CN101782637B

CN101782637B - 基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法

Info

Publication number: CN101782637B
Application number: CN 201010125081
Authority: CN
Inventors: 赵波; 赵敏; 封志明; 姚敏; 董颖华
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN101782637A

Abstract

本发明公开了一种基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法，属于电磁兼容分析与应用及电磁干扰噪声测量领域。根据所需测量的频段，该方法先利用双踪示波器在时域中测试电流探头的转移阻抗，然后利用矢量网络分析仪并采用散射参数法，在频域中测试电流探头的转移阻抗，最终可较为准确的获得电流探头的测量转换系数。本发明方法操作简单，测试准确，可使得电流探头测量电磁干扰噪声的结果更准确，并为传导电磁干扰噪声抑制提供理论依据。

Description

基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法，属于电磁兼容分析与应用领域及电磁干扰噪声测量领域。

背景技术

EMI电磁干扰噪声问题伴随着各种电子设备的大量使用而越来越严重。为了抑制电磁干扰噪声，首先需要对于电磁干扰噪声进行测量，射频电流探头即是用于测量电路中电磁干扰噪声的工具。电流探头主要包含一个磁芯，它可以探测到出现的磁通大小，并将这个场的测量值传输到接收端。电流探头可以作为电压探头的替代装置，并且电流探头可以夹在导体周围方便地进行测量，不需要切断导线或者移开一段导线来接入探头。

用电流探头测量电磁干扰噪声具有如下优点：1)测量小到微安量级的电流；2)测量线缆中的共模电流来预测常规兼容性辐射发射；3)测量导线对之间的平衡以确保优化信号的完整性。

电流探头通过两种机理之一产生输出电压：一种是感应耦合产生电压，另一种是利用霍尔效应传感器。对于耦合型探头，考虑一个变压器，其主绕组包含穿过电流探头的传输线，而其二次绕组是一个装置内部的检测线圈，典型设计是用铁氧体磁芯绕待测试的导线，检测线圈则绕在铁氧体磁芯上；霍尔效应传感器能产生于被测电路磁场相对应的输出电压。两种类型的电流探头都与被测设备绝缘，从而防止破坏性的高电压和电流。在电流探头测量中，一个比较重要的系数就是电流探头的转移阻抗，该系数定义为电流探头的输出电压除以传输线中的感应电流，输出电压的单位用伏特/安培或欧姆表示(V＝IZ)。

目前，在电流探头转移阻抗的校准方面，主要是依赖于电流探头制造厂商在出售时所给出的转移阻抗系数，而该系数没有考虑到在不同的测量环境中会使得其转移阻抗发生变化，以及在不同的频率范围中，其转移阻抗不是一个恒定值等因素。

发明内容

本发明针对电流探头在不同的测量环境或不同频率范围中其转移阻抗会发生变化的问题，而提出一种基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头转移阻抗校准方法。

本发明的基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法，包括如下步骤：

(一)在时域中对电流探头的转移阻抗进行测试

将信号发生器的输出端通过电流探头后连接双踪示波器的CH1通道，电流探头的输出端连接双踪示波器的CH2通道；

利用信号发生器在所需测量的频段内输出相应的频率信号，则测得双踪示波器的CH1通道信号即I₁(ω)，双踪示波器的CH2通道信号即V₂(ω)；

将I₁(ω)、V₂(ω)代入下式：

V_{2} (ω) = \frac{R_{2}}{R_{2} + jω L_{2}} \cdot jω {MI}_{1} (ω)

则求得在时域中电流探头的转移阻抗；

(二)在频域中采用散射参数法对电流探头的转移阻抗进行测试

根据所需测量的频段，对矢量网络分析仪进行设置，将矢量网络分析仪的输出端通过电流探头后连接50欧的负载阻抗再接地，电流探头的输出端连接矢量网络分析仪的输入端，将矢量网络分析仪的输出端视为1端口，将矢量网络分析仪的输入端视为2端口，将50欧负载阻抗的接地端视为3端口；

测量时，令1端口始终为信号输入端，分别测量1端口与2端口间的散射参数及1端口与3端口间的散射参数，在任意测量条件下，无连接的端口用50欧的阻抗进行匹配；

则3端口与2端口的电压比表示为：

\frac{V 3}{V 2} = \frac{\sqrt{Z_{0}} (a_{3} + b_{3})}{\sqrt{Z_{0}} (a_{2} + b_{2})}

