同軸線雙絞線電磁兼容性評(píng)價(jià)及功率吸收鉗法的建立

1、期分類號(hào)一墜一密級(jí)公玨學(xué)號(hào)盟呈。東南大學(xué)碩士學(xué)位論文同軸線雙絞線電磁兼容性評(píng)價(jià)及功率吸收鉗法的建立研究生姓名左韃導(dǎo)師姓名夔全送教授一申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別王堂亟學(xué)科專業(yè)名稱一一掘披曳王王捏一論文提交日期魚堡曼且曼且論文答辯日期星晝壘壘縣壘黽學(xué)位授予單位一塞一贏一太一堂一學(xué)位授予日期鯉魚壘且自答辯委員會(huì)主席蠖照渡班究愚評(píng)閱人一熊照波瑟塞雖一暴激壟一。瑟究愚一年月同軸線雙絞線電磁兼容性評(píng)價(jià)及功率吸收鉗法的建立方耿指導(dǎo)教師蔣全興東南大學(xué)機(jī)械工程系電磁兼容研究室摘要隨著電子、信息、通訊技術(shù)的發(fā)展互連電纜作為傳輸媒質(zhì)越來越廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)電設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。電纜自身雖然并不會(huì)主動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生干擾但隨著使用頻率地

2、提高電纜的電磁兼容性也周其連接的設(shè)備儀器一樣日益成為突出的問題。在高頻傳輸電纜中同軸線的電磁兼容性用屏蔽衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)雙絞線的電磁兼容性可用耦合衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)。同軸線屏蔽衰減也可咀通過測(cè)量表面轉(zhuǎn)移阻抗問接描述比較常用的測(cè)試射頻同軸電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的典型方法有三同軸法、線注入法等測(cè)試電纜屏蔽衰減的典型方法則包括功率吸收鉗法擴(kuò)展式三同軸法吸收鉗注入法、混波室法、喇小室法等取絞線的藕合衰減是一個(gè)較新的參數(shù)主要由屏蔽衰減和不平衡衰減兩部分組成其比較通用的測(cè)試方法源自同軸線屏蔽衰減測(cè)試主要有三同軸法功率吸收鉗法等。本文從射頻同軸電纜屏蔽衰減和表面轉(zhuǎn)移阻抗的各種典型測(cè)量方法入手。分析了傳輸電纜電磁兼容性的各種

3、測(cè)試方法的原理和特點(diǎn)設(shè)計(jì)和加工了功率吸收鉗法的測(cè)試裝置并討論了有關(guān)裝置和測(cè)量時(shí)的一些問題對(duì)電纜測(cè)試具有一定的研究?jī)r(jià)值和工程意義。關(guān)鍵詞功率吸收鉗法三同軸法線注入法混波室法表面轉(zhuǎn)移阻抗屏蔽衰減耦臺(tái)衰減腳曲瓤協(xié)“丁邵明伽“血曲東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)聲明東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果盡我所知。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所傲的任伺貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生

4、簽名盔舀盤日期絲生東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保竄本人所遙交學(xué)位論文的復(fù)印侔和電子文檔可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外允許論文被查閱和借閱可以公布包括刊登論文曲全部或部分內(nèi)容。論文的公布包括刊登授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名立置盤導(dǎo)師簽名第一章緒論論文的研究背景及意義第一章緒論隨著電子通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大量應(yīng)用電磁兼容性受到人們的大量關(guān)注與之相關(guān)的理論體系、測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)逐漸建立。在這當(dāng)中人們往往比較關(guān)注設(shè)備儀器的電磁兼容性面連接儀器之問用作傳送電信號(hào)的傳輸線的電磁兼容

