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Aug 16, 2023

最大 2.8 GHz のシールド ケーブルから最適な EMC を得る、パート 2

Nella prima parte di questo articolo ho parlato delle origini del mio viaggio verso la valutazione.

この記事のパート 1 では、シールド 1 ケーブルのシールド効果 (SE) を評価するという私の旅の原点を共有し、ケーブル シールドの終端に関するいくつかの基本的なルールについて説明しました。 パート 2 では、高周波アプリケーションで使用される遮蔽ケーブルのシールド効果を向上させるためのさまざまなアプローチに関して最近行ったテストと、そのテストの結果を要約します。

1 この記事の文脈では、次の言葉が使用されます。 スクリーン、またはスクリーニングをシールドに置き換えることもできます。 意味は変わりませんが、それぞれシールド、またはシールド、およびその逆も同様です。

注: これらすべてのケーブルのオーバーブレイドは、単層か二層かに関係なく、両端で同じ方法でバックシェルにクランプされた同じタイプの編組を使用しています。

単一のオーバーブレイドを単独で使用し、テストのノイズ フロアが十分に低いことを確認します。

図 4: 基準測定用のケーブル アセンブリと、単一の編組を備えた単一編組シールド TP ケーブル (つまり、合計 2 つの編組シールド層) のケーブル アセンブリ

単体のシールドなしツイストペア (TP) ケーブル (実際には、ケーブル 3 ～ 6 を組み立てるのに使用される単一編組シールド TP ケーブルから、外側のプラスチック ジャケットとシールドが取り外されたもの)。

このケーブルの測定結果は、他のケーブル テスト (ケーブル 3 ～ 12) のそれぞれの測定結果から差し引かれる基準として使用され、相対的な SE 対周波数を決定しました。

テスト設定全体を注意深く制御することで、アンテナからケーブルへの RF 結合と室内共振効果がすべてのテストで同一となり、それらが相殺されるようにしました。 結果は、これに関してはかなり成功していることを示しました。

注: これらのケーブルと以下のケーブル 6、10、11、および 12 はすべて、同じタイプのシングル シールド TP ケーブルを使用しました。

注: これら 4 つのケーブルと上記のケーブル 3、4、および 5 はすべて、同じタイプのシングル シールド TP ケーブルを使用しました。

図 5: 二重編組シールド (つまり、合計 3 つの編組シールド層) を備えた単一編組シールド TP ケーブルを備えたケーブル アセンブリ

注: これら 2 つのケーブルは両方とも同じタイプの二重編組シールド TP ケーブルを使用しました。

図 6: 二重編組シールド付き TP ケーブル (つまり、合計 4 つの編組シールド層) を備えたケーブル アセンブリ

ケーブル アセンブリ (つまり、ケーブルとそのコネクタ) の SE をテストする方法は数多くあり、同一のケーブル アセンブリであってもそれぞれ異なる結果が得られることが予想されます。 そこで、私が最も関心のある状況を最もよく表し、その時点で利用可能な設備とリソースを使って最も簡単かつ迅速に実行できるテスト方法を選択しました (図 7、8、および 9 を参照)。

図 7: テスト設定の概略

図 8: ケーブルの測定例。テスト チャンバーの壁にあるバルクヘッド コネクタ パネル上のバルクヘッドに取り付けられたコネクタへの接続を示しています。

図 9: ケーブルへの RF の注入を示すケーブルの測定例

この方法における最悪の欠陥は、一貫性と再現性を注意深く制御し、基準の非シールド TP ケーブルであるケーブル 2 の測定値から各ケーブル アセンブリの測定結果を差し引くことによって相殺されました (上記および図 4 を参照)。

