CN112798863A - 一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具及磁环阻抗测量方法 - Google Patents

一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具及磁环阻抗测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具。该磁环阻抗测量夹具包括金属外壳和位于金属外壳内的绝缘支撑件和金属同轴芯线，整体为同轴型结构；所述金属外壳分为A部分外壳和B部分外壳；金属外壳的两端各设置有一个电气接头；所述绝缘支撑件相应分为第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，分别固定设置于A部分外壳和B部分外壳内，并在靠近外壳对接位置留出用于安装待测磁环的空间；所述金属同轴芯线贯穿所述第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，并相应与金属外壳两端设置的电气接头连接。本发明采用全封闭的同轴结构，避免了高频寄生电容和漏感对测量结果的影响；同时该同轴结构的稳定限位，能够提高磁环阻抗在高频测量时的准确性和一致性。

Description

一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具及磁环阻抗测量 方法
技术领域
本发明属于电磁兼容技术领域，涉及一种磁环阻抗测量夹具及磁环阻抗测量方法。
背景技术
连续波辐射试验方法是一种低电平试验方法，可针对大型和/或固定设施进行试验，了解系统对电磁场信号的响应特性。IEC 61000-4-23中介绍了有关连续波测试的方法、步骤及测试设备。椭圆辐射器作为一种连续波辐射试验装置，其辐射范围大，低频响应好，是一种性能较好的连续波辐射试验装置。
椭圆辐射器通过磁环和绕接在磁环上的电阻来实现阻抗加载，在工作区域获得近似平面波的电磁场。不同磁环的阻抗特性对加载效果的影响较大，需要对不同的磁环阻抗及其加载后的总阻抗进行测量。椭圆辐射器的频率范围高频可到1GHz，因此需要在1GHz以下的频率范围内，研究所加载的磁环阻抗特性。
对于脉冲变压器、电流注入钳、脉冲防护器件等电磁兼容领域设备的设计和优化建模也离不开磁性材料的宽带复磁导率的测量，这些应用场景大多要求磁环磁谐振频率在400MHz以下。目前对于环形磁性材料，多使用电感测量法，其采用的测试线圈及测试布局如图1所示。电感测量法对于磁环阻抗的低频测量具有足够的精度，而随着频率的升高，线圈的寄生参数对测量的影响无法忽略。线圈匝数越多，寄生参数的影响越大。为减小寄生参数的影响，有文献中使用单匝线圈测量磁环阻抗，同时为避免磁环的局部饱和减少漏感，使用了单匝全覆盖线圈。然而为了在400MHz以下获得较准确的复磁导率测量结果，该测量方法仍然需要对杂散参数进行单独的测量和补偿。同时，由于电感测量法没有专用的固定连接装置，导致每次测量都需要在磁环上重新绕制或连接线圈，难以保证线圈连接的一致性，而进行高频测量时线圈的微小变化都将使阻抗发生较大变化，从而影响测量结果的一致性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是：提高磁环阻抗的测量精度，减小测量方法的复杂度，拓展测量的频率范围。
为了实现以上目的，本发明提出以下技术方案：
一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，包括：金属外壳和位于金属外壳内的绝缘支撑件和金属同轴芯线，整体为同轴型结构；
所述金属外壳分为A部分外壳和B部分外壳，两者沿轴向对接形成全封闭的腔室；金属外壳的两端各设置有一个电气接头；
所述绝缘支撑件相应分为第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，分别固定设置于A部分外壳和B部分外壳内，并在靠近外壳对接位置留出用于安装待测磁环的空间；
所述金属同轴芯线相应分为第一金属同轴芯线和第二金属同轴芯线，分别贯穿所述第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，并相应与金属外壳两端设置的电气接头连接；在对接状态时，所述第一金属同轴芯线与第二金属同轴芯线沿轴向对接。
可选地，所述金属外壳形成的全封闭的腔室为圆柱形腔室，所述绝缘支撑件为圆环柱形结构，所述金属同轴芯线的外径与待测磁环的中心孔径相适配(基本相等)，从而有助于在径向上形成可靠限位。当然，也可以考虑对绝缘支撑件的端面设置面对面的凹槽结构起到对待测磁环的限位作用。
可选地，所述第一金属同轴芯线和第二金属同轴芯线的对接面设置为适配的插销结构，即沿轴向一个为凹槽另一个为凸起进行导向适配。当然，也可以采用螺纹连接等可拆卸连接形式。
可选地，所述绝缘支撑件采用聚四氟乙烯材料。
可选地，所述A部分外壳和B部分外壳在对接面分别设置有法兰结构，用于实现对接状态的可靠封闭。由于本发明不涉及气密性、防水性要求，因此可以不用加密封圈。
可选地，所述电气接头为SMA接头。
可选地，所述金属外壳两端分别设置有SMA法兰，SMA法兰与金属外壳通过螺栓连接；所述SMA接头从SMA法兰中心伸出。