5、性容易被忽視。事實(shí)上隨著實(shí)際應(yīng)用中工作頻率的不斷升高傳輸線三【及連接器件之闖所存在的分布參數(shù)將產(chǎn)生線問的干擾串?dāng)_及輻射干擾傳輸速率越高信號(hào)的脈沖上升前沿越陡電纜越長(zhǎng)串?dāng)_及輻射干擾就越嚴(yán)重。再加上復(fù)雜電子系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境非常惡劣致使電纜與連接器受到外界干擾的影響也就越嚴(yán)重。大量的理論及工程實(shí)踐表明在現(xiàn)代的工程系統(tǒng)里互連電纜是電磁兼容性最為薄弱的環(huán)節(jié)之一是一個(gè)各行業(yè)都遇到的共性問題。其設(shè)計(jì)的不合理往往是造成系統(tǒng)電磁兼容性妣甚至防信息泄漏性能不合格的主要原因。事實(shí)上無論是在電力電子還是遠(yuǎn)訊兩絡(luò)系統(tǒng)中作為整個(gè)系統(tǒng)的部分電纜都是外界電磁環(huán)境與系統(tǒng)相互作用的重要因素。根據(jù)木桶效應(yīng)連接電纜的電磁兼容性不好

6、必然引起整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性的降低。在實(shí)際操作中這往往容易忽視而成為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電子設(shè)備都容易設(shè)計(jì)成具有較高屏蔽效能的金屬殼而連上電纜后電纜就成為了外界和系統(tǒng)的通道甚至干擾源和信息泄漏口。這樣的例子很多卻容易被人忽視。我們實(shí)驗(yàn)室曾對(duì)某研究所某型號(hào)的控制機(jī)箱做過測(cè)試單個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能很好可當(dāng)用電纜與負(fù)載相連后屏蔽效能卻下降得很厲害并且連上各種電纜比如平行雙線雙絞線屏蔽線等所測(cè)得的結(jié)果也是大相徑庭甚至有時(shí)比敞開連接線接口更差此時(shí)連接電纜還起了接收天線的作用?？梢婋娎|作為系統(tǒng)一部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電磁兼容性的重要性。圖為設(shè)備和傳輸緩構(gòu)成的簡(jiǎn)單系統(tǒng)的示意圖連接件機(jī)糟機(jī)犯一傳輔絨圉現(xiàn)代設(shè)備互連幕

7、統(tǒng)示意盟眾所周知傳送較高頻率的傳輸媒質(zhì)主要有同軸電纜、雙絞線、波導(dǎo)和光纖等。作為傳輸用的線纜同軸線廣泛應(yīng)用于射頻視頻、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域雙絞線則隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展頻率帶寬和傳送速率的不斷提高從主要用于音頻傳輸?shù)浆F(xiàn)在成為主要的傳送媒質(zhì)從最初的一類二類三類線發(fā)展到現(xiàn)在的五類六類甚至七類線。對(duì)于電纜電磁兼容性的評(píng)價(jià)可以追溯至最初對(duì)屏蔽電纜理論的研究從低頻到高頻從電短到電長(zhǎng)。從集中參數(shù)到傳輸線理論產(chǎn)生出了轉(zhuǎn)移阻抗轉(zhuǎn)移導(dǎo)納的概念。同軸線的電磁兼容性主要啦屏蔽衰減進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)于雙絞線電磁兼容性的評(píng)價(jià)近幾年提出了耦合衰減的概念。電磁兼容是一門重視測(cè)量的學(xué)科電磁兼容性的評(píng)價(jià)主要基于鋇懂結(jié)果所以測(cè)量對(duì)于電磁兼容至關(guān)重要。

8、為了盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量出傳輸電纜的電磁兼容參數(shù)作為工程上評(píng)定、比較、設(shè)計(jì)、使用的參考隨著電纜相關(guān)理論的發(fā)展和應(yīng)用國(guó)際上逐漸出現(xiàn)了各種不同測(cè)試方法。對(duì)于同軸電纜的屏蔽效能在許多情況下也可以通過射頻同軸電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗來間接描述同軸電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗越小則其屏蔽效能越好?，F(xiàn)在比較常用的測(cè)試同軸電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的典型方法有三同軸法、線注入法等測(cè)試電纜屏蔽衰減的典型方法則包括功率吸收鉗法擴(kuò)展式三同軸法吸東南大學(xué)碩士學(xué)位論文收鉗注入法、混波室法、唧小室法等其中后兩種方法基于場(chǎng)的疆點(diǎn)而其宅方法則基于電路的觀點(diǎn)。雙絞線由于是平衡傳輸線且特性阻抗不同于同軸線對(duì)于雙絞線耦合衰減的測(cè)量則是在同軸電纜的測(cè)試方法上演