当2端口和3端口用50欧阻抗匹配时，得到：a₂＝0，a₃＝0；

故得：

\frac{V 3}{V 2} = \frac{b_{3}}{b_{2}} = \frac{S_{31} a_{1}}{S_{21} a_{1}} = \frac{S_{31}}{S_{21}},

根据该式即求得频域内电流探头转移阻抗的幅值与相位；

以上内容中：I₁(ω)为线路中的电流；V₂(ω)为电流探头测得的电压；R₂为50欧负载阻抗；j为虚部符号；ω为角频率；M为传输线路与电流探头之间的互感；L₂为电流探头的自感；V2、V3分别为2端口和3端口的电压；a₁、a₂、a₃为别为1端口、2端口和3端口的入射波；b₁、b₂、b₃分别为1端口、2端口和3端口的反射波；

为匹配阻抗；S₃₁为1端口与3端口间的散射参数；S₂₁为1端口与2端口间的散射参数。

本发明方法操作简单、测试准确，可以针对各类电流探头的转移阻抗在时域和频域内进行测试，通过本方法可以较为准确的掌握射频电流探头的测量转换系数，使得电流探头测量电路中的电磁干扰噪声结果更为准确。本方法为研究电磁兼容问题中电磁干扰的测量奠定了基础，同时为传导性电磁干扰的抑制提供了理论依据。

附图说明

图1为在时域中测量电流探头转移阻抗的实验示意图。

图2为在频域中测量电流探头转移阻抗的实验示意图。

图3为电流探头测试电路中电磁干扰噪声的原理图。

图4为电流探头测试电磁干扰噪声的等效电路图。

图3和图4中：V_s为信号发生器发射的信号电压；I₁为线路电流；L₁为线路自感；L₂为电流探头的自感；R₁、R₂均为50欧负载阻抗；I_O1为电流探头测量到的电流；V₁为R₁上测量的电压值；V₂为R₂上测量的电压值；jωMI₁(ω)为电磁干扰电流在电流探头中产生的感应电动势。

图5为用散射参数法测量电流探头的转移阻抗信号流示意图。

具体实施方式

电流探头用于测量电路中电磁干扰噪声电流的电路原理如图3所示。电流探头利用互感作用将线路中的实际电磁干扰噪声感应到探头中，并传输给测量仪器。电流探头测试电磁干扰噪声的等效电路模型如图4所示。根据图4，转移阻抗Z(ω)定义为：

Z (ω) = \frac{V_{2} (ω)}{I_{1} (ω)} - - - (1)

由于电流探头的互感作用，不难得出电路中的电磁干扰电流在电流探头中产生的感应电动势jωMI₁(ω)，又因为测量仪器的内阻抗为50欧，与匹配阻抗相同，则电流探头测量所得的电压与电路中电流的关系为：

V_{2} (ω) = \frac{R_{2}}{R_{2} + jω L_{2}} \cdot jω {MI}_{1} (ω) - - - (2)

在图4电路中，由于匹配阻抗阻值与测量仪器内阻抗相同，所以可以利用R₁上测量得到的电压来计算电路中的电流，如下式：

V₁(ω)＝R₁·I₁(ω)＝50·I₁(ω) (3)

所以(2)式可以转换为：

V_{2} (ω) = \frac{R_{2} jωM}{50 (R_{2} + jωM)} \cdot {\overset{\cdot}{V}}_{1} (ω) - - - (4)

本发明方法的具体步骤如下：

(一)在时域中对电流探头的转移阻抗进行测试

按照图1，将信号发生器的输出端通过电流探头后连接双踪示波器的CH1通道，电流探头的输出端连接双踪示波器的CH2通道；

将I₁(ω)、V₂(ω)代入(2)式，即代入：

V_{2} (ω) = \frac{R_{2}}{R_{2} + jω L_{2}} \cdot jω {MI}_{1} (ω)

