使用三同轴法测试射频同轴连接器屏蔽衰减的研究

张嘉培

（上海航天科工电器研究院有限公司，上海 200331）

1 背景及测试原理

随着整机应用频率的提高，系统各部分之间对对抗外来电磁干扰的能力要求也越来越高。对于系统中的连接部分，其连接器和线缆传输过程中的屏蔽效能成为衡量其抑制电磁干扰能力的重要指标。对于同轴线缆及同轴连接器，评价其屏蔽效能的方式主要分为两类，一类是通过测量其表面转移阻抗进行间接描述，另一类是通过测量其屏蔽衰减来直接进行表征。

在较高的频段，屏蔽衰减能更直观地反映在工作过程中——同轴线缆及连接器对信号的泄漏。

因此，对产品屏蔽衰减的测试，是同轴线缆组件质量管控的必要过程。对于线缆的射频泄漏的理论及其屏蔽衰减的测试方法整体已经较为成熟，而直接测试线缆连接器的屏蔽衰减则相对较少。

然而实际运用中，由于连接器的阻抗失配和对接不良等情况也可能在局部造成一定的射频泄漏，因而直接测试连接器的屏蔽衰减也可以有效预防后续装机过程中发生的屏蔽不良。

如今，利用三同轴组件进行屏蔽衰减测试已经是常见的线缆组件测试方法。国际上，IEC制定了IEC 62153-4-4计算高频电磁屏蔽的标准测试方法[1]，欧洲也制定了EN 50289-1-6系列的测试标准[2]。三同轴测试装置由导电性良好的金属管组成，测试时，测试组件的内径与被测件的内导体及外部屏蔽线三者形成同轴，测试线本身形成内回路，而屏蔽线与测试管形成外回路，通过内外两个回路来模拟实际使用时的电磁环境。

在内回路匹配、外回路失配的情况下，根据O.Breitenbach等建立的模型[3]，其两端的输出电压U2和输入电压U1比可写作：

式中：MT为单位长度的有效互感；CT为内回路的导体穿透电容；Z1为被试件的特性阻抗；Z2为外同轴件耦合段的特性阻抗；εr1为内回路的相对介电常数；εr2为外回路的相对介电常数；c为介质中被测电磁波的传播速率；R为外回路的远端串联电阻；φ1、φ2、φ3为式中三个与耦合长度、电磁波波长相关的函数，即：

式中：lc为耦合长度；λ0为被测电磁波的波长。

由式（1）可知，输出、输入电压比，是内外电路近端串扰与远端串扰之和与失配系数的比。且内外电压的比是一个周期函数，这个函数的周期与耦合长度与波长的比相关。故而当线路耦合长度固定时，这是一个随测试频率周期变化的函数。

2 测试方法的确定

对于有着一定电耦合长度的线缆连接器组件，其耦合长度通常不会低于100 mm，利用三同轴法进行整体组件的屏蔽衰减测试是相对便捷、准确的。图1所示为利用三同轴法所得的同轴线缆测试曲线。但当被测件变成电长度很短的连接器时，耦合长度和测试频率便会开始对测试产生影响。

图1 线缆屏蔽衰减测试曲线

在实际测试时，根据屏蔽衰减定义，要尽量获得系统输出电压U2和输入电压U1比值的最大值。

根据式（1）可知其周期变化的最大值可以写作：

此时，耦合长度与波长之比应有：

式中：f为被测频率。

当耦合长度与波长之比满足式（4）时，可以得到所需要的周期变化的最大值。故而当耦合长度一定时，被测频率f满足：

式中：fs为测试时的下截止频率。

直接对连接器进行测试时，在常用的测试频段（如500 MHz～18 GHz），由于连接器本身的电耦合长度只有数毫米到数十毫米，被测频率将会低于测试的下截止频率，不能得到系统输出电压U2和输入电压U1比值的周期最大值。故而该结果并不能准确反映被测连接器的屏蔽效能，其测试结果往往会好于实际值。