9、化而來目前主要有功率吸收鉗法和三同軸法。在上述的方法中有的已經(jīng)被相關(guān)嗣際標(biāo)準(zhǔn)所采用有的被地方標(biāo)準(zhǔn)所采用有的被列入草案有的則還未獲得公認(rèn)并且相關(guān)的一些研究也在進(jìn)行中。事實(shí)上由于各種方法原理不盡相同用各種方法測(cè)出的值也不完全一致各種方法之間雖然存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系但諸多關(guān)系并未明朗。當(dāng)然各種測(cè)試方法的使用頻率范圍動(dòng)態(tài)范圍等也是工程技術(shù)人員和研究人員關(guān)注和致力研究的問題。論文的主要研究?jī)?nèi)容屏蔽衰減和耦合衰減分別是周軸線和雙絞線的電磁兼容性參數(shù)有多種方法可以測(cè)量其值。本論文從分析傳輸電纜的屏蔽理論入手根據(jù)射頻同軸電纜的特點(diǎn)在同軸電纜外假設(shè)一同軸導(dǎo)體的等效電路引入轉(zhuǎn)移阻抗根據(jù)傳輸線理論引出同軸電纜的轉(zhuǎn)移阻

10、抗和屏蔽衰減據(jù)此對(duì)各種測(cè)試方法進(jìn)行研究。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和特點(diǎn)設(shè)計(jì)并加工了功率吸收鉗法測(cè)試裝置論述了其校準(zhǔn)和測(cè)試方法以及注意事項(xiàng)并對(duì)不同射頻同軸電纜進(jìn)行了測(cè)量、比較得出了一些比較有意義的結(jié)論。功率吸收鉗法還可進(jìn)行雙絞線耦臺(tái)衰減的測(cè)量其實(shí)際測(cè)量要加一個(gè)性能要求極高的削進(jìn)行不平衡一平衡變換和阻抗變換本文對(duì)雙絞線的耦合衰減方面進(jìn)行了一些分析和論述。此外介紹和論述了其他幾種方法進(jìn)行了相關(guān)的分析和測(cè)量對(duì)各自的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。論文結(jié)構(gòu)安排第一章是緒論介紹了論文的相關(guān)背景第二章介紹了同軸線和雙絞線的結(jié)構(gòu)吾和應(yīng)用尤其是相關(guān)的特性參數(shù)第三章闡述了轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減和耦合衰減的測(cè)試原理測(cè)試參數(shù)的實(shí)質(zhì)性意義和各種測(cè)試

11、方法第四章重點(diǎn)介紹了功率吸收鉗法的設(shè)計(jì)和制作第五章是功率吸收鉗法的測(cè)量和相關(guān)問題的討論第六章是總結(jié)。第二章同軸線和雙紋線同軸線第二章同軸線和雙絞線同軸線也就是同軸電纜是一種常見的傳輸媒質(zhì)由于由芯線和屏蔽網(wǎng)筒構(gòu)成的兩根導(dǎo)體的軸心是重合的故稱同軸線或同軸電纜。其使用頻率可以從直流到高頻幾個(gè)吉赫茲好的同軸電纜可以達(dá)到更高的使用頻率。廣泛使用于射頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。特性阻抗有和兩種特性阻抗的確定主要是考慮了功率容量和衰減而產(chǎn)生兩種特性阻抗是由歷史原因造成的而不是技術(shù)原因或生產(chǎn)廠家。同軸線的結(jié)構(gòu)和特性。卿鼎卿圖一典型的同軸電纜示意圖同軸線結(jié)構(gòu)如圖所示由內(nèi)導(dǎo)體絕緣層屏蔽層和護(hù)套構(gòu)成”。內(nèi)導(dǎo)體在最

