CN101452033A - 一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头和测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头和测试设备，所述测试探头主要包括：环形铁氧体磁芯，用于捕获被测线缆中共模信号产生的磁信号；部分绕设于所述环形铁氧体磁芯上的线圈，用于将所述磁信号转化为电信号；高频连接器，用于将所述电信号送入检测设备进行检测；无源阻抗调整电路，连接于所述线圈和所述高频连接器之间，用于为所述线圈提供固定的输出阻抗。本发明的线缆共模信号的电磁兼容测试探头具有灵敏度高、接口通用、价格低廉、传输特性曲线可以满足测试要求的优势。

Description

一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头和测试设备

技术领域

本发明涉及线缆共模信号测试，尤其涉及一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头和测试设备。

背景技术

现代电子产品一般都要通过大量的认证之后，才能够上市。这其中电磁兼容认证是比较麻烦的。电磁兼容主要分为两个部分：电磁敏感度和电磁发射骚扰。这两部分中，电磁敏感度是测试被测设备对外界干扰的抵御能力，要求被测设备在不同等级和不同形式的外界干扰条件下能够正常工作或者不被损坏；电磁发射骚扰则是测试被测设备干扰外界的能力，包括直接辐射发射骚扰和通过连接在被测设备上的线缆造成的辐射/传导骚扰，要求被测设备在各种工作状态下对外界的干扰低于相应等级规定的限值。

电磁兼容测试中，电磁发射骚扰由于和具体设计紧密相关、骚扰源难以确定以及目前的电磁场理论在工程应用方面的具体困难，其调试长久以来一直是困扰电磁兼容工程师的难题。电磁兼容工程师在实践中也创造了各种调试和测试手段来提高定位骚扰源及耦合路径的速度和精度。其中一种方法是通过检测连接到被测设备线缆的共模信号来判断辐射源的特征。如果线缆连接到被测设备，那么由于线缆和大地之间会存在分布电容，使得线缆成为共模信号通路的一部分。所以在连接被测设备的线缆上一般能够检测到共模信号。

共模信号是指在以被测设备为信号源，被测设备以及连接到被测设备上的电缆或其他设备与大地间的电连接或分布电感电容为回路路径的信号及其回路。从这样一个描述中，我们可以知道，共模信号的回路面积一般来说是比较大的。如图1所示。

在线缆共模信号测试中，必不可少的一样测试设备就是共模信号探头。传统的共模信号探头大致有电磁兼容探头和电流探头两大类。发明人在实现本发明的过程中发现，这两种探头中，电磁兼容探头灵敏度高，传输特性曲线好，也即探头在规定频段的曲线平坦，所有频点的增益或者衰减量基本一致，如图2所示，但电磁兼容探头多采用专用接口，且价格昂贵；电流探头虽然不是那么昂贵，但多用于毫安级以上电流的测量，而微安级电流就足以引发电磁兼容问题，所以在很多情况下，电流探头并不能在电磁兼容测试中起到太大作用。因此，对大多数电磁兼容工程师来说，更需要一种灵敏度高、接口通用、价格低廉、在使用频段传输特性曲线可以接受的共模信号探头。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种灵敏度高、接口通用、价格低廉、传输特性曲线可以满足测试要求的线缆共模信号的电磁兼容测试探头和测试设备。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头，所述测试探头主要包括：环形铁氧体磁芯，用于捕获被测线缆中共模信号产生的磁信号；部分绕设于所述环形铁氧体磁芯上的线圈，用于将所述磁信号转化为电信号；高频连接器，用于将所述电信号送入检测设备进行检测；无源阻抗调整电路，连接于所述线圈和所述高频连接器之间，用于调整所述线圈的输出阻抗与被测线缆的阻抗一致。

一种测试设备，所述测试设备包括上述线缆共模信号的电磁兼容测试探头。

相比于现有技术的共模信号探头，本发明的线缆共模信号的电磁兼容测试探头采用了环形铁氧体磁芯与线圈结合的方式，具有灵敏度高的特点，由于采用高频连接器与检测设备相连，具有接口通用的特点，由于使用无源器件调整线圈的输出阻抗，具有价格低廉的特点，实验证明了，采用本发明实施例的测试探头，传输特性曲线可以满足测试要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为共模信号的回路面积示意图；