图2所示为直接使用三同轴法对连接器进行测试的测量曲线，由于连接器在回路中的耦合长度较短，故而测试时下截止频率可能被包含在被测频段内。可以明显看出，被测连接器在下截止频率左侧的测量曲线并不呈周期变化，其反映的结果非其周期变化下的最大值。

图2 直接利用三同轴法进行连接器屏蔽衰减测试曲线

故而在实际应用中，直接利用三同轴测试电长度较短的连接器是不可行的。故常常将同轴连接器做成同轴线缆组件进行测试，对于同轴转接器则在其两端对接同轴线缆接入测试链路。这样固然可以测得整体链路的屏蔽衰减，然而由于线缆本身固有的泄漏以及线缆与连接器耦合的加工工艺，势必引入额外的泄漏而不能完全反映连接器的真实情况。

为更好地体现连接器的真实屏蔽情况，一方面要适当提高整体测试链路的电耦合长度，另一方面又要减少三同轴系统内回路中非被测件的长度。GJB 1212A—2011中介绍了使用一个带推杆的铜管作为延长管[4]，而IEC 62153-4-7中也介绍了使用延长管进行测量的管中管法[5]。

实际测试中，在连接线的外部套入一根黄铜延长管：延长管与测试线及被测件近信号源端耦合部位形成短路，在三同轴测试套管信号源近端与其形成短路。延长管测试套管内部的部分将作为整个系统的内回路而有效增加了内回路的电耦合长度；另一方面，由于近端的短路，引入测试线本身的射频泄漏又无法被引入接收机，从而提高了测试的准确度。被测件近接收机端与匹配50 Ω负载相接，形成内回路匹配，而外导体则与接收机测试线的内导体形成短路，如此形成了一个内回路匹配、外回路相短接的状态。

测试时，采用矢量网络分析仪作为信号源和接收机，将网络分析仪的1端口作为信号源，2端口作为接收机，便可构建一个微波信号的发射和接收网络。根据S参数模型，在仅考虑正向传输条件下，可将设备读取的S21参数认为在正向传输条件下接收机与发射源之间的传输功率比。根据屏蔽衰减的定义，可将屏蔽衰减的计算式写为：

式中：αS为所计算的屏蔽衰减；POUT为外回路在接收机上接收的最大功率；PIN为信号源在被测件上的有效输入功率。

在测试组件中，外回路上接收机接收的最大功率应为内回路在外回路上远端串扰功率Pf和近端串扰功率Pn之和，即：

根据搭建链路，信号源近端串扰通过短路形成负反射与远端串扰相叠加，故而可以认为接收机实际所接收功率POUT为外回路在远端和近端串扰功率之和。由于测试线的引入，实际信号源在被测件上的有效输入功率为信号源输出功率减去其引入测试线的传输损耗，即：

式中：Ps为信号源输出的实际功率；IL为信号线的正向传输损耗。

实际测试中，网络分析仪所读取的S21参数为：

式中：α为系统一次读出的屏蔽衰减。

故可以得出，实际的屏蔽衰减为系统读出的衰减和引入测试线传输损耗的差，即：

故而应先将引入测试线接入网络分析仪，读出此时的S21参数即为其线缆损耗IL；而后搭建三同轴测试链路并接入网络分析仪，读出三同轴系统的S21参数即为α，而后对α与IL求差。

3 测试验证

被测件为某型号射频转接器，其两端为SSMP接口。测试时采用两只SMA2.92-SSMP转接器与其配接，与第2章测试链路之间形成连接。实际测试时，所得到的屏蔽衰减为包括两个接入转接器在内的三个转接器的综合屏蔽衰减。