テスト チャンバーはかつては安全な通信のための大型 TEMPEST チャンバーでしたが、長い間保管庫として使用されていました。

スペクトラム アナライザ、最大 6 GHz まで有効なニアフィールド RF プローブ、および Tek ボックス TBCG1 放射コム発生器 (100 MHz ～ 6 GHz) を使用すると、RF 漏れを特定して修正するのに時間はかかりませんでした (ドアの周りの腐食したスプリング フィンガー、 RF 抑制なしで持ち込まれた電話線）。 コネクタ パネル (図 8 に表示) が設計、製造され、チャンバー壁に開けられた穴に取り付けられ、最大 6 GHz の RF リークもチェックされました。

私は無響室かモード撹拌室のどちらかを希望していましたが、少なくとも金属製のラックと室内に保管されていた機器により、主要な共振モードのほとんどが破壊されました。 また、無響 EMC 試験室から残ったフェライト タイルの破片を数枚使用すれば、残っている最悪の定在波に対処するのに十分でした。

私は SE の絶対値には興味がなく、どのケーブル設計/組み立て方法が SE にとって最適であるかということだけに興味がありました。 言い換えれば、相対的なSEのパフォーマンスです。 私は、編組シールド ケーブル、または個別にシールドされた TP ケーブルを少なくとも 1 本含むケーブル バンドルに関する一般的なガイダンス ルールを抽出したいと考えていました。

これを達成するために、上で簡単に説明した不完全なテスト設定を使用して、最初にヌル ケーブル (ケーブル 1、図 4 を参照) を測定しました。 単なる空のオーバーブレードであるため、測定により、アンテナからバルクヘッドに取り付けられたシールド コネクタの CM 測定ピンへの漏れが特定されました。これには、すべてのチャンバーおよびパネルの漏れが含まれ、オーバーブレードとそのシールド結合に固有の漏れも含まれていました。ケーブル コネクタ、およびケーブル コネクタからバルクヘッドに取り付けられたシールド コネクタまで。 この測定では、漏れが両方の周波数範囲で測定ノイズ フロア以下であることが示されました。

次に、基準ケーブルであるケーブル 2 を測定しました。 これは、図 4 に示すように、以前に詳細に説明したように、それ自体が非シールド ツイストペア (TP) ケーブルでした。

この記事で報告する 2 つの周波数範囲をカバーするために、1 つは 100MHz ～ 1GHz で動作し、もう 1 つは 800MHz ～ 2.8GHz で動作する 2 つの異なる RF パワー アンプが使用され、各アンプに対して上記のヌル テストとリファレンス テストが繰り返されました。

異なる RF パワー アンプ間の一貫性を達成するために、バルクヘッド コネクタ パネルのカットオフ下の導波管を通過した光ファイバー ケーブルを備えた 3 軸フィールド プローブを使用して、アンテナおよび測定されたケーブルの周囲の電界強度を測定しました。

ノイズフロアの低減に役立つ場合には、測定周波数範囲にわたって良好で平坦な周波数応答を備えた外部低ノイズプリアンプを、スペクトラムアナライザの入力前に使用しました。

この記事で取り上げている他のすべての測定ケーブルは、ケーブル 1 に使用したのと同じヌル ケーブル アセンブリで構成されています。追加の内部導体とケーブルは、同じ非常に熟練したケーブル アセンブラによって、同じ方法で、同じ材料を使用し、制限された範囲内で作成されました。それらの間の一貫性を仮定できるように、期間 (数日) を設定します。

上記すべてを考慮し、各アンプからの結果を考慮すると、リファレンス結果から各ケーブルの結果を差し引くと、次の影響が大幅に軽減されるはずです。

この減算/キャンセルのアプローチは、最大 2.8 GHz までのケーブル全体またはオーバーブレイドで束ねた複数のシールド ケーブルのシールドを終端する最適な方法についての結論を引き出すのに十分な成功を収めました。 ただし、重要ではないと思われる小さなエラーがまだいくつかありました (次の図でそれらを見つけることができるかどうかを確認してください)。

これらは、100MHz ～ 1GHz の場合は図 10 に、800MHz ～ 2.8GHz の場合は図 11 に示されています。

図 10: 内部単一編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた単一オーバーブレードの結果 — 0.1 ～ 1 GHz