图2为电磁兼容探头的传输特性曲线示意图；

图3为本发明实施例的共模信号探头组成框图；

图4为线缆上差模信号示意图；

图5a为差模信号在线缆上的电流方向及产生的磁场示意图；

图5b为共模信号在线缆上的电流方向及产生的磁场示意图；

图6a为本发明实施例的环形铁氧体磁芯结构示意图；

图6b为本发明实施例的环形铁氧体磁芯平面示意图；

图7为本发明实施例的绕设于环形铁氧体磁芯上的线圈的示意图；

图8为本发明实施例无源阻抗调整电路的连接示意图；

图9为本发明实施例的测试探头组成连接示意图；

图10为本发明实施例的测试探头组成结构示意图；

图11a和图11b为发明实施例的测试探头的测试示意图；

图12为发明实施例的测试探头的传输特性曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头，以下结合附图对本实施例进行详细说明。

图3为本实施例的测试探头的组成框图，请参照图3，本发明实施例的测试探头主要包括环形铁氧体磁芯31、线圈32、无源阻抗调整电路33、高频连接器34，其中：

环形铁氧体磁芯31用于捕获被测线缆中的共模信号产生的磁信号。

从背景技术的介绍可知，共模信号是由被测设备产生的，在被测设备和大地形成的回路中传输的信号，除了共模信号之外，线缆上一般还会存在另外一种信号形式：差模信号，差模信号指的是同一根线缆内不同传输线间形成的电流回路，如图4所示。

由于通电直导线的周围会产生环形磁场，通电螺线管的内部也会产生磁场，因此，差模信号在电缆中传输的是两个电流大小相同，方向相反的信号。这种情况下，线缆周围会产生两个磁场强度相等但方向相反的磁场，这两个磁场会相互抵消，而不被检出。如图5a所示，其中中间的粗线表示电缆；细线表示电缆中的两根传输线，细线上不同的方向的箭头表示不同传输线上的电流方向；虚线表示传输线上电流产生的磁场，虚线上不同方向的箭头表示对应不同方向的电流产生的磁场方向。另一方面，由于共模信号在线缆上的电流方向完全一致，所以共模信号会在线缆的周围产生相应的磁场，如图5b所示。

由此可知，线缆周围的磁场应该大部分是共模信号产生的，因此只需要捕获被测线缆周围的磁场并转化为检测设备可以检测的电信号，就可以实现对共模信号的检测。

为了捕获线缆周围的磁场，本发明实施例使用了一种称为铁氧体的物质。铁氧体是一种铁氧化物和其他二价金属氧化物复合烧结而成的多结晶烧结体。由于铁氧体的电阻率极高，不容易产生涡电流，所以比较适合高频情况下使用。而为了能够尽量多地捕获磁场，本发明将捕获磁场的铁氧体设计成环形，称为铁氧体磁芯31。

为了降低传输损耗，本发明实施例的环形铁氧体磁芯31的外径D不宜过大，一般设计为低于10厘米为宜。而为了便于使用，铁氧体制作成两个半环形，环的一端使用绝缘非磁性材料的铰链连接起来，另一端安装相同材料制成的扣具，使两个半环形可以紧密的扣合在一起，铰链和扣具均不能接触到磁芯的接合面，如图6a和图6b所示。

在本实施例中，根据被测设备电路上的一些固有特征，如信号频率、时钟频率、电源开关频率等，对线缆上可能存在的共模信号频率做出一个基本判断，再根据共模信号的频率特点，选择不同类型的铁氧体作为环形铁氧体磁芯，一般来说，信号频率低于1MHz可以选择锰锌(Mn-Zn)基铁氧体；如果信号频率高于1MHz则可以选择镍锌(Ni-Zn)基铁氧体。

线圈32部分绕设于所述环形铁氧体磁芯31上，用于将所述磁信号转化为电信号。

在本实施例中，通过环形铁氧体磁芯31捕获磁场之后，需要将磁信号转化为电信号。为实现这个功能，本发明实施例采用在铁氧体磁芯上绕制线圈的方法。根据法拉第电磁感应定律可以知道，线圈内通过磁场，在线圈的两端会产生电压，而电压的高低和方向则和磁场的强度以及方向相关。这样就实现了磁场向电信号的转化。

