摘要: 近年来，由于高频电气设备频频出现在电磁辐射场所。根据EMC指南，需要对高频段电磁辐射场进行抑制。目前，EMC测试正在对高频段产生的电磁辐射进行测量，并采取相应的抑制方法。不过，关于互连设备产生的电磁辐射的研究眼下还比较有限。因此，我们重点研究了当设备相互连接时，连接器会降低接触性能对电磁辐射的影响。在以前的研究中，我们已经证明了连接器的不良触电对电磁辐射的影响。这些研究表明，松动连接器可使连接器接触界面的电感和电阻值增大，这些高频电路元件的数值变化可使电磁辐射增大。为了研究松动连接器对电磁辐射场产生影响的机理，我们分析了高频电路中引起电磁辐射的主要因素。此外，为了满足连接器抑制电磁辐射的电接触要求，我们还对不同频率下电感和电阻对电磁辐射的影响作了对比。
关键词：松动接触;SMA连接器;电磁辐射;共模电流;TDR
1 引言
近年来，根据电磁兼容性(EMC)准则规定，高频率运行中的电气设备需要抑制电磁辐射[1] [2]。因此，人们开始研究如何对高频段产生的电磁辐射(EMC)进行测量，并采取相应的抑制方法[3][4]。这些传统的研究主要集中于来自独立的单个设备的电磁辐射。因此，对于互连设备产生的电磁辐射，目前还没有进行充分的研究。我们的现实生活空间中使用了许多电气设备，其中大部分设备都实现了互连。如果用户仅通过手指拧紧来连接设备，则无法通过施加严格控制的扭矩来来设置互连点。在这种情况下，接触件性能可能会出现退化，导致互连器件的电接触失效。如果在互连接触点上发生接触故障，则有可能增加电气设备的电磁辐射。在以前的研究中[5] [6] [7] [8]，我们已经研究了一个连接器的松动接触件对各个设备电磁辐射的影响。这些研究表明，连接器松动会增加连接器接触界面的电感和电阻值，高频电路元件的数值变化会增加电磁辐射。此外，文献[8]中提到电压降是由连接器接触界面的电感引起的，而这个电压降正是电磁辐射的来源。不过，关于接触界面的电阻对电磁辐射的影响，目前还有待进一步讨论。
本文的主要目的是研究连接器接触界面所产生的电阻的影响。此外，为了满足连接器抑制电磁辐射的电接触要求，我们还对不同频率下电感和电阻对电磁辐射的影响进行了比较。
2 高频电路元件与共模电流的关系
我们通过同时测量TDR和共模(CM)电流来研究电磁辐射和电阻之间的关系[9][10][11]。本文采用时域反射法(TDR)计算了松动连接器接触界面的电阻值。此外，为了评估所产生的电磁辐射的大小，我们观察了电缆中的CM电流变化，因为CM电流被认为是电磁辐射产生的主要因素之一[11][12][13]。
2.1 TDR测量
TDR的实验设置如图1和图2所示。一块300mm × 200mm的铜板将一条长度为80mm的半刚性电缆与通向示波器(Agilent MS06104A)的传输线隔离开来。采用脉冲发生器(PG;A-165 61039)向电缆发送脉冲信号，并使用定向耦合器将行进波和反射波分开，最后利用一个放大器来放大反射波(35dB)。半刚性电缆左端连接器按规定力矩(0.65 Nm)拧紧，而右端连接器连接在铜板上，这样就出现了松动的连接。
图1 TDR实验设置示意图(原理图)
(图框文字从上到下依次为：铜板、连接器、铜板、示波器)
图2 TDR实验设置示意图(图片)
根据图3，松开电缆右端的超小型A型(SMA;JJ型)连接器。首先将连接器拧紧到规定的扭矩，然后将连接器旋转120度。在本文中，处于这个位置的连接器被定义为松开的连接器。TDR测量结果如图4所示。实线表示两个连接器被拧紧到规定扭矩后的测量结果，虚线则表示松开的连接器的测量结果。
图3 SMA连接器旋转松动步骤
上面的图框文字为：松开的连接器;下面的图框文字为：足够的扭矩
图4 TDR测量结果显示△R与△CM的关系
2.2 CM电流的测量
首先对CM电流测量进行设置，如图5和图6所示。电流探头(Fischer F-2000)和带有跟踪发生器的频谱分析仪(Advantest R3131A)用于测量CM电流。在测量中，我们评估了1.0 - 1.8 GHz频段的电磁辐射。本实验的驱动电压为0dBm。
图5 TDR实验设置原理图
(图框文字从上到下依次为：光谱分析仪、铜板、电流探头、铜板、半硬性线缆、端接：50Ω)
图6 共模电流实验设置(图片)