12、中間一般是銅或銅合金的實(shí)線或絞合線或者鍍銅鋁棒、銅包鋼線也有考慮高頻信號(hào)的集膚效應(yīng)采用空心銅管的以便于散熱和節(jié)省材料絕緣介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)體外面包裹著絕緣材料絕緣介質(zhì)可阻采用聚乙烯、聚丙烯聚氯乙烯、聚四氟乙烯和氟塑料等常用的絕緣介質(zhì)是損耗小、工藝性能好的聚乙烯現(xiàn)在要求高的采用物理發(fā)泡聚乙烯具有優(yōu)良的高頻性能、衰減低、一致性好、不易受潮等優(yōu)點(diǎn)其它還有實(shí)芯、化?蕁煽拙垡蟻鵲兔芏鵲腦蚓哂心透呶碌扔諾閆簾尾鬩簿褪峭獾繼逵興刈饔盟茸魑浠羋返囊桓?a name=baidusnap1導(dǎo)線又具有屏蔽作用。屏蔽層是筒狀或編織的良導(dǎo)體以編織銅線居多對(duì)編織網(wǎng)的屏蔽層有編織角、編織系數(shù)、編織密度等參數(shù)屏蔽層考慮到屏蔽效果和成本

13、制造工藝等屏蔽層有撮多結(jié)構(gòu)樣式護(hù)套最外層包裹的稱為護(hù)套材料是聚氯乙烯或累乙烯等。同軸線內(nèi)導(dǎo)體和屏蔽層之間距離恒定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳輸較高頻率信號(hào)時(shí)不易發(fā)生反射。其屏蔽層可以保護(hù)內(nèi)芯傳輸?shù)男盘?hào)不受外界電磁噪聲的干擾并且可以避免信號(hào)在傳輸時(shí)向外產(chǎn)生電磁干擾在射頻和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域被大量用來傳輸模擬和數(shù)字信號(hào)如射頻儀器連接、雷達(dá)、移動(dòng)、數(shù)據(jù)、話音、視頻、多媒體信息等。同軸線可以傳輸?shù)念l段很廣所以有相當(dāng)丈的帶寬衰毳較小。能傳輸較長(zhǎng)距離。同軸線命名規(guī)則在我國(guó)同軸線有一定的命名規(guī)則同軸線的命名反映了其一定特性和部分性能指標(biāo)一般命名順序?yàn)榉诸惔?hào)一絕緣介質(zhì)材料代號(hào)一護(hù)套材料代號(hào)一派生特性一特征阻抗一絕緣介質(zhì)芯線外徑整數(shù)

14、東南大學(xué)硬士學(xué)位論文值一屏蔽層其中分類代號(hào)代表同軸射頻代表射頻對(duì)稱電纜代表特種射頻電纜。因此同軸電纜的分類編號(hào)一般均為絕緣介質(zhì)材料代表聚乙烯、代表聚四氟乙烯、代袁橡皮代表穩(wěn)定聚乙烯、代表聚乙烯空氣、代表氟塑料空氣護(hù)套材料代號(hào)代表聚氯厶稀、代表聚乙烯、代表物理發(fā)泡代表錫銅、代表氟塑料派生特性代表綜合組合電纜多芯、代表多芯再加一層屏蔽鎧裝特征阻抗、絕緣介質(zhì)芯線外徑整數(shù)值以毫米為單位、屏蔽層一般屏蔽層有一層、兩層、三層及四層。根據(jù)以上規(guī)則就表示絕緣層材科是聚乙烯、護(hù)套材料是聚氯乙烯、特性阻抗是、絕緣介質(zhì)外徑是屏蔽層是一層的射頻同軸電纜。同軸線的特性參數(shù)電纜的特性參數(shù)一般包括材料和結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械特性、

