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辐射测量同轴连接器的屏蔽性能调查

2021-09-06 09:44:29 来源:连接器世界网 作者:《In Compliance》杂志高级撰稿人Ken Javor 点击:1460

通常,人们习以为常地认为,在EMC和RF方面,卡口式连接器(BNC)在10 MHz以上会出现泄漏,因此应避免用于辐射测量。只有TNC、N和SMA等螺纹连接器可用于辐射测试工作。话虽如此,直到今天,一些测试设施还有一些带有BNC连接器的旧双锥天线和杆状天线。这是怎么回事?

一方面,是规则问题。另一方面,其他优良测试设备的制造商似乎不太可能使用泄漏连接器。因此,探讨连接器泄漏性能的测量——BNC与螺纹——是有启发性的。

人们可能会想象连接器的泄漏测试如图 1 所示,其中信号通过一段同轴电缆传输,并在外部测量由该信号引起的辐射。

图 1:连接器泄漏的测量

图1所示的测量确实可以验证规则。但当BNC连接器位于天线之上时,这并不不能反映实际问题。问题出在传输阻抗,因为泄漏连接器的潜在问题是,影响天线的相同场也会影响到接收器的同轴连接。如果感应的外部电缆电流进入同轴传输线,则会破坏辐射测量。事实证明,在杆状和双锥天线范围内,BNC连接器适用于这种应用,并且只要没有缺陷,它的泄漏量不会比螺纹连接器多得多。

因此,也许与直觉相反,BNC连接器从外向内的泄漏要少于从内向外的泄漏。

本文的其余部分提供了证实上述陈述的数据。作为附带的好处,我们发现BNC连接器可以为端接在易碎SMA连接器中的较小直径电缆节省可维修的连接器。

用作辐射测量系统一部分的同轴电缆:传输阻抗测量

电缆传输阻抗测量可评估电缆屏蔽和连接器的性能。总传输阻抗的这两个分量相互串联并线性相加。因此,如果要评估一个连接器对另一个连接器的传输阻抗影响,那么传输阻抗的屏蔽分量必须保持恒定。

实现这一目标的最佳方法是使用完全相同的电缆,并更换连接器。这可以通过使用螺纹连接器(如SMA)的电缆实现,然后更换其他螺纹和卡口连接器,如本文中所做的那样。

图2a、2b、2c和2d显示了测量结果。LMR-195 50Ω同轴电缆一端为N型连接器,另一端为 SMA,其端子连接到每一端的接地层。大容量电缆注入(BCI)钳会在电缆屏蔽层上感应出射频电位,电流探头会监测相关连接器处的合成电流。同轴中心导体与地之间的电流和感应电位都显示在频谱分析仪上(图3和图5)。可以通过比较电压和电流来评估转移阻抗。对于这项调查,转移阻抗标称值不是很重要;主要关注的是将螺纹 (N) 换成卡口 (BNC) 连接器时的变化,或摆动连接器的效果。

图2a:整体传输阻抗装置

图2b:检查装置末端

 

图 2c:背面和电缆端接

 

图 2d:仪器详细信息

在图3a和图5中,黄色曲线代表电流。94430-2电流探头在1–250 MHz范围内具有0 dBΩ 传输阻抗,因此以dBuV为单位的读数也是以dBuA为单位的电流。在图3a中,粉色曲线是使用SMA-to-N适配器测量的RF电位,蓝色曲线是使用SMA-to-BNC适配器测量的RF电位。在此频率范围内,BNC和N迹线之间几乎没有区别。

图3a:传输阻抗测试结果。从以dBuV为单位的各种射频电位中,减去以dBuA为单位的电流,来计算以dBΩ为单位的传输阻抗。10 MHz以上的电流下降是传输线效应;传输阻抗在那里不准确,但品质因数是相比与另一个的恒定感应电流潜力。