図 11: 内部単一編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた単一オーバーブレードの結果 — 0.8 ～ 2.8 GHz

これらは、100MHz ～ 1GHz の場合は図 12 に、800MHz ～ 2.8GHz の場合は図 13 に示されています。

図 12: 内部単一編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた二重オーバーブレードの結果 — 0.1 ～ 1 GHz

図 13: 内部単一編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた二重オーバーブレードの結果 — 0.8 ～ 2.8 GHz

これらは、100MHz ～ 1GHz の場合は図 14 に、800MHz ～ 2.8GHz の場合は図 15 に示されています。

図 14: 内部二重編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた二重オーバーブレードの結果 — 0.1 ～ 1 GHz

図 15: 内部二重編組シールド TP ケーブルと、両端でバックシェルに 360 度クランプされた二重オーバーブレードの結果 — 0.8 ～ 2.8 GHz

注: これらのケーブルはどちらも、両端がピグテールになった二重シールドを備えた内部 TP ケーブルを使用しています。

私は、すべてのシールド層が両端のオーバーブレードおよび/またはバックシェルで 360 度終端されている (ピグテールがまったくない) ケーブル全体または二重オーバーブレードをバンドルした二重編組シールド TP ケーブルの方が、より良い結果が得られると期待しています。上記で測定したケーブルのいずれか。 しかし、私たちはそのような設計を組み立てたり測定したりしませんでした。

しかし、ピグテールを使用せずに内部ケーブルのシールドを終端するにはどうすればよいでしょうか?

パブリックドメインの出版物（私の出版物を含む）はほとんどありませんが、編組ケーブルまたはケーブル束内で個別にシールドされたケーブルのシールドを終端処理する方法を扱っています（コネクタピンを介してピグテール接続することを推奨している出版物は無視してください）。

これはおそらく、ハイスペックな軍事企業や航空宇宙企業にとって問題になる傾向があるためです。その内部設計/組み立てガイドでは、コネクタ ピンを介したピグテールや、熟練した担当者による大量の（コストがかかる！）手作業による組み立て（たとえば、内部編組をオーバーブレイドに 360 度はんだ付けするなど）。

コスト効率よくケーブル シールドを終端する方法だけで記事全体が簡単に埋まってしまいますが、この記事を数千語拡張するのではなく、ケーブル EMC に関するトレーニング コースから抜粋した図 16 ～ 18 を追加しました [25] ] であり、それらが十分に自明であることを願っています。

図 16: [25] のスライド 2.7.23

図 17: [25] のスライド 2.7.24

図 18: [25] のスライド 2.7.25

Ampthill の近くにある Lockheed Martin (UK) Ltd の施設を使用し、使用したテスト機器を提供していただいたことに感謝します。

また、これらのテストに協力してくれた LM(UK) の多くの人々、特に以下の人々に感謝したいと思います。

(1、3～8は公式サイトから無料でダウンロード可能です)

emckeith アーム強力シールドケーブルシールド

電子設計者、プロジェクト マネージャー、設計部門マネージャーとして働いた後、Keith は 1990 年に Cherry Clough Consultants を設立し、実証済みの優れた EMC エンジニアリング手法を使用して企業の財務リスクとプロジェクトのスケジュールを削減できるよう支援しました。 過去 20 年間にわたり、キースは、優れた EMC エンジニアリング技術と機能安全のための EMC に関する多くの論文、デモンストレーション、トレーニング コースを世界中で発表し、また、これらのトピックに関する非常に多くの記事も執筆してきました。 彼は、IET の機能安全のための EMC 作業グループの議長を務めており、61000-1-2 (EMC および機能安全)、60601-1-2 (医療機器の EMC) に取り組む IEC 委員会の英国政府に任命された専門家でもあります。 61000-6-7 (EMC および機能安全に関する一般規格)。

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