根据本实施例，环形铁氧体磁芯31被设计成为两个半环形，因此，本实施例可以在其中一个半环形铁氧体上使用粗细均匀的铜线紧密地缠绕在铁氧体磁芯31上，绕制线圈，构成接收端电路的第一部分。为减小分布参数对线圈特性的影响，线与线之间的距离L不宜过小，一般来说不宜低于2毫米，但可根据实际需要进行调整。为了减小导线电阻，一般要求选择截面积不小于0.75平方毫米的铜芯导线。为保证线圈传输特性的稳定性，可以使用绝缘非磁性的胶水将线圈固定在铁氧体磁芯上。如图7所示。

无源阻抗调整电路33用于调整所述线圈32的输出阻抗与测试线缆的阻抗一致。

在本实施例中，通过环形铁氧体磁芯31和线圈32实现了共模信号由磁场形式到电信号形式的转换，但这时线圈的输出阻抗很可能与测试线缆不一致，这样会导致信号在传输的过程中由于反射产生较大损耗，并可能使最终的测试结果出现错误，因此，由于实际线圈的阻抗曲线在需要的测试范围内并不表现为一个稳定的值，为了确保电信号能够稳定的传输到测试仪器，本实施例通过在线圈的两端添加阻抗调整电路33来调整线圈32的输出阻抗并使之与测试线缆的阻抗一致，该阻抗调整电路33用于向后级电路提供一个确定的可衡量的稳定负载阻抗，并消除前后级电路由于阻抗不一致所产生的信号反射现象。该阻抗调整电路33可以使用尺寸小于0805的表面贴装型号的电阻、电容及或电感器件构成。

根据本实施例，为了提高探头对测试线缆和测试设备的适应能力，该无源阻抗调整电路33还可以分为两个部分：无源阻抗输出电路331和无源阻抗匹配电路332。前者负责提供一个固定的输出阻抗；后者负责将前者的输出阻抗转化为和线缆相同的阻抗。

为了提高探头的通用性，阻抗输出电路331设计为无源电路形式，即不需要任何外部电源供电，单纯使用电阻、电容及或电感这三类基本器件组成。阻抗输出电路331的设计取决于线圈的具体情况，所以，不同的情况下，阻抗调整网络(即线圈32与无源阻抗调整电路33)的设计可能会存在差异，如图8所示。

根据本实施例，最简单的阻抗调整网络可以由绕制的线圈和串联的电容构成，但本发明实施例并不以此作为限制。一般的，对于频率较低(一般小于50MHz)和要求不太严格的场合，可以不使用阻抗匹配电路332，而直接将阻抗输出电路331作为阻抗调整电路33，此时，阻抗输出电路331的目标阻抗可以使用下式计算近似得到：

$Z=\sqrt{\frac{L}{C}}$

其中，Z为目标阻抗；L为实际测量或计算得到的绕制线圈的电感量；C为串联电容的电容量。实际上，由于各种原因的影响，阻抗输出电路331的目标阻抗无法通过计算准确获得，根据上式计算得到的也只是一个近似值。出于减小分布参数的考虑，电容应尽量选择小封装尺寸的表面贴装电容，一般要求小于0805封装。根据IPC标准，0805封装指的是外型尺寸为80mil*50mil的器件，其中1mil等于千分之一英寸。

上述阻抗调整网络的组成只是一种具体实施实例，针对不同的频段，无源阻抗调整电路33可以有各种构成方式，例如，可以使用尺寸小于0805的表面贴装型号的电阻、电容及或电感器件构成。

在本实施例中，为了适应不同测试仪器的输入阻抗，在阻抗输出电路331之后，通过阻抗匹配电路332调整电路输出阻抗与测试线缆阻抗一致，避免出现因为电路输出阻抗和测试线缆阻抗不一致而导致的信号反射现象。

最基本的阻抗匹配电路332可以使用变压器结构来实现，即将特性阻抗不同的线圈分别绕在变压器磁芯的两边，以改变最终的输出阻抗。同样的，为了提高探头的通用性，阻抗匹配电路332设计为无源电路。上述使用变压器结构作为阻抗匹配电路332也只是举例说明，本发明实施例并不以此作为限制。

一般的，阻抗匹配电路332的输出阻抗可以设置为50欧姆，在输出阻抗确定的情况下，可以省略阻抗匹配电路332，直接将阻抗输出电路331的输出阻抗设计为50欧姆，这样可以进一步降低成本，并降低电路的复杂度。

