关于EMI探查工具所用的材料的介绍和应用

同轴电缆最早是由英国的工程师 Oliver Heaviside 在 1880 年发明的，到现在已经有 139 年的历史了。同轴电缆的结构如下图所示，它是由内金属芯线、隔离层、金属屏蔽层和塑料外套一起构成的。

一般人最常见到同轴电缆的地方是家庭里的闭路电视系统，其中所传输的信号最高频率接近 1GHz，这样的电缆直接连接到了电视机上。能有机会见到传统视频监控系统的人可能会注意到传输视频信号的电缆也是同轴电缆，由于普通视频信号的最高频率只有几 MHz，其中还含有一定的直流成分，所以它的频带下限到了 0Hz。电源工程师见到同轴电缆机会最多的时候是使用示波器时，它的探头线就是这种材料，只是与上述两种系统所用的同轴电缆相比要细很多，也因为如此而变得很柔软，用起来很方便，拿在手里觉得很舒服。如果你有机会打开自己所用的 WiFi 设备，你会看到连接天线和信号收发电路的线材也是同轴电缆，而你从平常接触的资讯中就知道 WiFi 信号的工作频段有 2.4G 和 5.8G 的，这表示经这些电缆所传输的信号频率可以高到 5.8GHz。实际上，高频同轴电缆具有波导管的特性，可以传输很高频率的信号，而其通频带下端又到了 0Hz，我们用它来做 EMI 探头是非常合适的。

同轴电缆的导体是金属材料，其中当然会含有电阻的成分，所以电缆越细电阻就会越大；传输线本身都存在电感，内外线之间还存在电容，隔离层本身也存在一定的漏电问题（电阻或电导作用），这些成分都是分布在整个线路上的，无法像板上元件那样表现为一个个具体的元件，因而被称为分布参数。当某个频率的信号通过这个电缆时，它所遇到的阻抗与上述几个参数都有关，表达为下述公式：

其中的 R 是电缆单位长度的电阻，L 是电缆单位长度的电感，G 是电缆隔离层单位长度的电导，C 是电缆单位长度的电容，s = jω =j2πf 代表的是频率。当频率为 0Hz 时，s = 0，这样就得到了单位长度的直流阻抗，由于其中不含频率成分，所以又称为直流电阻：

当频率很高时，s 变得很大，R 和 G 就变得微不足道了，上述公式变成

这便是高频信号在其中传输时遇到的阻抗，它和频率已经没有了关系，完全是由电缆本身的特性决定的，大概就是因为这个原因而被称为特性阻抗。由于 L、C 与同轴电缆的芯线直径 d、屏蔽层直径 D 以及隔离层的介电常数 ε 有关：

所以有

这就是同轴电缆特性阻抗的计算公式，计算结果的单位为 Ω。从中可以发现，同轴电缆的特性阻抗完全是由物理结构和隔离层的介电常数决定的。所以我们在选择 EMI 天线的材料时只要选择具有相同特性阻抗的同轴电缆即可，粗缆或细缆其实是无所谓的，只要自己能接受就好。由于我们所用示波器接头内部的阻抗可以选择为 50Ω，所以我们应当选择 50Ω 的同轴电缆。如果你选择了其他的值，高频信号传输到两者之间的连接处时就会发现路径是不平滑的，一部分信号就会发生反射并与新到达的信号叠加，从而带来信号畸变的结果，你再看到的信号就不是它本来的样子了。也由于这个原因，在使用这种传感器时不可以使用示波器的高阻输入状态，我们使用电压探头时通常就处于这一状态。

电缆的粗细对信号的影响主要是衰减率的不同，由于我们并不需要很长的电缆，而且也不需要非常精确，所以由于使用较细的电缆而带来的影响是可以忽略不计的，主要应当以是否方便使用来考虑。实际中使用的同轴电缆的可用频宽会因为型号的不同而不同，低的有 1GHz，高的有十几个 GHz，这些数据很显然也会影响到价格。如果你的要求最多只有几百兆，我想选择 RG-174 大概是比较合适的，它的外径是 2.55mm，我估计用起来会比较舒服。RG 是 Radio Guide 的缩写，可能是来源于二战时期的标准，每家厂商都这么定义型号的时候，咱们选型就比较简单了，但还是建议你在选型时查阅一下厂商的资料。

下面说说 BNC 插头，它是同轴电缆和示波器之间的连接元件。先看图：

所选 BNC 插头的特性阻抗应该是 50Ω 的，它还需要能与已经选定的电缆型号相互配合，这些信息在相关的产品规格中都会表现出来。如果选择不当，电缆芯线插入插头内导体时可能会遇到困难，或者是不能保证芯线总是处于中心位置，或者是电缆外屏蔽层不能和插头的外屏蔽层形成完好的连接，因为从上面的电缆特性阻抗计算公式就可以看出错乱的参数会导致错乱的阻抗，而阻抗的变化就会导致信号的畸变。如果在连接过程中出现了屏蔽层的开孔等现象，还会导致信号外泄和外界信号侵入等问题，那样就把很简单的事情复杂化了。这样描述问题让我想到了圆融这个词，电缆和插头连接以后的形貌应该是完美的，没有凹凸，没有不连续，没有空缺，这只有连续、圆形的连接才做得到。有了这个概念以后，即使没有可以参考的图片，工程师自己也能做出完美的连接。但在写出这样的文字以后我还是做了一番努力，终于找到下图所示的施工指令：

这是否已经足够清楚了呢？为了完美地完成最后的工作，你可能还需要有一个下图所示的工具：

做这件事情虽然简单，但离开了好的工具，要做好可能还是有难度，该花的钱还是要花的。这个图片出现在亚马逊的网站上，你也可以去照顾它们的业务。我把这些品牌列出来是因为想到了要感恩，因为我利用了它们的资源。

在我们的 EMI 设计工具中还使用到了磁芯，我自己认为这个元件还是比较复杂的，要把它说清楚也不是一件容易的事，或许我们可以另文叙说。但是作为一个可以参考的资料，立锜最新的一期电子报里谈到了高频变压器的制作方法，这不一定适合于我们要做的 EMI 传感器，但参考一下总是可行的，请在自己的订阅邮箱里查看一下吧！还没有订阅的读者请在微信菜单里寻找订阅方法，那样就可以收到以后的电子报了。