關(guān)于EMI探查工具所用的材料的介紹和應(yīng)用

同軸電纜最早是由英國的工程師 Oliver Heaviside 在 1880 年發(fā)明的，到現(xiàn)在已經(jīng)有 139 年的歷史了。同軸電纜的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是由內(nèi)金屬芯線、隔離層、金屬屏蔽層和塑料外套一起構(gòu)成的。

一般人最常見到同軸電纜的地方是家庭里的閉路電視系統(tǒng)，其中所傳輸?shù)?a target="_blank">信號最高頻率接近 1GHz，這樣的電纜直接連接到了電視機上。能有機會見到傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的人可能會注意到傳輸視頻信號的電纜也是同軸電纜，由于普通視頻信號的最高頻率只有幾 MHz，其中還含有一定的直流成分，所以它的頻帶下限到了 0Hz。電源工程師見到同軸電纜機會最多的時候是使用示波器時，它的探頭線就是這種材料，只是與上述兩種系統(tǒng)所用的同軸電纜相比要細(xì)很多，也因為如此而變得很柔軟，用起來很方便，拿在手里覺得很舒服。如果你有機會打開自己所用的 WiFi 設(shè)備，你會看到連接天線和信號收發(fā)電路的線材也是同軸電纜，而你從平常接觸的資訊中就知道 WiFi 信號的工作頻段有 2.4G 和 5.8G 的，這表示經(jīng)這些電纜所傳輸?shù)男盘栴l率可以高到 5.8GHz。實際上，高頻同軸電纜具有波導(dǎo)管的特性，可以傳輸很高頻率的信號，而其通頻帶下端又到了 0Hz，我們用它來做 EMI 探頭是非常合適的。

同軸電纜的導(dǎo)體是金屬材料，其中當(dāng)然會含有電阻的成分，所以電纜越細(xì)電阻就會越大；傳輸線本身都存在電感，內(nèi)外線之間還存在電容，隔離層本身也存在一定的漏電問題（電阻或電導(dǎo)作用），這些成分都是分布在整個線路上的，無法像板上元件那樣表現(xiàn)為一個個具體的元件，因而被稱為分布參數(shù)。當(dāng)某個頻率的信號通過這個電纜時，它所遇到的阻抗與上述幾個參數(shù)都有關(guān)，表達為下述公式：

其中的 R 是電纜單位長度的電阻，L 是電纜單位長度的電感，G 是電纜隔離層單位長度的電導(dǎo)，C 是電纜單位長度的電容，s = jω =j2πf 代表的是頻率。當(dāng)頻率為 0Hz 時，s = 0，這樣就得到了單位長度的直流阻抗，由于其中不含頻率成分，所以又稱為直流電阻：

當(dāng)頻率很高時，s 變得很大，R 和 G 就變得微不足道了，上述公式變成

這便是高頻信號在其中傳輸時遇到的阻抗，它和頻率已經(jīng)沒有了關(guān)系，完全是由電纜本身的特性決定的，大概就是因為這個原因而被稱為特性阻抗。由于 L、C 與同軸電纜的芯線直徑 d、屏蔽層直徑 D 以及隔離層的介電常數(shù) ε 有關(guān)：

所以有

這就是同軸電纜特性阻抗的計算公式，計算結(jié)果的單位為 Ω。從中可以發(fā)現(xiàn)，同軸電纜的特性阻抗完全是由物理結(jié)構(gòu)和隔離層的介電常數(shù)決定的。所以我們在選擇 EMI 天線的材料時只要選擇具有相同特性阻抗的同軸電纜即可，粗纜或細(xì)纜其實是無所謂的，只要自己能接受就好。由于我們所用示波器接頭內(nèi)部的阻抗可以選擇為 50Ω，所以我們應(yīng)當(dāng)選擇 50Ω 的同軸電纜。如果你選擇了其他的值，高頻信號傳輸?shù)絻烧咧g的連接處時就會發(fā)現(xiàn)路徑是不平滑的，一部分信號就會發(fā)生反射并與新到達的信號疊加，從而帶來信號畸變的結(jié)果，你再看到的信號就不是它本來的樣子了。也由于這個原因，在使用這種傳感器時不可以使用示波器的高阻輸入狀態(tài)，我們使用電壓探頭時通常就處于這一狀態(tài)。

電纜的粗細(xì)對信號的影響主要是衰減率的不同，由于我們并不需要很長的電纜，而且也不需要非常精確，所以由于使用較細(xì)的電纜而帶來的影響是可以忽略不計的，主要應(yīng)當(dāng)以是否方便使用來考慮。實際中使用的同軸電纜的可用頻寬會因為型號的不同而不同，低的有 1GHz，高的有十幾個 GHz，這些數(shù)據(jù)很顯然也會影響到價格。如果你的要求最多只有幾百兆，我想選擇 RG-174 大概是比較合適的，它的外徑是 2.55mm，我估計用起來會比較舒服。RG 是 Radio Guide 的縮寫，可能是來源于二戰(zhàn)時期的標(biāo)準(zhǔn)，每家廠商都這么定義型號的時候，咱們選型就比較簡單了，但還是建議你在選型時查閱一下廠商的資料。

下面說說 BNC 插頭，它是同軸電纜和示波器之間的連接元件。先看圖：

所選 BNC 插頭的特性阻抗應(yīng)該是 50Ω 的，它還需要能與已經(jīng)選定的電纜型號相互配合，這些信息在相關(guān)的產(chǎn)品規(guī)格中都會表現(xiàn)出來。如果選擇不當(dāng)，電纜芯線插入插頭內(nèi)導(dǎo)體時可能會遇到困難，或者是不能保證芯線總是處于中心位置，或者是電纜外屏蔽層不能和插頭的外屏蔽層形成完好的連接，因為從上面的電纜特性阻抗計算公式就可以看出錯亂的參數(shù)會導(dǎo)致錯亂的阻抗，而阻抗的變化就會導(dǎo)致信號的畸變。如果在連接過程中出現(xiàn)了屏蔽層的開孔等現(xiàn)象，還會導(dǎo)致信號外泄和外界信號侵入等問題，那樣就把很簡單的事情復(fù)雜化了。這樣描述問題讓我想到了圓融這個詞，電纜和插頭連接以后的形貌應(yīng)該是完美的，沒有凹凸，沒有不連續(xù)，沒有空缺，這只有連續(xù)、圓形的連接才做得到。有了這個概念以后，即使沒有可以參考的圖片，工程師自己也能做出完美的連接。但在寫出這樣的文字以后我還是做了一番努力，終于找到下圖所示的施工指令：

這是否已經(jīng)足夠清楚了呢？為了完美地完成最后的工作，你可能還需要有一個下圖所示的工具：

做這件事情雖然簡單，但離開了好的工具，要做好可能還是有難度，該花的錢還是要花的。這個圖片出現(xiàn)在亞馬遜的網(wǎng)站上，你也可以去照顧它們的業(yè)務(wù)。我把這些品牌列出來是因為想到了要感恩，因為我利用了它們的資源。

在我們的 EMI 設(shè)計工具中還使用到了磁芯，我自己認(rèn)為這個元件還是比較復(fù)雜的，要把它說清楚也不是一件容易的事，或許我們可以另文敘說。但是作為一個可以參考的資料，立锜最新的一期電子報里談到了高頻變壓器的制作方法，這不一定適合于我們要做的 EMI 傳感器，但參考一下總是可行的，請在自己的訂閱郵箱里查看一下吧！還沒有訂閱的讀者請在微信菜單里尋找訂閱方法，那樣就可以收到以后的電子報了。