快速評估同軸電纜的相對遮罩品質

作者 : Kenneth Wyatt,Wyatt Technical Services總裁暨首席顧問

測試大多數產品的輻射發射,通常需要將所有的I/O和電源線連接到EUT,並依照特定的產品標準展開。在許多情況下,測試工程師只是想抓住最近的電纜,而在一致性測試中獲得最好的結果。不幸的是,劣質電纜可能會由於遮罩效果不好或連接到連接器的遮罩端子不佳(透過「引線」,pigtails,亦稱為尾纖)而導致發射故障。

測試大多數產品的輻射發射,通常需要將所有的I/O和電源線連接到被測設備(EUT),並依照特定的產品標準展開。在許多情況下,測試工程師只是想抓住最近的電纜,而在一致性測試中獲得最好的結果。不幸的是,劣質電纜可能會由於遮罩效果不好或連接到連接器的遮罩端子不佳(透過「引線」,pigtails,亦稱為尾纖)而導致發射故障。

在之前的文章「HDMI Cables and EMI」中,討論了由於遮罩引線而引起的HDMI電纜輻射問題,還以圖形方式在相關的視訊中展示了為什麼電纜遮罩引線會導致輻射發射。

除遮罩引線問題以外,根據成本,同軸電纜的遮罩編織層品質也從緊密到鬆散不等。便宜的電纜可能具有非常寬鬆的編織層,而會使電纜發生訊號進出洩漏,這就可能導致一致性故障,以及故障排除操作期間外部來源的測量污染。高品質的「MIL標準」電纜則通常具有兩層編織遮罩層,因此非常適合發射測試。

特性分析測量

相對遮罩品質

我和我的同事Picotest的Steven Sandler探索了同軸電纜的遮罩特性,他透過將一端連接到頻譜分析儀的輸入並將跨度設置為覆蓋2.4GHz ISM (Wi-Fi/BT)頻段而演示了一種獨特的方法。假設附近有Wi-Fi接入點和電腦,以最大保持模式進行掃描,則可以透過觀察不斷增加的接收訊號水準來輕鬆辨識品質較差的遮罩電纜。遮罩良好的電纜會顯示相對較小的訊號(圖1)。

圖1 此系統框架圖顯示了遮罩品質測量的原理。

直流電阻

另一個重要特性是每個連接器遮罩層之間的低直流電阻。測量直流電阻還可以大致檢查遮罩層的電導率和遮罩層與連接器的焊接情況,並且操作簡便。只需將直流電源設置為1A的限流值,然後將輸出連接到被測電纜的每一端即可(圖2)。輸出電壓可能會下降到一個較低的值,但是沒關係,只要電源設計為恆流工作即可。

圖2 直流電阻測量設置框架圖。

根據歐姆定律,使用數位萬用表(DMM)測量電纜一端到另一端的壓降(mV),就是單位為mΩ的直流電阻,較低的測量電纜直流電阻對於精確的配電網路(PDN)阻抗測量尤其重要。

相對遮罩品質

任何頻譜分析儀都應能很好地顯示出單根同軸電纜的相對遮罩性能特色。但是,由於我們都可以使用內建新Spectrum View選項的Tektronix 6系列示波器,因此可以透過將四根電纜分別連接到四個輸入埠,然後打開每個埠的頻譜分析儀功能來同時檢查它們的遮罩性能。

我有幾根電纜想要了解其特性,其中包括一些標準的BNC跳線和一些高品質的雙遮罩RG-316電纜。我也很好奇Beehive的近場探頭電纜性能如何,因為我在常規的故障排除過程中會廣泛使用它。

由於空閒的陽性連接器端的中心引腳可能會拾取雜散RF訊號,因此,以防萬一,可以選擇使用短路連接器或50Ω終端來進行端接。但是,我發現端接電纜的自由端並沒有改變顯示結果,所以我沒有管它。

頻譜分析儀設置

對於標準的頻譜分析儀,可分別將起始頻率和終止頻率設置為2.4GHz和2.5GHz,將解析度頻寬設置為100kHz,並調整衰減和參考電平,而得到有效的顯示。從技術上講,具有出色遮罩性能的電纜會顯示很少的回應,而遮罩不良的電纜會清楚地顯示Wi-Fi通道附近有藍牙訊號。

Tektronix 4/5/6系列設置(內建Spectrum View)

按兩下每個通道標記,就可以將其打開,然後可以將垂直方向設置為1mV/格,將輸入設置為50Ω。然後打開「頻譜視圖」(Spectrum View)面板,打開分析儀,就可以檢查正常值、最大保持值和平均值。這樣可以提供大約為零的基線,保存最大訊號,並顯示每個通道的實際測量值。可以將水平方向設置為40ns/格,但這不是很關鍵(圖3)。