15、熱特性、電氣特性等同軸電纜的材料和結(jié)構(gòu)特性有絕緣或電纜截面的橢圓度介質(zhì)偏心度、碳黑含量等等機(jī)械和熱特性包括介質(zhì)附著力、電纜舶抗拉強(qiáng)度、抗壓性能、耐磨性、耐熱沖擊等等電氣特性包括導(dǎo)體電阻、介質(zhì)耐壓、傳播速度、回波損耗、衰減常數(shù)、功率容量等等此外還有耐火的燃燒特性咀及表征電磁兼容特性的轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減等下面對(duì)同軸電纜幾個(gè)比較重要的特性特別是和屏蔽衰減相關(guān)的特性再展開簡(jiǎn)要敘述特性阻抗盯同軸電纜的主體是由內(nèi)、井兩導(dǎo)體構(gòu)成的對(duì)于導(dǎo)體中流動(dòng)的電流存在著電阻與電感對(duì)導(dǎo)體問的電壓存在著電導(dǎo)與電容這些特性是沿線路分布的稱為分布常數(shù)若單位長(zhǎng)度的電阻電感、電導(dǎo)、電容分別以盂工表示則其特性阻抗為顯然特性阻抗隨頻率不

16、同而不同。如果我們假定內(nèi)、外導(dǎo)體都是理想導(dǎo)體。不計(jì)則后乙捂鏨一勻式中口分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)“分別是同軸線內(nèi)導(dǎo)體的半徑和外導(dǎo)體內(nèi)半徑”即和忽略可見此時(shí)特性阻抗與頻率無關(guān)完全取決于電纜的電感和屯容而電感和電容取決于導(dǎo)體材料、內(nèi)外導(dǎo)體問的介質(zhì)和內(nèi)外導(dǎo)體直徑所以對(duì)于一定的對(duì)于一定的材料只要選定不同的、就能產(chǎn)生不同型號(hào)的特性阻抗為或的同軸電纜。但由于在制造中尺寸精度和介質(zhì)材料純度不均勻的影響同軸電纜特性阻抗會(huì)在或的上下浮動(dòng)稱為公差范圍比如公差為士、士、士等等。一般視的特性阻抗為標(biāo)稱特性阻抗值為防止產(chǎn)生信第二章同軸線和跟絞線號(hào)能量反射達(dá)到最好的傳輸效果終端負(fù)載阻抗也戌盡量等于電纜的特性阻抗特性阻抗

17、可以用時(shí)域反射計(jì)四、網(wǎng)絡(luò)分析儀、矢表或阻抗電橋捌量。回波損耗回波損耗是傳輸線和線性二端口網(wǎng)絡(luò)問題經(jīng)常用到的概念回波損耗又稱回程損耗或反射損耗表示了入射信號(hào)和反射信號(hào)的關(guān)系一般用厶表示上。式中為入射信號(hào)為反射信號(hào)為反射系數(shù)。在同軸線中回波損耗表征了同軸線在頻域內(nèi)的阻抗均勻性內(nèi)外導(dǎo)體間距離的恒定對(duì)小的回波損耗是重要的?；夭〒p耗值可以通過電橋電路測(cè)量反射系數(shù)得到也可以使用定向耦合器分離入射波反射波得到簡(jiǎn)單的可以使用矢量標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析。傳播速度時(shí)傳播速度或相對(duì)傳播速度或速比。都是表征了電磁渡在線纜中傳播的速度相對(duì)傳播速度和速比是電磁波在線纜中傳播速度與自由空間中速度的比值。我們知道。電磁波在自由空間的傳播速度是但是在有介質(zhì)的環(huán)境中其傳播速度會(huì)變小為雄。其值取決于介質(zhì)的參數(shù)。傳播速度可通過介質(zhì)參?蠹撲鬩部梢醞庇蚍瓷浼撇飭俊跆匭運(yùn)跏塹繢輪械囊桓鮒鼗商匭醞嵯叩乃跤盟醭硎炯吹懷熱緄繢露孕藕潘醯姆直詞藕旁諭岬繢呂锎涫鋇乃撓脛苤岬繢碌某嘰紜櫚緋髕德視噓嵯叩乃跤幸恍躺系募撲愎剿醭胄