CN113009254A - 一种大功率高线性度的电流注入探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率高线性度的电流注入探头，包括具有环形腔体的金属壳体，及安装于金属壳体内部的磁芯，及环绕于磁芯上的线圈；所述线圈一端与金属壳体上的连接器连接；所述金属壳体由外金属壳体和内金属壳体组成；所述磁芯嵌装于外金属壳体和内金属壳体之间；所述线圈对称分布于磁芯两侧，且线圈经内金属壳体外壁和外金属壳体内壁上开设的槽口绕设于磁芯外部；所述线圈为四线并绕结构；本发明的大功率高线性度的电流注入探头，从选择性能良好的铁氧体材料、优化缠绕线圈以及改变磁芯与外壳结构等方面进行改进，研制得到了大功率、高线性度的电流注入探头，其能够满足开展大电流注入等效强场电磁辐射效应试验的技术需求。

Description

一种大功率高线性度的电流注入探头
技术领域
本发明涉及一种电流注入探头，具有涉及一种大功率高线性度的电流注入探头，属于电流注入探头技术领域。
背景技术
在大电流注入试验中，电流注入探头是不可或缺的一部分，信号源输出的电磁信号通过电流注入探头耦合至线缆，从而实现注入的效果。电流探头有霍尔传感器和测量电流磁场两种类型，后者当前在大电流注入法研究中最常用。其形式大多为卡钳式电流注入探头；通过测量磁场，反演推算电流，常见装置是电流卡环和罗果夫斯基线圈；大电流注入时根据所卡线缆的不同可实现共模注入和差模注入；当所卡线缆同时包括信号线和地线时，所采取的注入方式即为共模注入方式，当所卡线缆仅有信号线时，该注入方式为差模注入。
针对大电流注入探头应用于大电流注入试验时阻抗容易发生了非线性变化的问题，本发明通过分析大电流注入的方式，对现有的商品化电流探头进行了线性度测试；测试结果表明，注入功率增大，不同频点的线性误差也随之增大。本发明对大功率高线性度电流探头进行了研制，并通过了测试。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种大功率高线性度的电流注入探头，可以满足开展大电流注入等效强场电磁辐射效应试验的技术需求。
本发明的大功率高线性度的电流注入探头，包括具有环形腔体的金属壳体，及安装于金属壳体内部的磁芯，及环绕于磁芯上的线圈；所述线圈一端与金属壳体上的连接器连接；所述金属壳体由外金属壳体和内金属壳体组成；所述磁芯嵌装于外金属壳体和内金属壳体之间；所述线圈对称分布于磁芯两侧，采用双侧线圈，降低线圈电流的同时提高左右两侧磁场的均匀性，使两侧发热均匀，提高注入探头承受功率的能力；且线圈经内金属壳体外壁和外金属壳体内壁上开设的槽口绕设于磁芯外部，线圈从槽口里面走，使铁氧体(磁芯)与金属壳体能够紧密接触，有利于散热；所述线圈为四线并绕结构；为了降低缠绕线圈导致的焦耳热损耗同时使电流注入探头不易发生磁饱和，将传统的单根多匝缠绕线圈，转变为线圈四线并绕(多根并联)同时减小缠绕匝数的方法进行优化设计；线圈采用四线并绕结构，能够有效降低高频阻抗(减小发热)和增加承受电流的能力；减小缠绕匝数能够使铁氧体磁芯不易发生磁饱和。
作为优选的实施方案，所述磁芯压紧固定于外金属壳体和内金属壳体之间，且磁芯与外金属壳体和内金属壳体的接触间隙中填充有导热硅脂，铁氧体(磁芯)与金属壳体之间的小间隙填入导热硅脂，进一步改善注入探头的散热条件，提高其耐受功率值。
作为优选的实施方案，所述磁芯由锰锌2000铁氧体制成，选择锰锌2000铁氧体材料作为电流注入探头的磁芯，该材料具有饱和磁通密度高、功率损耗小、居里温度高等特点，适合用于上限频率为400MHz的大功率、高线性度电流注入探头研制。
进一步地，所述磁芯由多层铁氧体组成；相邻所述铁氧体之间紧密接触且相互绝缘，铁氧体材料采用多层薄片结构，同时铁氧体材料不同层之间绝缘且紧密接触，从而有效降低涡流损耗，减少发热，提高承受注入功率的能力。
再进一步地，所述铁氧体表面涂刷有绝缘漆。
作为优选的实施方案，所述外金属壳体外壁一体设置有多块间隔分布的散热片，将外金属壳体外壁设置成散热片结构，增加机壳散热面积，进一步增强散热效果。
进一步地，所述金属壳体包括第一部分和第二部分；所述第一部分一侧通过旋转轴与第二部分一侧铰接；所述第一部分另一侧通过至少一个开合结构与第二部分另一侧连接。
再进一步地，所述开合结构为搭扣。