CM电流测量结果如图7所示。实线表示两个连接器都拧紧到规定扭矩后的测量结果，虚线则表示松动连接器的测量结果。
上面的图框文字为：松开的连接器;下面的图框文字为：足够的扭矩
图7 CM电流测量结果显示△R与△CM的关系
2.3 电阻和CM电流之间的关系
为了显示电阻与CM电流的关系，将△L和△R分别定义为从规定扭矩(0.65 Nm),松开连接器前后的电感和电阻的差值，如图3所示。同理，△CM定义为松开连接器前后的CM电流之差，因此，△L和△R是根据图4中的结果和以下近似方程[9]计算的，见公式(1)和公式(2)。
其中，△Vr为紧固连接情况下的峰值电压差(图4)，Zo为电缆的特性阻抗，TR是所施加脉冲的过渡时间，△Vr为紧固连接情况下的峰值电压差，如图4所示。
在图4中，TDR的测量不仅包含电阻，还包含接触界面处的电感。为了研究电阻对电磁辐射的影响，我们计算了△L为恒定值(150pH)时的△R。对图4的结果应用(1)和(2)，连接器松动后,接触界面的电阻增加了约0.2 Ω。△R和△CM的关系如图8所示，其中1.0 GHz、1.2 GHz和1.4 GHz的曲线表示了频率依赖性。图8为各测试频率下的△R∝△CM。此外，图中斜率的增加与频率无关。
图8 △R与△CM关系变化曲线图
3 讨论
在之前的研究中，我们研究分析了从PCB产生CM电流的相关机理[12]。这项研究得出的结论是：电压降是由PCB中的电感引起的，而这个电压降是产生CM电流的来源。此外，我们以前的研究表明，在一个松开的连接器接触界面上，电感引起的电压下降导致了CM电流[8]。在本文中，△R和△CM之间的关系是△R∝△CM，而△CM几乎与频率的变化无关，如图8所示。考虑到△R和△CM之间的关系，导致M电流的电压降与接触界面的电阻值成正比，而且与频率无关。因此，我们认为，图8中与频率无关的电压降是CM电流的来源。这些研究的结果表明，CM电流的增大是由接触界面的电感和电阻的影响引起的。
图9 电感△L与电阻△R分布图
为了抑制电磁辐射的增长，我们必须对电感和电阻采取相应的抑制措施。在我们之前的研究中[8]，当接触界面的电感的增加是由松开的连接器引起时，CM电流的增加会随着频率的变化而变化，因为作为CM电流起源的电压降会根据电感(jωL)引起的阻抗而变化，当接触界面的电阻增加是由松开的连接器引起时，CM电流的增加不会随着频率的变化而变化，因为作为CM电流起源的电压降会根据电阻(R)引起的阻抗而变化。因此，预计高频电路中,作为CM电流来源的主导元素在每个电路元素和频率值中是不同的。
为了估计每个频率的主导因素，我们比较了每个频率下电感和电阻对CM电流的影响。因此，为了研究松开后的连接器接触界面的电感和电阻值，我们重复测量了20次，并计算了电感和电阻值。图9中观测到的△L几乎分布在100 ~ 200 pH之间，△R近似分布在0.01Ω与0.02Ω之间。触点界面的电压降是由接触点界面的阻抗值决定的,由于本试验中几乎没有观察到接头松动部分的电容值，因此接触界面阻抗Z表示为Z = R + jωL。在∣R∣≤∣jωL∣的情况下，我们可以认为电感对接触界面阻抗的影响占主导地位。而在∣jωL∣≤∣R∣的情况下，我们可以认为电阻(R)对接触界面阻抗的影响是占主导地位。从这些讨论可以看出，在GHz频段，我们可以采取措施抑制电感;另一方面，在较低的频段，我们则采取相应的措施抑制电阻。
4 结论
本文主要研究连接器的接触性能要求，以有效抑制电磁辐射的影响。为此，我们研究了配有松开的连接器的电气设备所产生电磁辐射的机理。具体来说，我们研究了连接器接触界面电阻对互连器件电磁辐射的影响。研究结果表明，作为电磁辐射主要因素之一的△CM与△R之间存在着一定的比例关系，△R ∝ △CM，如图8所示，CM电流与频率无关。
为了抑制电磁辐射，我们描述了连接器的电接触要求，其结果如图9所示。在研究过程中，抑制GHz频段的电感是重要一环。另一方面，抑制低频段电阻也是重要一环。在本研究中，我们采用SMA连接器作为一种基础研究。不过，在我们的现实生活中，可作为电气设备连接器的类型还有很多。因此，在我们未来的工作中，为了研究这种从互连器件到其他连接器的CM电流产生的机理，我们将标明松开的连接器的具体型号。 |
