电磁屏蔽薄膜屏蔽效能的测量装置

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

电磁屏蔽材料作为功能性新材料，在高端装备产品、新兴产业装备、关键基础产品中都有着广泛的应用。国家标准GB/T 26667-2011《电磁屏蔽材料术语》[1]把电磁屏蔽薄膜确定为十二大类电磁屏蔽材料中的一大类。电磁屏蔽薄膜通过在基底表面利用电离镀、化学镀、真空沉积等方法制备导电涂层以达到电磁屏蔽效果[2-5]。

屏蔽效能 (Shielding Effectiveness, SE)是表征电磁屏蔽材料屏蔽电磁波能力的重要参数。国内外标准规定的各种法兰同轴测试装置[6-10]，均采用同轴传输线理论[11]。当前检测机构大多采用标准ASTM D4935-2010或GB/T 30142-2013开展屏蔽效能测试。法兰同轴法具有测试速度快、可重复性好等优点，被广泛应用于电磁屏蔽薄膜的屏蔽效能测试。但由于标准ASTM D4935-2010规定的测试频率范围为30 MHz～1.5gHz、GB/T 30142-2013 规定的测试频率范围为 30 MHz～3gHz，测量频率范围窄 ,无法完全满足当前电子设备电磁兼容对更宽频率范围的测试需求。如何提高法兰同轴法测试装置的测量范围，成为当前研究的热点[12-17]。

根据同轴传输线理论，截止频率对法兰同轴法测试装置具有“双重”影响。一方面，截止频率越高，越适用于当前电磁兼容测量需求；另一方面，截止频率越高，对被测材料厚度的要求越“薄”，将影响部分较厚材料的屏蔽效能测试。与其他电磁屏蔽材料相比，电磁屏蔽薄膜在厚度方面具有较大优势，适合采用更宽频段的法兰同轴法测试装置开展测试。

本文提出了一套频率范围 30 MHz～8gHz的法兰同轴测量装置，通过3D仿真软件创新性采用电容补偿和电感补偿技术对装置进行优化设计并加工，满足电磁屏蔽薄膜在更宽频段的屏蔽效能测试。

1 理论及设计

1.1 屏蔽效能测量原理

根据GB/T 26667-2011对屏蔽效能的定义：

在同一激励下的某点上，有屏蔽材料与无屏蔽材料时所测量到的电场强度、磁场强度或功率之比。

式中：SE—— 屏蔽效能（dB）；

H1—— 无屏蔽材料时的磁场强度；

H2—— 有屏蔽材料时的磁场强度；

E1—— 无屏蔽材料时的电场强度；

E2—— 有屏蔽材料时的电场强度；

P1—— 无屏蔽材料时的功率；

P2—— 有屏蔽材料时的功率

法兰同轴法测试装置技术基于同轴传输线传输主模TEM波的原理，电磁波在低于第一高次模截止频率的同轴传输线中只传输TEM波[18]。因此，采用该测试装置能模拟远场平面波的屏蔽效能测试，测试系统如图1所示。

图1 30 MHz～8gHz 法兰同轴法测试系统

1.2 法兰同轴法测试装置的尺寸

法兰同轴法测试装置包括同轴测试夹具、射频同轴接头、过渡连接器、支撑介质等部件（如图2所示）。其中同轴测试夹具由左右对称的两部分组成，两法兰中间放置屏蔽材料。

图2 30 MHz～8gHz 法兰同轴法测试装置

本装置的频率上限为8gHz，因此，需要确定同轴测试夹具内导体半径r1、外导体内径r2的尺寸。其中r1、r2的尺寸需满足下面两个条件[16-17]：

1）同轴测试夹具的特性阻抗z0（50 Ω）保持不变，即r1、r2比值不变；

2）在设备的最大操作频率fmax范围内，只能传播TEM主模。即，fmax需小于第一高次模TE11波的截止频率fc，整理成公式：

通过重新整合式（4）（5），得到

式中：Z0—— 无耗同轴传输线的本征阻抗；

c0—— 真空中的光速；

fc—— 第一高次模TE11波的截止频率；

η0—— 空气中的波阻抗；

r1—— 同轴测试夹具内导体半径；

r2—— 同轴测试夹具外导体内半径

由于同轴测试装置中只传输TEM波，因此第一高次模TE11波的截止频率fc应高于频率上限fmax，工程应用中通常fc＞fmax,取：fc= 8.3gHz

整理计算得到同轴测试夹具的尺寸：

1.3 过渡连接器的选择

在法兰同轴测试装置中，设计的尺寸应满足均匀50 Ω的特性，装置末端为用于连接同轴传输线（10 dB，50 Ω）的N型同轴接头，标准尺寸为外导体内径a2= 3.5 mm，内导体半径a1= 1.52 mm，这就导致N型接头与法兰同轴测试夹具这两部分的尺寸不一致，直接从大尺寸到小尺寸的直接连接，会产生严重的截面突变。