圖3 使用內建Spectrum View的Tektronix 6系列示波器進行電纜遮罩測試時,應將電纜分開並垂向地面。

然後按兩下頻譜分析儀面板,將跨度設置為100MHz,中心頻率設置為2.45GHz,將解析度頻寬設置為100kHz,其餘的保留為默認設置。一開始測量,我就選擇抓住頻譜顯示和時域顯示之間的中心線,然後將其拉下,而讓四個頻譜顯示成為主導。讓最大保持測量值穩定幾分鐘,就可以顯示最大包絡,從而清楚地顯示藍牙和Wi-Fi通道。

待測電纜

我有多種同軸電纜希望測試——一些舊的HP通用BNC跳線,一根沒有標記的廉價BNC跳線,一些RG-316雙遮罩SMA電纜(利用亞馬遜向賣家購買),一根Beehive的SMA到SMB電纜(我已使用多根進行一般的故障排除),以及Picotest的客製高品質三重遮罩PDN測量電纜。

測量結果

在測試之前,我們可能希望先連接便宜電纜,來瞭解在調整顯示結果時的預期結果。連接1號到4號電纜可獲得圖4所示結果,5號電纜(Picotest)單獨進行測試(圖5)。

圖4 使用內建Spectrum View的Tektronix 6系列示波器測試前四根電纜。

圖5 雖然這裡的垂直量程與其他幾根不同,但Picotest PDN電纜的測量結果與Beehive電纜大致相同。

1.HP BNC跳線——這種電纜可能已有30年的歷史了,但是在典型的HP款式中,其遮罩性能非常好;

2.黑色BNC跳線——這種電纜根本不能很好地工作,可能會導致輻射發射故障,更不用說測量耦合問題了,電纜測得的訊號電平比其他電纜大50dB;

3.亞馬遜購買的RG-316電纜——這種電纜的性能達不到預期,而且我不確定它是否像大多數RG-316電纜一樣採用了雙重遮罩;

4.Beehive探頭電纜——這是性能最好的電纜之一,但不如HP電纜好。這讓我感到驚訝,因為它似乎沒有採用雙重遮罩。但是,最終它接收到的訊號相對較少;

5.Picotest PDN電纜——如預期的那樣,這種三重遮罩電纜是性能更好的電纜。

直流電阻測試

Sandler建議的另一項特性測試,是將電纜遮罩層的每一端簡單地連接至恆定的1A電源(圖6),用數位萬用表測量壓降可直接得到mΩ值。好電纜的最大讀數應小於10~15mΩ,這樣可以同時檢查遮罩層本身,以及遮罩層與連接器的焊接情況。如圖所示,要確保在同軸電纜連接器上進行直流壓降測量,這樣才能忽略兩條連接測試線之間的壓降。

圖6 透過將電源設置為1A恆流,可以直接從DMM讀取直流電阻,本例為22mΩ。

表1顯示了五根被測電纜的測試結果。

表1 每種被測電纜的直流電阻測量結果。

測量結果

黑色BNC跳線和亞馬遜RG-316電纜的直流電阻測量結果很差,非常可疑,說明遮罩層電導率很差和/或遮罩層與連接器的焊接不好。HP電纜的測量結果略優於Picotest電纜,考慮到已經很舊,這就令人驚訝。Beehive和Picotest的電纜均得到出色的結果。

黑色BNC電纜解剖

我很好奇為什麼黑色的BNC跳線與其他測試電纜相比會接收到這麼多訊號,因此我解剖了其中一端(圖7和圖8)。

圖7 把「黑色」的BNC跳線解剖開顯示,它是將一根短的遮罩引線焊接到BNC連接器的接地殼上。

圖8 特寫鏡頭顯示電纜遮罩層的編織非常鬆散,覆蓋率似乎不到40%。

顯而易見,黑色BNC電纜的遮罩品質為何那麼差。儘管電纜確實具有遮罩引線連接,但它非常短。更糟糕的是,遮罩編織層太過鬆散,這就會使中間導體在整個電纜長度上都露出來。我估計覆蓋率不到40%,這是非常差的,90%~98%的覆蓋率就非常好,我永遠不會使用這種電纜進行一致性測試。

總結

用遮罩品質差的電纜進行輻射發射一致性測試,可能具有很高的風險,通常會導致發射故障。使用常用的Wi-Fi和藍牙訊號源進行的簡單遮罩測試,以及DC遮罩電阻測試等特性分析測試,可以快速檢查擬用測試電纜的遮罩品質和連接器焊接情況。

我很高興發現了劣質BNC跳線,也很高興看到Beehive探針電纜、HP和Picotest電纜的性能這麼出色。亞馬遜購買的這根電纜遮罩性能不如HP、Beehive或Picotest,並且其直流電阻也顯示遮罩層與連接器的焊接不良。

(參考原文:Quickly assess relative coax-cable-shielding quality,by Kenneth Wyatt)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年11月號雜誌

 

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