图3b更有趣,它与图3a相同,但增加了(绿色)迹线。此迹线也是使用SMA至BNC适配器,但使用不同型号测量的RF电位,得到的结果明显更差。通过摆动同轴电缆到达不稳定的绿色迹线,使得电缆的SMA连接和SMA到BNC适配器之间的螺纹连接松动。迹线中的点动不应在频域中解释,而应理解为时域扰动,在电缆摆动时使用最大保持函数记录。图4解释了其中的奥秘。

图 3b:除了添加了绿色迹线。

在图4中,左侧适配器在螺纹附近有滚花,在将电缆的SMA公连接器拧到适配器SMA螺纹上时,可以用钳子夹住螺纹。中间适配器有靠近螺纹的斜切料,在将电缆的SMA公连接器拧到适配器SMA螺纹上时可以用扳手夹住。右侧的适配器没有任何可用的手柄,因此在任何类型的振动下都会松动,即使是用手施加的振动。而且即使在持续的手部振动下,左侧和中间的适配器也会产生图3a和3b中的蓝色曲线,而右侧的适配器在相同类型的压力下产生图3b的绿色曲线。

图 4:不同连接器

最后,图5与图3a相似,不同之处在于电缆具有BNC连接器——没有SMA到BNC适配器。摆动BNC连接器会引入比图3b中略高的相对传输阻抗,其中摆动BNC连接器不会对屏蔽到连接器端接产生太大影响(图3b中丑陋的适配器绿色迹线情况除外)。

图5:与图3b相同,但使用长度相似的LMR-195同轴电缆,两端带有BNC 连接器,没有SMA转BNC适配器。

用作辐射测试装置一部分的同轴电缆:同轴连接的辐射评估

连接器泄漏的明显近距离探头测量是将环路探头放置在泄漏连接器附近,而测试同轴电缆直接从跟踪发生器驱动到50Ω虚拟负载,如图6所示。唯一可用的探头是Empire Devices MP-105,额定使用范围为20 MHz-1 GHz,它在低于100 MHz时不够灵敏,无法进行此测量。

图 6:同轴连接器从内部信号向外泄漏的磁场测量。

因此,如图7a和7b所示,在整个电缆周围放置了一个电流探头,测量共模电流,理论上在我们担心连接器泄漏的频率处应该没有共模电流,即在10 MHz以上。

图7a:图5设置的更灵敏替代品。

图7b:与图7a相同,只是其中一个电缆终端改为BNC。

图7a和7b需要一些解释。出于本次演示的目的,我们的想法是,如果连接器根本不泄漏,则不应存在共模电流,即中心导体和屏蔽电流相等且相反,并且电流拾取的净通量探针为零。这仅在屏蔽路径比其下方的接地层更具吸引力的更高频率下才是正确的。

无论选择哪个适配器,我们都会看到出现从10 Hz到~10 kHz的相同行为,其中屏蔽开始成为更具吸引力的路径。在这里,我们遇到了本底噪声,但我们可以看到,与螺纹基线相比,高质量的SMA-BNC适配器只泄漏了一些(图7a和图8a与图7b和图8b),低至100 kHz,但在1 MHz时几乎为10 dB,在10 MHz时可能更多,但我们的本底噪声有限。 劣质SMA-BNC 适配器(图8c)泄漏很多。

图8a、8b和8c中,10 MHz附近的衰减比较表明,与图3和图5中的辐射磁化率传输阻抗测量值相比,BNC连接器的辐射发射性能明显更差。

图 8a:使用两端螺纹连接的共模电流。

图8b:一端带有SMA-BNC适配器的共模电流。

图 8c:丑陋的共模电流与图4的“坏”SMA-BNC 适配器。

结论

当使用同轴电缆作为辐射发射测量设置的一部分时,与螺纹连接器相比,BNC连接器提供了相当不错的性能。虽然这组有限的测试数据显示出良好的1GHz 性能,但大多数应用将在UHF中使用螺纹连接器。重点是,如果EMI测试天线使用BNC连接器,应该没有问题,并且与“规则”没有矛盾。

然而,当同轴电缆不是测量系统的一部分,而是辐射系统的一部分时(并且我们希望最小化测量系统可能拾取的辐射),那么就像旧规则所说的那样:高于10 MHz,螺纹连接器是当今的主流。

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