高频连接器34与线圈32通过无源阻抗调整电路33相连，用于将所述电信号形式的共模信号送入检测设备进行检测。

根据本实施例，为了连接其他测试仪器，并考虑到高频传输的需要，在阻抗匹配电路后，需要添加一个通用高频连接器34，将以上所有电路处理后的信号通过高频连接器34连接测试线缆，通过测试电缆将信号送到测试仪器，就可以检测出被测线缆上的共模信号。如图9所示。

在本实施例中，综合成本和性能因素考虑，高频连接器可以采用SMA阴头连接器。

根据本实施例，为了使阻抗匹配更灵活，可以将阻抗匹配电路332和高频连接器34组合在一起设计成不同的可拆卸模块，以满足不同测试线缆阻抗的要求。

图10为本发明的线缆共模信号的电磁兼容测试探头的一个具体实施实例的原理图，在图10所示的实施例中，假设该测试探头在50MHz以下场合使用，测试线缆阻抗为50欧姆，绕制线圈的电感量为5毫亨。

根据本实施例，测试使用时，既可以将测试线缆直接从铁氧体环中穿过，捕捉线缆中的共模信号，如图11a所示；也可以将线缆在铁氧体磁芯没有绕线的一半上绕几圈，如图11b所示，以提高线缆中共模信号耦合到探头中的能量，进一步提高探头的灵敏度。

本发明实施例的线缆共模信号的电磁兼容测试探头具有如下有益效果：

1.制造成本远低于现有电磁兼容探头；

2.在测试的目标频段能够提供可接受的传输特性和良好的测试灵敏度。目前手工制作的探头传输特性曲线测试结果如图12所示，完全可以满足实际测试的需要；

3.接口通用，无需任何特殊外部接口即可配合任何测试仪器使用。

本发明实施例还提供一种包含了前述线缆共模信号的电磁兼容测试探头的测试设备，关于本发明实施例的测试设备所包含的线缆共模信号的电磁兼容测试探头已在前述作了充分说明，在此不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种线缆共模信号的电磁兼容测试探头，其特征在于，所述测试探头主要包括：

环形铁氧体磁芯，用于捕获被测线缆中共模信号产生的磁信号；

部分绕设于所述环形铁氧体磁芯上的线圈，用于将所述磁信号转化为电信号；

高频连接器，用于将所述电信号送入检测设备进行检测；

无源阻抗调整电路，连接于所述线圈和所述高频连接器之间，用于调整所述线圈的输出阻抗与被测线缆的阻抗一致。

2.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述无源阻抗调整电路包括：

无源阻抗输出电路，连接所述线圈，用于为所述线圈提供一个固定的输出阻抗；

无源阻抗匹配电路，连接于所述无源阻抗输出电路和所述高频连接器之间，用于调整所述线圈的输出阻抗使其与被测线缆的阻抗一致。

3.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述环形铁氧体磁芯的外径小于10厘米。

4.根据权利要求3所述的测试探头，其特征在于，所述环形铁氧体磁芯为两个半环形组合而成，每个半环的一端通过绝缘非磁性材料的铰链连接，另一端安装有相同材料制成的扣具，以使两个半环形扣合在一起，且铰链和扣具均不接触所述环形铁氧体磁芯的接合面。

5.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述线圈为粗细均匀的铜线，该铜线的截面积大于等于0.75平方毫米，相邻的绕线之间的距离大于等于2毫米。

6.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述无源阻抗调整电路为使用尺寸小于0805的表面贴装型号的电阻、电容及或电感器件构成。

7.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述无源阻抗调整电路为电容，该电容与所述线圈串联连接，所述调整电路的输出阻抗近似为 $Z=\sqrt{\frac{L}{C}},$ 其中，L为所述线圈的电感量，C为所述电容的电容量。

8.根据权利要求7所述的测试探头，其特征在于，所述电容为小于0805封装的表面贴装电容。

9.根据权利要求2所述的测试探头，其特征在于，所述阻抗匹配电路为变压器结构。

10.根据权利要求2所述的测试探头，其特征在于，所述阻抗匹配电路与所述高频连接器为一体成型的可拆卸模块。

11.根据权利要求1所述的测试探头，其特征在于，所述被测电缆从所述环形铁氧体磁芯中穿过，或者绕设于所述环形铁氧体磁芯上没有绕设线圈的部分。

12.一种测试设备，其特征在于，所述测试设备包括如权利要求1—11任一项所述的线缆共模信号的电磁兼容测试探头。

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