本发明与现有技术相比较，本发明的大功率高线性度的电流注入探头，从选择性能良好的铁氧体材料、优化缠绕线圈以及改变磁芯与外壳结构等方面进行改进，研制得到了大功率、高线性度的电流注入探头，并通过了测试；本发明的电流注入探头最大耐受功率可达500W，插入损耗随注入功率变化具备良好的线性度0.3dB@1-500W，可以满足开展大电流注入等效强场电磁辐射效应试验的技术需求。
附图说明
图1是本发明的电流注入探头等效电路示意图。
图2是本发明的平行双线差模注入等效电路示意图。
图3是本发明的矢量网络分析仪测试装置连接示意图。
图4是本发明的电流注入探头S21参数测试结果示意图。
图5是本发明的不同输入功率下S21参数变化情况示意图。
图6是本发明的不同输入功率下输入端口SWR的变化情况示意图。
图7是本发明的大功率注入测试试验配置示意图。
图8是本发明的线性误差示意图。
图9是本发明的电流注入探头横截面结构示意图。
图10是本发明的电流注入探头闭合状态的结构示意图。
图11是本发明的电流注入探头打开状态的结构示意图。
图12是本发明的小功率下随频率变化的插损曲线示意图。
图13是本发明的随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
其中，图(a)是频率为1MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
图(b)是频率为50MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
图(c)是频率为100MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
图(d)是频率为200MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
图(e)是频率为300MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图；
图(f)是频率为400MHz时随注入功率变化探头插损测试结果示意图。
附图中的各部件标注为：1-金属壳体，11-外金属壳体，12-内金属壳体，2-磁芯，3-线圈，4-连接器，5-槽口，6-导热硅脂，7-散热片，8-开合结构，9-矢量网络分析仪，10-对校准装置，A-第一部分，B-第二部分，M-某型电流注入探头。
具体实施方式
本发明的大功率高线性度的电流注入探头其研制过程如下：
首先，确定电流注入方式及等效电路模型：电流注入探头的等效电路模型如图1所示，其中ZP表示的是探头卡入线缆后由于加载效应等效的阻抗，电压源VS(I)表示注入源耦合到传输线缆上的电压值，YP是探头与线缆之间形成电容的导纳；该等效电路是连接在信号线和地线之间的，因此对于平行双线情况，如果注入探头只卡一根线，则注入时的等效电路如图2所示；而如果注入探头同时卡两根线，则每根线与地之间均构成图2所示的等效电路模型，在理论分析时需要根据注入方式建立对应的等效电路模型。
接着，对大电流注入探头线性度研究：由于电流注入等效替代电磁辐射以及强场条件下线性外推试验要求注入源电压VI与输出耦合到线缆上的等效电压源VS (I)为线性变化关系，两者的关系如式(1)所示；但是目前，商品化的电流探头为了提高注入效率，线圈缠绕得很密，同时在线圈中插入了高磁导率的磁芯，线圈的匝间电容、线圈与壳体之间电容以及高磁导率材料的磁饱和等因素的共同作用，造成了电流探头的上限频率较低、高电平下的注入线性度较差；另外高功率注入后，探头升温会导致磁芯磁导率下降(特点别是到达居里温度以后，磁芯的磁导率将急剧下降)，同样会导致注入线性度下降；由于电流注入探头的输入功率与输出功率呈现出非线性，这也导致在进行注入与辐射等效线性外推时的结果将不再准确；
Figure BDA0002949941660000051
为此，对商品化的电流注入探头的注入线性度进行了测试，测试装置如图3所示，采用安捷伦E5061A 300kHz～1.5GHz网络分析仪和ZN23101E型校准装置，校准装置一端接50Ω的匹配负载；将某型电流注入探头M放置于校准装置上，通过使用矢量网络分析仪9对校准装置10的S21以及S11进行测试，首先测试其在注入探头工作频率范围内S21的变化，测试结果如图4所示；进一步，选用50MHz、100MHz、200MHz、300MHz四个测试频点，使用矢量网络分析仪内部源测试了不同输入功率条件下S21以及输入端口的SWR的变化情况，变化情况如图5和图6所示。
