电缆屏蔽衰减的分析

        在双向有线电视系统中，为使反向传输正常工作，必须减少汇流噪声。汇流噪声大部分是空间电磁干扰串入反向系统形成的。在双向CATV系统中，电缆是最容易串入干扰的部件之一。为了使反向系统正常工作需要采用屏蔽衰减高的四屏蔽电缆。本文介绍了四屏蔽电缆的两种测量方法、测量四屏蔽电缆的原理和测量中应注意的问题。对国产和进口四屏蔽电缆屏蔽衰减测量结果进行了分析。
 
　　1　射频同轴电缆屏蔽衰减的两种测量方法
测量射频同轴电缆屏蔽衰减的方法有两种：泄漏法和渗透法。泄漏法是在同轴电缆内产生强电磁场，由于电缆屏蔽不够好，电缆内、外导体间的强电磁场可通过外导体的缝隙泄漏出来。测量泄漏场强来表征电缆的屏蔽衰减，吸收钳法使用的是泄漏法。渗透法是将被测电缆放在均匀电磁场中，由于电缆的外导体有缝隙，电磁场通过缝隙渗透到电缆内部，测量渗透场强也可表征电缆的屏蔽衰减。随着电磁兼容测量设备的发展，用可以产生均匀横向电磁砀的GTEM室来测量电缆的屏蔽衰减。这种测量方法称为GTEM室法，属于渗透法，比吸收钳法复杂。但GTEM室法测量范围为直流-1GHz，比吸收钳测量范围更宽。从理论上讲，GTEM室可以产生的电磁场强度仅与输入信号功率有关，只要功率放大器足够大，就可产生很高的场强。这使GTEM室测量屏蔽衰减的灵敏度大大提高，是一种适合测四屏蔽电缆的较高屏蔽衰减的测量方法。
 
　　2　为什么要用GTEM室法代替吸收钳法来测量四屏蔽电缆呢？
 　　射频同轴电缆屏蔽衰减的测量，由于受测量设备的限制，吸引钳法是最传统的测量方法。这种测量方法设备简单，使用方便，但灵敏度低，通常测量范围在100dB以下。并且，测量频率范围被限制在30MHz以上。 　　随着CATV系统双向传输和多功能运用的发展，出现了四屏蔽电缆，四屏蔽电缆屏蔽衰减更高，一般可达100dB以上，再用吸收钳法测量，已不能准确测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减(因已超过一般吸收钳的最高测量范围)。特别是双向HFC网，反向传输频率范围为(5-65)MHz，必须测量5MHz频率点的屏蔽衰减。这已超出了吸收钳的工作范围，显然，吸收钳法已不能适应四屏蔽电缆屏蔽衰减测量的需要，应用GTEM室法来代替。
 
3　GTEM室法测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减测量原理和测量中应注意的问题 　
    　GTEM小室是根据同轴及非对称矩形传输线原理设计的。为避免内部电磁波的反射及产生高阶模式和谐振，将其设计成尖劈形。输入端采用N型同轴接头，尔后渐变至非对称矩形传输线，以减少因结构突变引起的电波反射。为使其达到良好的阻抗匹配并获得较大的均匀场区，选取并调测合适的角度、芯板高度和宽度。为使球面TEM波从输入端到负载良好传输，并具有良好的高低频特性，终端采用电阻式匹配网络与吸收材料共同组成复合负载。GTEM小室的外观为四棱锥状屏蔽箱。最左边为带N型插座的法兰盘，射频信号从此馈入。侧面有一扇门，可放入或取出被测部件。屏蔽箱底面有电缆插座，可将被测部件内渗透进去的电磁信号引出，以便测量。屏蔽箱底面还有经过滤波的220V交流电源，以便给被测有源器件供电。
 
 　　GTEM小室内电磁场分布。实线为实测的电场强度变化1dB、2dB和3dB的等强度线(从内向外)。而虚线表示电场强度变化1db和2dB的均匀区。
 　　(1)GTEM室测量屏蔽衰减的基本原理
射频信号发生器经功率放大以后，馈送到GTEM室输入端口，在GTEM室内激励起均匀电磁场。将四屏蔽电缆截下30cm长一段，两边作好压接的F型电缆插头。将此电缆一头用屏蔽良好的75Ω负载电阻终结，另一头接到GTEM室中电缆插头上，并保持电缆垂直(与电场平行)。由于，四屏蔽电缆外导体仍有很细小缝隙，GTEM室的强场会渗透到电缆内部。
 
