗和GTEM室兩種方法測量四屏蔽電纜屏蔽衰減的結果
因國產四屏蔽電纜的屏蔽衰減參差不齊，表明了國產同軸電纜屏蔽衰減的范圍，而2#為進口四屏蔽電纜。
?。?）用吸收鉗和GTEM室兩種方法測量四屏蔽電纜屏蔽衰減測量結果的比較
如下：
1）國產最好的四屏蔽電纜，屏蔽衰減的平均值GTEM室比吸收鉗高2.8dB，而屏蔽衰減的最小值GTEM比吸收鉗高4dB。
2）國產一般的四屏蔽電纜屏蔽衰減的平均值GTEM室比吸收鉗高2.6dB，而屏蔽衰減的最小值GTEM室比吸收鉗高3dB.
3）進口四屏蔽電纜屏蔽衰減的平均值GTEM室比吸收鉗高2.4dB，而屏蔽衰減最小值GTEM室比吸收鉗高3dB。
用吸收鉗和GTEM室兩種方法測四屏蔽電纜，無論是屏蔽衰減的平均值，還是屏蔽衰減的最小值，相差約3dB。這兩種測量屏蔽衰減的方法基本是一致的。
6 四屏蔽電纜屏蔽衰減測量結果的分析
國產四屏蔽電纜屏蔽衰減相差較多。通常國產電纜可分為最好、較好和一般三類。國產最好的四屏蔽電纜的屏蔽衰減比進口的還高；而國產較好的四屏蔽電纜比進口的略低，差別不超過3dB。而國產一般的四屏蔽電纜的屏蔽衰減較進口的低6dB以上，其原因分析如下：
（1）通常國產最好的四屏蔽電纜用進口設備生產，原材料質量好，工藝嚴格，產品質量當然好。從外觀上看，這類電纜結構緊密、挺實、外護套光滑柔韌。其特點如下：
1）編織網絲粗、網密
2）編織角標準規定不大于45°，國產最好的四屏蔽電纜編織角都小于45°。
3）四屏蔽電纜外導體的鋁箔分粘接和搭接兩種。搭接是將鋁箔在電纜物理發泡絕緣體上裹上一層，接頭處重疊一部分，一般為3mm。粘接是鋁箔與物理發泡絕緣體粘在一起。粘接較搭接屏蔽性能更好。國產最好的四屏蔽電纜都采用粘接。
?。?）國產一般的四屏蔽電纜用國產設備生產，原材料質量差些，產品一般。從電纜外觀上看，這類電纜較松軟，不挺實，外護套較硬且少光澤。
1）編織網絲細、編織密度小
2）編織角大，通常大于45°，有的甚至超過70°。
3）這類四屏蔽電纜外導體鋁箔多采用搭接。
（3）小結
國產最好的四屏蔽電纜屏蔽衰減比進口的高6dB以上。而國產較好的同軸電纜與進口的相差不多，通常約低3dB。
國產一般的四屏蔽電纜屏蔽衰減比進口的相差較多，通常，低6db以上。
節選自《廣播電視信息》2001.6