这种截面突变产生的阶梯电容，极大引起TEM波的反射，从而影响整个测试装置的时域阻抗，需要对该突变部分进行适当的修正。通过采用一定长度的过渡段，将两段突变的同轴线采用渐变方式连接将大大减小损耗。常用的过渡方式分为阶梯式和渐变式，其功能都是减小反射，使阻抗达到匹配。直角阶梯过渡不适用于外导体内径与内导体直径比值大的情况；渐变式有锥形、指数型等，指数型曲线理论上引起损耗比锥形小，但数型曲线过渡在加工上会产生一定的难度。为便于加工，本项目采用锥形过渡方式。

1.4 电容补偿与电感补偿

通过锥形过渡连接器，N型同轴接口与法兰测试夹具得到有效的连接，此时，整个装置的框架已基本确定，锥形过渡连接器的具体尺寸对驻波比的影响不一。锥形过渡器的斜率不宜过大或过小，过大则锥形长度太短，截面突变影响严重；过小则锥形过渡器太长，同时内外导体需要绝缘子支撑，过渡段与绝缘子在电磁波传输过程中均会产生损耗。通过仿真，确定了斜率及错位尺寸、绝缘子的电感补偿。本项目建立的仿真模型（见图3），得到了最佳的回波损耗（见图4）。

图3 30 MHz～8gHz法兰同轴测试装置仿真模型

根据ASTM D4935-2011标准中的法兰同轴测试装置仿真模型，在频率范围30MHz～1.5GHz，回波损耗（Return Loss）RL＜-30dB，即电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio,VSWR）＜ 1.2，标准GB/T 30142-2013 中，在频率范围30MHz～3gHz，回波损耗RL＜-30dB，即电压驻波比VSWR＜ 1.2，同轴装置的输入信号视为无损传输。通过本项目研制装置与两种标准法兰同轴装置的仿真数据对比（如图5所示）,可以看出，在频率范围30MHz～8GHz，RL＜-30dB，VSWR＜1.2，满足测试需求。

图4 回波损耗的优化

图5 8gHz 装置与 1.5gHz、3gHz 装置的回波损耗比对

2 实验验证

2.1 装置的加工与测试

根据仿真优化后的理想尺寸，对装置进行加工与装配，左右对称的法兰测试装置通过导轨控制，装置实物如图6所示。

图6 30 MHz～8gHz 法兰同轴测试装置实物

通过矢量网络分析仪（AgilentE8363B）测量后可看到装置的回波损耗RL与驻波比VSWR，从图7可发现，装置实物的驻波比VSWR＜ 1.2，实测曲线与仿真曲线走向一致，实测值与仿真值的差值在10 dB范围内。

图7 8gHz法兰同轴测试装置实测值与仿真值

2.2 电磁屏蔽薄膜屏蔽效能测试与分析

采用标准的镀金聚酯薄膜进行屏蔽效能测试。从图8可知，对于单层镀金聚酯薄膜，薄膜的厚度（d≤ 5 μm），与入射波波长（λmin= 16 mm）相比，可忽略不计。根据Vasquez H[14]等人的观点，可用式（9）判定电磁屏蔽薄膜屏蔽效能与表面电阻率之间的关系。

根据已知测试数据（见表1），在30 MHz频率点下，SE= 42.8 dB，RA= 3.97 Ω，η0= 377 Ω，这些数据进一步验证8gHz法兰同轴测试装置的有效性。

图8 镀金聚酯薄膜厚度测试

表1 电磁屏蔽薄膜法兰同轴法屏蔽效能测试数据

通过本项目研制的8gHz法兰同轴法测试装置与 GB/T 30142-2013规定的 3gHz法兰同轴法测试装置分别进行测试，对标准电磁屏蔽薄膜进行屏蔽效能测试，比对数据曲线见图9。

在 30 MHz～3gHz频率范围内，两者屏蔽效能测试数据接近；对于电磁屏蔽薄膜来说，在30 MHz～8gHz各个频段单位内数据较为平稳。

图9 电磁屏蔽薄膜屏蔽效能测试数据

3 结语

本文通过理论推导、软件仿真与加工制造，研制了一套法兰同轴测试装置，用于测量当前电磁屏蔽薄膜在高频段的屏蔽效能。主要优点在于：

1）装置的测试频率范围覆盖 30 MHz～8gHz，驻波比VSWR＜ 1.2，满足测试要求。

2）创新性采用电容补偿和电感补偿技术，解决由于锥形过度连接器和支撑介质引起的装置不连续性，实现装置的阻抗匹配。

3）加工了法兰同轴测试装置，并采用标准镀金聚酯薄膜对装置进行验证，证明装置的实用性及有效性。

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