可选地，还包括金属底板，所述金属外壳的底部通过金属支撑件与所述金属底板连接固定。
一种利用网络分析仪的单端口磁环阻抗测量方法，基于上述全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，包括以下步骤：
将A部分外壳与B部分外壳对接形成全封闭的腔室，矢量网络分析仪的发射端口与金属外壳某一端的电气接头连接，进行单端口校准；
校准结束后，分开A部分外壳与B部分外壳，将待测磁环套接在露出的金属同轴芯线上，再次将A部分外壳与B部分外壳对接形成全封闭的腔室；
金属外壳的另一端的电气接头连接匹配电阻RL，通过扫描获得S11参数，由S11参数计算得到磁环阻抗。
可选地，所述单端口校准包括开路、短路和匹配校准。
本发明构造了一种标准的磁环磁导率测量夹具，充分考虑了高频寄生参数影响和磁环固定问题，采用全封闭的同轴结构，避免了高频寄生电容和漏感对测量结果的影响；同时利用同轴结构的稳定性，能够提高磁环阻抗在高频测量时的准确性，消除为更换磁环而重新连接线圈引入的不确定性，保证每次测量结果的一致性。
相比现有技术，本发明具体有以下有益效果：
1.本发明输入端与负载端均采用同轴结构，便于校准和连接，减小了由于连接差异而引入的误差。由磁环阻抗测试夹具所引入的不连续性，可以通过矢量网络分析仪的校准消除。
2.本发明采用全封闭式的同轴结构，有利于减小漏感和寄生参数的影响，提高高频测量时的准确性。
3.本发明在经过矢量网络分析仪的校准后，可在矢量网络分析仪的测试能力范围内，任意选择频率范围进行磁环阻抗测量，极大的提高了测量的频率范围。
4.本发明使用矢量网络分析仪的校准功能自动将夹具参数进行补偿，不必单独测量和计算，减小了测量复杂度。
5、本发明可以仅使用网络分析仪的一个端口进行测量，简化了网络分析仪的校准过程。
6、本发明可应用于连续波辐射试验系统中椭圆辐射器的阻抗加载设计，也可应用于脉冲变压器、电流注入钳、匹配巴伦、脉冲防护器件设计等。
附图说明
图1为电感测量法磁环磁导率测量原理图。
图2本发明的一个实施例的测试布局示意图；图中，A1-矢量网络分析仪，RL-匹配电阻，1为待测磁环。
图3本发明的一个实施例的测试夹具结构的示意图；其中，(a)为主视图(剖视示意)，(b)为侧视图。图中，1-待测磁环，2、11-聚四氟乙烯绝缘支撑件，3、10-金属同轴芯线，4-金属方形底板，5-金属支撑件，6-金属圆柱形插销，7-SMA法兰，8-SMA接头，9-SMA法兰螺孔，12-金属外壳，13-方形法兰，14-方形法兰上的螺孔。
图4安装磁环前后测量装置等效电路；图中，RL-匹配电阻，Rb-待测磁环电阻，Lb-待测磁环电感。
图5经过校准补偿后的测试夹具反射系数。
图6实际测量某磁环阻抗反射系数。
图7电感测量法前后两次测量某一磁环所得到的反射系数。
图8本发明前后两次测量某一磁环所得阻抗。
图9电感测量法测量某磁环磁导率。
图10本发明测量的图9中磁环的磁导率。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。
本发明的一个实施例的测试布局如图2所示，其中1为待测磁环，A1为网络分析仪，RL为匹配电阻。进行测量前，按图2所示将网络分析仪和测量夹具的一端相接，夹具的另一端连接校准件(短路、开路和匹配)，对测量夹具进行单端口校准，校准结束后，夹具另一端接匹配电阻。
如图3所示一个实施例的测量夹具，主要由金属外壳、设置在金属外壳内的中间有圆孔的圆柱形聚四氟乙烯绝缘支撑件、金属同轴芯线等组成，整体为同轴型结构，其中部保留有待测磁环测量位置。
金属同轴芯线由两段组成，中间接合部分设计为插销结构，组装后穿过绝缘支撑件，分别与夹具两端的SMA接头连接。夹具两端设计有支撑结构，保证测量时结构的稳定性。
采用同轴结构，有利于保持测量夹具的稳定性，使得每次连接夹具的状态保持一致，减小对测量结果的影响。利用磁环阻抗对同轴传输线特性阻抗加载特性，通过反射系数测量磁环阻抗。
采用全封闭式结构，与电感测量法相比，消除了线圈之间的寄生电容和漏感，减小这些寄生参数对高频测量结果的影响，提高了高频测量的准确度。
进行测量前，将金属外壳12的A、B两部分通过方形法兰13连接，此时不安装待测磁环1。矢量网络分析仪A1的发射端口与金属外壳某一端面上的SMA接头8连接，可进行单端口校准(包括开路、短路、匹配校准)，而不必进行双端口校准，减小了测量方法的复杂性。
校准结束后，安装待测磁环1，金属外壳12的另一个端面连接50欧姆匹配电阻RL，安装磁环前后测量装置等效电路如图4所示。此时通过扫描获得S11参数，由S11参数计算得到磁环阻抗。磁环阻抗的计算公式为：
Figure BDA0002875493300000051
图4为安装磁环前后测量装置的等效电路。安装磁环前，装置处于匹配状态，此时网络分析仪测得的反射系数如图5所示，反射系数为0。图6为采用本实施例的测量夹具和测量方法测得的某磁环反射系数，根据该反射系数，利用公式(1)计算得到该磁环阻抗。
图7、图8分别为电感测量法和本实施例测量数据的一致性对比，本实施例由于采用了特定的同轴及固定结构，使得前后两次测量结果能够保持一致。
图9、图10分别为电感测量法和本实施例对同一磁环磁导率的测量结果，从图中可以看出，由于本实施例采用了全封闭的校准结构，消除了电感测量法寄生参数对高频测量结果的影响，提高了测量结果的准确性。