则求得在时域中电流探头的转移阻抗；

根据所需测量的频段，对矢量网络分析仪进行设置，并按照图2的测量电路进行数学建模，将矢量网络分析仪的输出端通过电流探头后连接50欧的负载阻抗再接地，电流探头的输出端连接矢量网络分析仪的输入端，该测试电路可看成一个三端口网络，将矢量网络分析仪的输出端视为1端口，将矢量网络分析仪的输入端视为2端口，将50欧负载阻抗的接地端视为3端口；

则3端口与2端口的电压比表示为：

\frac{V 3}{V 2} = \frac{\sqrt{Z_{0}} (a_{3} + b_{3})}{\sqrt{Z_{0}} (a_{2} + b_{2})} - - - (5)

当2端口和3端口用50欧阻抗匹配时，不难得到：a₂＝0，a₃＝0；

再根据图5所示的电流探头转移阻抗信号流，故得：

\frac{V 3}{V 2} = \frac{b_{3}}{b_{2}} = \frac{S_{31} a_{1}}{S_{21} a_{1}} = \frac{S_{31}}{S_{21}} - - - (6)

根据(6)式即求得频域内电流探头转移阻抗的幅值与相位；

下面为本发明方法的一个具体实施例：

在时域中，其实验连接如图1所示。本实验利用信号发生器在所需测量频段内输出一个频率为8MHz、幅值为5V的正弦信号到双踪示波器的CH1端口中，同时将电流探头加载在传输线上，将测量得到的值输入到双踪示波器的CH2端口，通过观察示波器可见，电路中信号的大小与电流探头测量得到的信号大小呈现线性变化关系，即电流探头测量得到的波形没有发生改变，仅在相位上相对于原信号有稍许改变。根据(3)式，可以求出在8MHz频率点上该电流探头的转移阻抗。

利用信号发生器输出所需测量频段内几个不同的频率点的信号，重复测试，得到在这几个不同的频率点上电流探头的转移阻抗，将所得的数据进行拟合，可以得到在所需测量频段内电流探头整体的转移阻抗。

在频域中，其实验连接如图2所示。由于所需测量的电路为一个三端口网络，因此，首先需要将其中一个端口利用50欧匹配阻抗进行匹配，然后再进行测量。

根据(6)式可知，在测量1端口与2端口间的散射参数S₂₁时，需要将3端口采用50欧的匹配阻抗进行匹配；在测量1端口与3端口间的散射参数S₃₁时，需要将2端口采用50欧的匹配阻抗进行匹配。测量S₃₁和S₂₁的幅值与相位，带入(6)式中即可得到该电流探头在频域内的转移阻抗。

在时域和在频域内，测量的相同频段内电流探头转移阻抗的特性曲线应完全相同。

通过上述实验可见，电流探头的转移阻抗可以通过时域和频域的方法分别求得，利用两种方法测量电流探头的转移阻抗不仅可以使得测量更加准确，而且可以测量得到电流探头转移阻抗中的相位信息，同时，对于同一电流探头在相同频段内，其转移阻抗的特性曲线应完全一致，因此，两种方法还可以相互检验其测量的正确性。

Claims

1.一种基于电磁兼容分析与应用的射频电流探头特性校准方法，其特征在于包括如下步骤：

(一)在时域中对电流探头的转移阻抗进行测试

将I₁(ω)、V₂(ω)代入下式：

\frac{V_{2} (ω)}{I_{1} (ω)} = \frac{R_{2}}{R_{2} + jω L_{2}} \cdot jωM

则求得在时域中电流探头的转移阻抗；

利用信号发生器输出所需测量频段内几个不同的频率点的信号，重复测试，得到在这几个不同的频率点上电流探头的转移阻抗，将所得数据进行拟合，从而得到所需测量频段内电流探头整体的转移阻抗；

则3端口与2端口的电压比表示为：

\frac{V 3}{V 2} = \frac{\sqrt{Z_{0}} (a_{3} + b_{3})}{\sqrt{Z_{0}} (a_{2} + b_{2})}

当2端口和3端口用50欧阻抗匹配时，得到：a₂＝0，a₃＝0；

故得：

根据该式即求得频域内电流探头转移阻抗的幅值与相位；

对所需测量频段内几个不同的频率点重复测试，得到在这几个不同的频率点上电流探头的转移阻抗，将所得数据进行拟合，从而得到所需测量频段内电流探头整体的转移阻抗；