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教你一招无损检测同轴电缆的屏蔽质量

2020-11-13 15:05:50 Kenneth Wyatt 阅读:
测试大多数产品的辐射发射,通常需要将所有的I/O和电源线连接到被测设备,并按照特定的产品标准铺开。通常,测试工程师只是想抓住最近的电缆,而在一致性测试中获得最好结果。不幸的是,劣质电缆可能会由于屏蔽效果不好或连接器所连屏蔽端子不佳而导致发射故障。

测试大多数产品的辐射发射,通常需要将所有的I/O和电源线连接到被测设备(EUT),并按照特定的产品标准铺开。在许多情况下,测试工程师只是想抓住最近的电缆,而在一致性测试中获得最好的结果。不幸的是,劣质电缆可能会由于屏蔽效果不好或(通过“尾纤”)连接到连接器的屏蔽端子不佳而导致发射故障。lrlednc

在之前的文章中,我讨论了由于屏蔽尾纤而引起的HDMI电缆辐射问题(参考资料1)。还以图形方式在参考资料2的视频中演示了为什么电缆屏蔽尾纤会导致辐射发射。lrlednc

除屏蔽尾纤问题以外,根据成本,同轴电缆的屏蔽编织层质量也从紧密到松散不等。便宜的电缆可能具有非常宽松的编织层,而会使电缆发生信号进出泄漏。这就可能导致一致性故障,以及故障排除操作期间外部来源的测量污染。高质量的“MIL标准”电缆则通常具有两层编织屏蔽层,因此非常适合发射测试。lrlednc

表征测量

相对屏蔽质量lrlednc

我和我的同事Picotest的Steven Sandler探索了同轴电缆的屏蔽特性,他通过将一端连接到频谱分析仪的输入并将跨度设置为覆盖2.4GHz ISM(Wi-Fi/BT)频段而演示了一种独特的方法。假设附近有Wi-Fi接入点和计算机,以最大保持模式进行扫描,则可以通过观察不断增加的接收信号水平来轻松识别质量较差的屏蔽电缆。屏蔽良好的电缆会显示相对较小的信号(图1)。lrlednc

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图1:此系统框图显示了屏蔽质量测量的原理。lrlednc

直流电阻lrlednc

另一个重要特性是每个连接器屏蔽层之间的低直流电阻。测量直流电阻还可以大致检查屏蔽层的电导率和屏蔽层与连接器的焊接情况,并且操作简便。只需将直流电源设置为1A的限流值,然后将输出连接到被测电缆的每一端即可(图2)。输出电压可能会下降到一个较低的值,但是没关系,只要电源设计为恒流工作即可。lrlednc

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图2:直流电阻测量设置框图。lrlednc

根据欧姆定律,使用数字万用表(DMM)测量电缆一端到另一端的压降(mV),就是单位为mΩ的直流电阻。较低的测量电缆直流电阻对于精确的配电网络(PDN)阻抗测量尤其重要(参考资料3)。lrlednc

相对屏蔽质量

任何频谱分析仪都应能很好地表征单根同轴电缆的相对屏蔽性能。但是,由于我们都可以使用带新Spectrum View选项的泰克(Tektronix)6系列示波器,因此我们可以通过将四根电缆分别连接到四个输入端口,然后打开每个端口的频谱分析仪功能来同时检查它们的屏蔽性能。lrlednc

我有几根电缆想要表征,其中包括一些标准的BNC跳线和一些高质量的双屏蔽RG-316电缆。我也很好奇Beehive的近场探头电缆性能如何,因为我在常规的故障排除过程中会广泛使用它。lrlednc

由于空闲的阳性连接器端部的中心引脚可能会拾取杂散RF信号,因此,以防万一,可以选择使用短路连接器或50Ω终端来进行端接。但是,我发现端接电缆的自由端并没有改变显示结果,所以我没有管它。lrlednc

频谱分析仪设置lrlednc

对于标准的频谱分析仪,可分别将起始频率和终止频率设置为2.4GHz和2.5GHz,将分辨率带宽设置为100kHz,并调整衰减和参考电平,而得到有效的显示。从技术上讲,具有出色屏蔽性能的电缆会显示很少的响应,而屏蔽不良的电缆会清楚地显示Wi-Fi通道附近有蓝牙信号。lrlednc

泰克4/5/6系列设置(带Spectrum View)lrlednc

双击每个通道标记,就可以将其打开,然后可以将垂直方向设置为1mV/格,将输入设置为50Ω。然后打开“频谱视图”面板,打开分析仪,就可以检查正常值、最大保持值和平均值。这样可以提供大约为零的基线,保存最大信号,并显示每个通道的实际测量值。可以将水平方向设置为40ns/格,但这不是很关键(图3)。有关此示波器的更多信息,可参见参考资料4。lrlednc

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图3:使用带Spectrum View的泰克6系列示波器进行电缆屏蔽测试时,应将电缆分开并垂向地面。lrlednc