Claims (10)

1.一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，包括：金属外壳和位于金属外壳内的绝缘支撑件和金属同轴芯线，整体为同轴型结构；
所述金属外壳分为A部分外壳和B部分外壳，两者沿轴向对接形成全封闭的腔室；金属外壳的两端各设置有一个电气接头；
所述绝缘支撑件相应分为第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，分别固定设置于A部分外壳和B部分外壳内，并在靠近外壳对接位置留出用于安装待测磁环的空间；
所述金属同轴芯线相应分为第一金属同轴芯线和第二金属同轴芯线，分别贯穿所述第一绝缘支撑件和第二绝缘支撑件，并相应与金属外壳两端设置的电气接头连接；在对接状态时，所述第一金属同轴芯线与第二金属同轴芯线沿轴向对接。
2.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述金属外壳形成的全封闭的腔室为圆柱形腔室，所述绝缘支撑件为圆环柱形结构，所述金属同轴芯线的外径与待测磁环的中心孔径相适配。
3.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述第一金属同轴芯线和第二金属同轴芯线的对接面设置为适配的插销结构。
4.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述绝缘支撑件采用聚四氟乙烯材料。
5.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述A部分外壳和B部分外壳在对接面分别设置有法兰结构，用于实现对接状态的可靠封闭。
6.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述电气接头为SMA接头。
7.根据权利要求6所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，所述金属外壳两端分别设置有SMA法兰，SMA法兰与金属外壳通过螺栓连接；所述SMA接头从SMA法兰中心伸出。
8.根据权利要求1所述的一种全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，其特征在于，还包括金属底板，所述金属外壳的底部通过金属支撑件与所述金属底板连接固定。
9.一种利用网络分析仪的单端口磁环阻抗测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述全封闭式可校准的磁环阻抗测量夹具，包括以下步骤：
将A部分外壳与B部分外壳对接形成全封闭的腔室，矢量网络分析仪的发射端口与金属外壳某一端的电气接头连接，进行单端口校准；
校准结束后，分开A部分外壳与B部分外壳，将待测磁环套接在露出的金属同轴芯线上，再次将A部分外壳与B部分外壳对接形成全封闭的腔室；
金属外壳的另一端的电气接头连接匹配电阻RL，通过扫描获得S11参数，由S11参数计算得到磁环阻抗。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述单端口校准包括开路、短路和匹配校准。
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