渗透到电缆内部的微弱信号经前置放大器放大后，由频谱分析仪显示出来。 　　GTEM室测量四屏蔽电缆屏蔽衰减的基本原理如下：
30cm长的四屏蔽电缆做上压接式F头以后，电缆有效长度只剩下25cm。25cm长的导体在GTEM室内均匀电磁场中产生的感生电平为电场强度乘以导体长度。四屏蔽电缆外导体有细小缝隙(屏蔽不良)，GTEM室内强的电磁场会渗透到电缆内也会产生渗透感生电平，此电平很微弱需经低噪声高增益的前置放大器放大之后，在频谱分析仪上才能显示出来。频谱分析仪上显示的电平减去前置放大器的增益就得到了四屏蔽电缆内渗透感生电平的大小。25cm长导体在GTEM室的均匀电磁场中产生的感生电平减去四屏蔽电缆内渗透感生电平，就得到四屏蔽电缆的屏蔽衰减。
 
(2)GTEM室法测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减应注意的问题
1)GTEM室内部，四屏蔽电缆到GTEM室引出插座之间连线，最好使用金属外导体的75Ω电缆。以免GTEM室内强电磁场渗透到连线电缆中，影响屏蔽衰减测量准确度。 　　        2)电缆接头和75Ω终结电阻(本身必须屏蔽良好)要拧紧。必要时，应用铜丝布将接头包紧并扎牢，以免GTEM中的强电磁场渗透到被测系统内部。
3)屏蔽衰减测试系统本身的自检。在GTEM室内，将75Ω终结电阻直接接到金属外导体的电缆引线头上，并拧紧、包牢。减屏蔽衰减应在130dB以上，方能证明系统可靠，不会影响四屏蔽电缆120dB左右屏蔽衰减的测量准确度。
4)频谱分析仪以及前置放大器都应单独放在屏蔽室中。不应与射频信号源或功率放大器置同一室中，以免射频信号源或功率放大器泄漏出来的电磁场混入频谱仪或前置放大器中，影响测量准确度。
 
　　4　吸收钳法能否提高灵敏度，降低干扰，也可以测量四屏蔽电缆吗？
吸收钳采取以下较严格的措施可提高灵敏度、降低外界侵入的干扰，可以测量屏蔽衰减达120dB以上。解决了用两种方法：吸收钳法和GTEM室法同时测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减的难题。但采取严格措施的吸收钳法，因要求太高，非一般实验室的条件能满足。不适合用作测量一般四屏蔽电缆的屏蔽衰减。
 
为了能测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减，吸收钳采取了以下措施提高灵敏度、降低外界侵入的干扰。

 　　(1)在吸收钳信号输出端与频谱分析仪之间加前置放大器。
我们选用美国惠普公司生产的高增益、低噪声前置放大器。增益G=32dB，噪声系数NF=2.5dB，频带宽度为9KHz-1GHz。可将吸收钳输出的射频信号提高32dB，从而使屏蔽衰减测量灵敏度提高。
 
(2)降低频谱分析仪中频带宽到30KHz，使频谱分析仪测量灵敏度提高到0dBpV。降低频谱分析仪中频带宽，可降低频谱分析仪固有低噪声电平，提高测量灵敏度。

再选用较高输出电平的射频信号发生器，其输出电平可达127dBpV。

这样，用吸收钳法测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减可达130dB。因为射频信号发生器输出电平127dBpV，再加上前置放大器32dB，这相当于信号电平可达159dB。减去吸收钳的插入衰减为20dB左右和频谱分析仪最大灵敏度0dBpV，可使吸收钳测量四屏蔽电缆屏蔽衰减的最大值可达139dB。
 
(3)将吸收钳法测量四屏蔽电缆的屏蔽衰减系统中，所有电缆接头和负载电阻接头拧紧，并用铜丝布包牢，又使屏蔽衰减测试范围从90dB扩大到120dB。特别是吸收钳射频输出口为BNC头，本身屏蔽衰减不够高，只这个头用铜丝布包牢，扎紧就使系统测量屏蔽衰减范围提高了20dB。
 
(4)射频信号发生器输出电平较高达127dBpV，信号源本身屏蔽不够，有微弱电磁场泄漏到空间，再串入前置放大器或频谱分析仪输入端，从而影响测量高屏蔽衰减的准确度。可将射频信号源放在屏蔽室外，通过电缆将射频信号引入屏蔽室的吸收钳测量屏蔽衰减的外界干扰达6dB，使屏蔽衰减测量范围扩大到126dB。
 