由图4可见，在大电流注入探头工作频率0.3MHz至400MHz范围内的S21比较平缓，在25MHz至250MHz范围内S21基本稳定在-5dB左右，由此可见这种探头在其工作频率范围内大多数情况下S21是比较大且趋于稳定的，这说明电流注入探头在其工作频率范围内开展电磁辐射等效试验是满足试验要求的；由图5和图6可见，输入功率在-5dBm至10dBm范围内变化时，四个频点对应的S21以及输入端口的SWR均保持不变，说明其输入输出功率间并没有发生非线性变化；这也证明了在这个功率范围内大电流注入探头输入输出功率保持了良好的线性关系，对于电流注入与电磁辐射等效以及外推不会产生影响；但是多数情况下实验室要求的输入功率是要大于矢量网络分析仪内部源的最大值的，因此需要进一步增大功率对探头线性度来进行测试。
由于矢量网络分析仪内部源最大输出功率为10dBm，为进一步研究大输入功率对电流注入探头线性度的影响，设计了以下试验，大功率注入试验如图7所示，校准装置一端接匹配负载，另一端连接由40dB衰减器和频谱仪(Agilent E4440A)组成接收测试系统，探头注入端口接由射频信号发生器(R&S SML01)、功率放大器(AR 75A400M2)、双通道微波功率计、双向耦合器DC3002组成的注入源系统；
选用了50MHz、100MHz、150MHz、200MHz、300MHz五个频点不断增大注入源功率，同时记录实际输出功率，通过与线性计算值比较得其误差如图8所示；随着注入功率增大不同频点的线性误差也随之增大，这就表明大电流注入探头的输入输出功率之间都不同程度的出现了非线性；其中低于30W时各个频点的线性误差均低于5％，这表明在注入功率低于30W时，探头输入输出功率还是能够保证一定的线性度，这对于注入等效辐射试验是必须具备条件；但是在150MHz频点，随着注入功率增大至60W时其线性误差已经高于12％，这对于注入等效替代强场电磁辐射试验要求注入功率达到几十瓦时是具有一定影响的；如果要求等效更高场强的辐射试验，需要研制更高功率条件下线性度良好的注入探头。
根据上述分析，对大功率高线性度电流注入探头进行研制：针对武器装备强场电磁辐射效应等效注入试验的技术需求，特别是为了确保大电流注入与高强度辐射场效应试验的等效性，需要具备高耐受功率和高性度的电流注入探头；目前商品化的电流注入探头，主要用于按照MIL-STD-461G、GJB151B-2013、ED-107等国内外标准开展武器装备和电子设备的传导敏感度试验，通常电流注入探头的耐受功率在200W左右，不能满足开展强场等效注入试验的技术需求，特别是随着注入功率的增大，电流注入探头插损将发生显著变化(插损线性度差)，工程中更是无法满足等效注入试验的技术需求。
由于电流注入探头的插损线性度与注入功率密切相关，存在相互制约关系；注入功率的提升必然会导致电流注入探头发热严重，其中，热损耗来自于两个方面，一是缠绕线圈的焦耳损耗，二是磁芯(铁氧体材料)的涡流损耗和磁滞损耗，这两方面损耗均为频率越高发热越严重；电流注入探头温度的提升会导致铁氧体材料磁导率下降，进而导致电流注入探头的插损(注入效率)出现非线性，特别是当磁芯的温度超过居里温度时，磁畴磁矩的整齐排列将会被破坏，与磁畴相联系的一系列铁磁性质(如高磁导率、磁滞架线、磁致伸缩等)全部消失，电流注入探头将表现出插损急剧增大、注入效率大大下降；功率信号注入仅几秒种时探头塑料件就熔化了；为了研制大功率、高线性度的电流注入探头，本发明从选择性能良好的铁氧体材料、优化缠绕线圈以及改变磁芯与外壳结构等方面进行改进，其具体如下：
如图9至图11所示的大功率高线性度的电流注入探头，包括具有环形腔体的金属壳体1，及安装于金属壳体1内部的磁芯2，及环绕于磁芯2上的线圈3；所述线圈3一端与金属壳体1上的连接器4连接；所述金属壳体1由外金属壳体11和内金属壳体12组成；所述磁芯2嵌装于外金属壳体11和内金属壳体12之间；所述线圈3对称分布于磁芯2两侧，采用双侧线圈，降低线圈电流的同时提高左右两侧磁场的均匀性，使两侧发热均匀，提高注入探头承受功率的能力；且线圈3经内金属壳体12外壁和外金属壳体11内壁上开设的槽口5绕设于磁芯2外部，线圈从槽口里面走，使铁氧体(磁芯)与金属壳体能够紧密接触，有利于散热；所述线圈3为四线并绕结构；为了降低缠绕线圈导致的焦耳热损耗同时使电流注入探头不易发生磁饱和，将传统的单根多匝缠绕线圈，转变为线圈四线并绕(多根并联)同时减小缠绕匝数的方法进行优化设计；线圈采用四线并绕结构，能够有效降低高频阻抗(减小发热)和增加承受电流的能力；减小缠绕匝数能够使铁氧体磁芯不易发生磁饱和。