将与信号源及接收机之间的测试线短接，设置扫描起止频率10 MHz～18 GHz，信号源输出功率0 dBm，扫描点数1 801，中频带宽15 Hz，测量参数S21，显示格式：对数幅度，将测量值作为线路传输损耗。通过信号源→引入测试线→转接器→被测件→转接器→匹配负载的顺序进行连接。信号源端测试线外接延长管，延长管与测试线外导体相短路，延长管信号源近端与三同轴外壳形成短路。转接器外导体通过铜管与接收机端测试线内导体相短接，通过测试线接入接收端。在被测件未接入的状态下，按照校准时的测试参数进行扫频，此时整个测试装置的静态屏蔽衰减均低于-120 dB，认为所搭建的测试装置可以满足测试的要求。接入被测件，安装好装置，按照校准时的参数进行扫频，记录所得的参数曲线并计算频段中最大的αS。

本次被测件共3只，测试时对每只被测件进行了3次扫频，记录最大的被测值。所得的测试结果如表1所示。

表1 测试结果统计表 单位：dB

可以看出，固定耦合长度的被测频段产品的屏蔽衰减测试曲线与频率存在周期性变化关系，测试结果能够符合式（1）的情形。从而也证明了，在使用延长管的情况下，内回路的电耦合长度确实被有效增加了，测试频率明显高于最低截止频率。从数据上看，被测件测试结果存在着一定的一致性，可以认定能满足其-60 dB的设计要求。但是可以看出不同样品之间的测试结果存在着一定的差异。

该三只产品为同一批次的产品，其测试结果显示出了一定的差异。使用矢量网络分析仪TDR模块对被测件及其转接器进行特性阻抗测试，未发现个别样品的阻抗失配。对被测组件拆卸时注意到，由于转接器各端口的啮合力（矩）并不同，因而测试线缆对被测件存在应力。每一次被测组件装好装入测试链路的过程，都有可能导致其偏心或松脱。而这一部分的变化使每一次测试时被测组件并不能以相同的状态进行测试，从而导致了数据的波动。

对于单独的双端SSMP转接器，其本身啮合力就很小，并不能与测试转接口形成很好的保持。故而对转接器进行改进，将其更换为带法兰盘的转接器，对插好后通过螺套和螺母将两只转接器之间锁紧，通过螺套保证双端SSMP在测试过程中不会因为测试线的移动而发生弯曲。更换转接器后对产品进行重新测试，所得的测试结果如表2和图3所示。

表2 改进后的测试结果统计表 单位：dB

图3 改进后的同轴连接器测试

可以看出，数据一致性上有了一定的提升。但是由于被测的是包含转接器的整体，除去产品本身的原因外，被测组件一共存在4次转接，每增加一次转接都会存在着一定的泄漏，故而被测结果仍不是单一连接器的屏蔽衰减。同时，转接器本身也存在着对外的射频发射，这一部分在整个测试链路中无法去除，因而所得到的结果只能是被测组件屏蔽衰减的综合结果。如果想要得到更精确的结果，必须减少引入转接端面。以该SSMP转接器为例，所接测试线应以带法兰盘的SSMP端口直接与被测转接器相接。而引出线在相接界面，则应使用合适的铜片与转接器外导体直接相接，使之能与所用延长管相短接。

4 结束语

利用在测试管内套延长管，可以有效增加三同轴测试组件中内回路的电耦合长度，从而在对连接器测试时解决其耦合长度过短导致的下截止频率过高的问题，进而可以相对准确地测量出射频同轴连接器本身在工作中的射频衰减。其测量结果对于连接器的改进、同轴线缆的设计以及射频模块组件的元器件选型有着一定的参考意义。但是相较于线缆的测试，连接器的测试结果差异性更大，测试过程中由于每段对接部位的实际啮合力矩不同，每次对接都会产生差异，从而产生测试值的偏差。要想减少测试安装过程中的偏差，就需要改善整个测试链路中的对接方式。故而实际测试前针对每种被测件端面设计并选用更适配的对接夹具，这对于有效提升连接器的屏蔽衰减测试准确度有着更直接的意义。