用GTEM室法和吸收钳法测量同一根四屏蔽电缆的屏蔽衰减，其结果GTEM法比吸收钳法测出屏蔽衰减的平均值最多差10dB。这是为什么呢？仔细分析发现：一根四屏蔽电缆上屏蔽衰减有缺欠的地方是局部的。吸收钳法测量屏蔽衰减选用电缆长度为6m，吸收钳在电缆上前、后移动，找出屏蔽衰减最小的点。而GTEM法测屏蔽衰减所取电缆长度为30cm，相当于吸收钳法电缆长度的20分之一。因此，屏蔽衰减最差点出现概率小得多，GTEM法测量出屏蔽衰减往往比吸收钳法高。为了解决这一问题，我们选取一段6m长四屏蔽电缆用吸收钳法测量屏蔽衰减后，用吸收钳找出电缆屏蔽最差的段上截下30cm，再用GTEM室法测量这段四屏蔽电缆的屏蔽衰减。这样，用吸收钳和GTEM室两种方法测出同一根电缆的屏蔽衰减基本一致。
 
测量屏蔽衰减还发现：用吸收钳法测量四屏蔽电缆时，从30MHz-1GHz各频率点测出的最差屏蔽衰减最差位置在电缆上不重合，最多相距1m左右。这又是为什么呢？按常理，四屏蔽电缆在一小段上屏蔽衰减最差点在各个频率应该重合。考虑到另一个因素，射频信号在电缆传播不可能全是行波，由于匹配不够，必然产生驻波。各频率信号在6m长电缆上所形成的驻波，波节和波腹点差开，就会造成上述现象。为了证实这个问题，我们用网络分析仪测了吸收钳法6m电缆信号供应系统：包括信号源送出的50Ω电缆、进屏蔽室用的50Ω两通和50Ω-75Ω阻抗转换器，被测6m长四屏蔽电缆和75Ω终结电阻的反射损耗。该系统反射损耗只有8dB，相当有40％的驻波，这是因为国产器件本身反射损耗就不够高，全部改用进口器件后，系统反射损耗达16dB，驻波只有16％，上述问题圆满解决。
 
　　5　用吸收钳和GTEM室两种方法测量四屏蔽电缆屏蔽衰减的结果与比较
(1)用吸收钳和GTEM室两种方法测量四屏蔽电缆屏蔽衰减的结果
因国产四屏蔽电缆的屏蔽衰减参差不齐，表明了国产同轴电缆屏蔽衰减的范围，而2#为进口四屏蔽电缆。
 
(2)用吸收钳和GTEM室两种方法测量四屏蔽电缆屏蔽衰减测量结果的比较 　　如下：
1)国产最好的四屏蔽电缆，屏蔽衰减的平均值GTEM室比吸收钳高2.8dB，而屏蔽衰减的最小值GTEM比吸收钳高4dB。
2)国产一般的四屏蔽电缆屏蔽衰减的平均值GTEM室比吸收钳高2.6dB，而屏蔽衰减的最小值GTEM室比吸收钳高3dB.
3)进口四屏蔽电缆屏蔽衰减的平均值GTEM室比吸收钳高2.4dB，而屏蔽衰减最小值GTEM室比吸收钳高3dB。
用吸收钳和GTEM室两种方法测四屏蔽电缆，无论是屏蔽衰减的平均值，还是屏蔽衰减的最小值，相差约3dB。这两种测量屏蔽衰减的方法基本是一致的。
 
　　6　四屏蔽电缆屏蔽衰减测量结果的分析
　　国产四屏蔽电缆屏蔽衰减相差较多。通常国产电缆可分为最好、较好和一般三类。国产最好的四屏蔽电缆的屏蔽衰减比进口的还高；而国产较好的四屏蔽电缆比进口的略低，差别不超过3dB。而国产一般的四屏蔽电缆的屏蔽衰减较进口的低6dB以上，其原因分析如下：
(1)通常国产最好的四屏蔽电缆用进口设备生产，原材料质量好，工艺严格，产品质量当然好。从外观上看，这类电缆结构紧密、挺实、外护套光滑柔韧。其特点如下：
1)编织网丝粗、网密
2)编织角标准规定不大于45°，国产最好的四屏蔽电缆编织角都小于45°。 　　        3)四屏蔽电缆外导体的铝箔分粘接和搭接两种。搭接是将铝箔在电缆物理发泡绝缘体上裹上一层，接头处重叠一部分，一般为3mm。粘接是铝箔与物理发泡绝缘体粘在一起。粘接较搭接屏蔽性能更好。国产最好的四屏蔽电缆都采用粘接。
 
(2)国产一般的四屏蔽电缆用国产设备生产，原材料质量差些，产品一般。从电缆外观上看，这类电缆较松软，不挺实，外护套较硬且少光泽。
 　   1)编织网丝细、编织密度小
2)编织角大，通常大于45°，有的甚至超过70°。
3)这类四屏蔽电缆外导体铝箔多采用搭接。
 
(3)小结
国产最好的四屏蔽电缆屏蔽衰减比进口的高6dB以上。而国产较好的同轴电缆与进口的相差不多，通常约低3dB。
 
国产一般的四屏蔽电缆屏蔽衰减比进口的相差较多，通常，低6db以上。