其中，所述磁芯2压紧固定于外金属壳体11和内金属壳体12之间，且磁芯2与外金属壳体11和内金属壳体12的接触间隙中填充有导热硅脂6，铁氧体(磁芯)与金属壳体之间的小间隙填入导热硅脂，进一步改善注入探头的散热条件，提高其耐受功率值。所述磁芯2由锰锌2000铁氧体制成，选择锰锌2000铁氧体材料作为电流注入探头的磁芯，该材料具有饱和磁通密度高、功率损耗小、居里温度高等特点，适合用于上限频率为400MHz的大功率、高线性度电流注入探头研制。所述磁芯2由多层铁氧体组成；相邻所述铁氧体之间紧密接触且相互绝缘，铁氧体材料采用多层薄片结构，同时铁氧体材料不同层之间绝缘且紧密接触，从而有效降低涡流损耗，减少发热，提高承受注入功率的能力。所述铁氧体表面涂刷有绝缘漆。所述外金属壳体11外壁一体设置有多块间隔分布的散热片7，将外金属壳体外壁设置成散热片结构，增加机壳散热面积，进一步增强散热效果。所述金属壳体1包括第一部分A和第二部分B；所述第一部分A一侧通过旋转轴与第二部分B一侧铰接；所述第一部分A另一侧通过至少一个开合结构8与第二部分B另一侧连接。所述开合结构8为搭扣。
对最终优化后的本发明的电流注入探头性能参数进行测试，小功率下随频率变化的插入损耗测试结果如图12所示，随注入功率变化探头的插入损耗测试结果如图13所示；
从上面的测试结果可以看出：电流注入探头的测试频段优于300kHz～400MHz(由于该注入探头不用于电磁脉冲测试，因此对插损曲线平坦度没有要求)；当输入功率从1W变化到500W时，不同频点电流注入探头的插入损耗变化很小，最大变化量为0.3dB；不同频率下施加500W功率达到1分钟后，注入探头未发生损坏；上述试验结果表明：本发明的电流注入探头最大耐受功率可达500W，插入损耗随注入功率变化具备良好的线性度0.3dB@1-500W。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种大功率高线性度的电流注入探头，包括具有环形腔体的金属壳体，及安装于金属壳体内部的磁芯，及环绕于磁芯上的线圈；所述线圈一端与金属壳体上的连接器连接；其特征在于：所述金属壳体由外金属壳体和内金属壳体组成；所述磁芯嵌装于外金属壳体和内金属壳体之间；所述线圈对称分布于磁芯两侧，且线圈经内金属壳体外壁和外金属壳体内壁上开设的槽口绕设于磁芯外部；所述线圈为四线并绕结构。
2.根据权利要求1所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述磁芯压紧固定于外金属壳体和内金属壳体之间，且磁芯与外金属壳体和内金属壳体的接触间隙中填充有导热硅脂。
3.根据权利要求1或2所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述磁芯由锰锌2000铁氧体制成。
4.根据权利要求1所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述磁芯由多层铁氧体组成；相邻所述铁氧体之间紧密接触且相互绝缘。
5.根据权利要求4所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述铁氧体表面涂刷有绝缘漆。
6.根据权利要求1所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述外金属壳体外壁一体设置有多块间隔分布的散热片。
7.根据权利要求1所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述金属壳体包括第一部分和第二部分；所述第一部分一侧通过旋转轴与第二部分一侧铰接；所述第一部分另一侧通过至少一个开合结构与第二部分另一侧连接。
8.根据权利要求7所述的大功率高线性度的电流注入探头，其特征在于：所述开合结构为搭扣。
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