然后双击频谱分析仪面板,将跨度设置为100MHz,中心频率设置为2.45GHz。将分辨率带宽设置为100kHz,其余的保留为默认设置。一开始测量,我就选择抓住频谱显示和时域显示之间的中心线,然后将其拉下,而让四个频谱显示成为主导。让最大保持测量值稳定几分钟,就可以显示最大包络,从而清楚地显示蓝牙和Wi-Fi通道。lrlednc

待测电缆lrlednc

我有多种同轴电缆希望测试——一些旧的HP通用BNC跳线,一根没有标记的廉价BNC跳线,一些RG-316双屏蔽SMA电缆(通过亚马逊从卖家购买),一根Beehive的SMA到SMB电缆(我已使用多根进行一般的故障排除),以及Picotest的定制高质量三重屏蔽PDN测量电缆。lrlednc

测量结果lrlednc

在测试之前,我们可能希望先连接便宜电缆,来了解在调整显示结果时的预期结果。连接1号到4号电缆可获得图4所示结果。5号电缆(Picotest)单独进行测试(图5)。lrlednc

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图4:使用带Spectrum View的泰克6系列示波器测试前四根电缆。lrlednc

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图5:虽然这里的垂直量程与其他几根不同,但Picotest PDN电缆的测量结果与Beehive电缆大致相同。lrlednc

1. HP BNC跳线——这种电缆可能已有30年的历史了,但是在典型的HP款式中,其屏蔽性能非常好。lrlednc

2.黑色BNC跳线——这种电缆根本不能很好地工作,可能会导致辐射发射故障,更不用说测量耦合问题了。电缆测得的信号电平比其他电缆大50dB。lrlednc

3.亚马逊购买的RG-316电缆——这种电缆的性能达不到我的预期,而且我不确定它是否像大多数RG-316电缆一样采用了双重屏蔽。lrlednc

4.Beehive探头电缆——这是性能最好的电缆之一,但不如HP电缆好。这让我感到惊讶,因为它似乎没有采用双重屏蔽。但是,最终它接收到的信号相对较少。lrlednc

5.Picotest PDN电缆——如预期的那样,这种三重屏蔽电缆是种性能更好的电缆。lrlednc

直流电阻测试

Sandler建议的另一项特性测试,是将电缆屏蔽层的每一端简单地连接至恒定的1A电源(图6)。用数字万用表测量压降可直接得到mΩ值。好的电缆的最大读数应小于10至15mΩ。这样可以同时检查屏蔽层本身,以及屏蔽层与连接器的焊接情况。如图所示,要确保在同轴电缆连接器上进行直流压降测量,这样才能忽略两条连接测试线之间的压降。lrlednc

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图6:通过将电源设置为1A恒流,可以直接从DMM读取直流电阻,本例为22mΩ。lrlednc

表1显示了五根被测电缆的测试结果。lrlednc

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表1:每种被测电缆的直流电阻测量结果。lrlednc

测量结果lrlednc

黑色BNC跳线和亚马逊 RG-316电缆的直流电阻测量结果很差,非常可疑,说明屏蔽层电导率很差和/或屏蔽层与连接器的焊接不好。HP电缆的测量结果略优于Picotest电缆,考虑到已经很旧,这就令人惊讶。Beehive和Picotest的电缆均得到出色的结果。lrlednc

黑色BNC电缆解剖lrlednc

我很好奇为什么黑色的BNC跳线与其他测试电缆相比会接收到这么多信号,因此我解剖了一端(图7图8)。lrlednc

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图7:把“黑色”的BNC跳线解剖开表明,它是将一根短的屏蔽尾纤焊接到BNC连接器的接地壳上。lrlednc

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图8:特写镜头显示电缆屏蔽层的编织非常松散,覆盖率似乎不到40%。lrlednc

显而易见,黑色BNC电缆的屏蔽质量为何那么差。尽管电缆确实具有屏蔽尾纤连接,但它非常短。更糟糕的是,屏蔽编织层太过松散,这就会使中间导体在整个电缆长度上都露出来。我估计覆盖率不到40%,这是非常差的。90%到98%的覆盖率就非常好。我永远不会使用这种电缆进行一致性测试。lrlednc

总结

用屏蔽质量差的电缆进行辐射发射一致性测试,可能具有很高的风险,通常会导致发射故障。使用常用的Wi-Fi和Bluetooth信号源进行的简单屏蔽测试以及DC屏蔽电阻测试等表征测试,可以快速检查拟用测试电缆的屏蔽质量和连接器焊接情况。lrlednc

我很高兴发现了劣质BNC跳线,也很高兴看到Beehive探针电缆、HP和Picotest电缆的性能这么出色。亚马逊购买的这根电缆屏蔽性能不如HP、Beehive或Picotest,并且其直流电阻也表明其屏蔽层与连接器的焊接不良。lrlednc

Kenneth WyattWyatt Technical Services公司的总裁兼首席顾问。lrlednc

参考资料

  1. HDMI Cables and EMI, Wyatt, Interference Technology
  2. Pigtail Demo (video), Wyatt Technical Services, LLC
  3. PDN Cable, Picotest
  4. Tektronix Oscilloscopes

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Quickly assess relative coax-cable-shielding quality,由赵明灿编译。)lrlednc

本文为《电子技术设计》2020年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里lrlednc

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