電磁兼容電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正方法

何洋，高萬峰，張建偉，張春喜，李艷（白城兵器試驗中心，吉林白城137001）

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電磁兼容電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正方法

何洋，高萬峰，張建偉，張春喜，李艷
（白城兵器試驗中心，吉林白城137001）

摘要：為了解決外場電磁兼容性試驗時環(huán)境溫度影響電流探頭測量精度的問題，通過溫度變化對電流探頭傳輸阻抗影響機理進行分析，得到了繞線電阻、分布電阻與分布電容等傳輸阻抗的主要參數(shù)與溫度的關(guān)系。提出了一種電流探頭傳輸阻抗溫度誤差的修正方法，并選取典型電流探頭進行實驗測試，獲得了其傳輸阻抗隨溫度的變化規(guī)律和相對誤差修正曲面。與標準實驗室的實驗結(jié)果進行比對，驗證了該方法的正確性和有效性。結(jié)果表明，該方法能在確保測量精度的前提下，將電流探頭的使用環(huán)境溫度擴展到-40℃～50℃，減小了外場試驗測試誤差。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；電磁兼容；電流探頭；傳輸阻抗；溫度；修正；校準

0 引言

大型設(shè)備系統(tǒng)級電磁兼容性試驗及現(xiàn)場快速干擾診斷排查等一般在外場進行，外場環(huán)境溫度無法像內(nèi)場（如屏蔽室）那樣做到可控，如果不做修正，往往會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是溫度變化會對暴露于自然環(huán)境中的電磁兼容測試設(shè)備（如電磁兼容測量天線、電流探頭等傳感器）的測量精度產(chǎn)生影響；二是溫度變化可引起被試大型設(shè)備某些電特性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其電磁兼容性產(chǎn)生變化。被試大型設(shè)備在外場實際使用環(huán)境下的電磁兼容性，恰恰反映了其使用狀態(tài)的真實電磁兼容性能；而測試設(shè)備的測量精度受到的影響必須得到修正，方可確保測量結(jié)果的有效性。以開闊試驗場電磁兼容性傳導(dǎo)發(fā)射測試為例［1］，目前主要的控制方法為將接收機、計算機、衰減器等測試設(shè)備放置于溫度可控的方艙內(nèi)，使其不會受到外界自然溫度環(huán)境影響。但電流探頭這一核心設(shè)備必須置于開闊場場坪的測試點位上，暴露于自然環(huán)境下，其測試精度不可避免地會受到外界環(huán)境溫度的影響。

傳輸阻抗是衡量電流探頭測試準確度的重要指標，直接關(guān)系到電磁兼容性測量結(jié)果的準確度。國內(nèi)外許多學(xué)者對電流探頭傳輸阻抗的校準方法進行了研究［2 -11］，但大都只給出一種溫度條件下的校準方法和結(jié)果，即在實驗室標準溫度條件下（20℃左右）的電流探頭傳輸阻抗，適用于外場非標準溫度條件下的電流探頭測試精度修正未見文獻報道。剔除由環(huán)境溫度引起的電流探頭測試誤差，能夠提高測試設(shè)備的精度，確保測試結(jié)果的有效性和準確性。

1 溫度對電流探頭性能影響分析

1. 1 電流探頭測試原理

表征電流探頭的重要指標是傳輸阻抗，傳輸阻抗的定義為

式中：Zt為傳輸阻抗（贅）；Uo為次級輸出電壓（V）；I1為初級電流（A）。

一般，電流探頭由鐵氧體、帶有絕緣材料的銅線及金屬外殼組成。其測試原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，等效電路模型如圖2所示［12］。

圖1 電流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The internal structure diagram of current probe

根據(jù)電流探頭等效電路模型，由基爾霍夫定律可得

圖2 電流探頭等效電路模型Fig. 2 The equivalent circuit model of current probe

式中：ω為角頻率；M為電流探頭與被測導(dǎo)線的互感；L為電流探頭繞線的自感；I2為次級電流；Z為虛線內(nèi)的總電阻。

式中：R為儀器內(nèi)阻（一般為50贅）；r為繞線電阻。

從（5）式可以看出，Zt與M、L、C、r、ω都有關(guān)系。因此，傳輸阻抗的大小與被試品頻率、鐵氧體磁導(dǎo)率、線圈匝數(shù)、銅線阻抗等參數(shù)密切相關(guān)。

1. 2 電流探頭溫度影響機理分析

根據(jù)電流探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，溫度對鐵氧體導(dǎo)磁率和金屬殼體形變的影響非常小［13］，可以忽略。因此，溫度對電流探頭傳輸阻抗的影響主要由繞線電阻、分布電感與電容組成。

1. 2. 1 繞線電阻的影響

線圈由銅絲繞制而成，銅絲形狀尺寸（主要為長度變化）發(fā)生變化必然會引起線圈阻抗的變化。由導(dǎo)體電阻計算公式可得

式中：ρ為導(dǎo)體電阻率，銅絲為1. 75×10-8贅；l為導(dǎo)體長度（m）；S為導(dǎo)體橫截面積（m2）。

金屬材料膨脹計算公式為

式中：α為金屬膨脹系數(shù)，銅絲的膨脹系數(shù)為1. 65× 10-4m/℃；Δl為導(dǎo)體長度變化量（m）；Δt為溫度變化量（℃）。

將（7）式代入（6）式中可得

式中：ΔR為金屬電阻變化量。

一般情況下，設(shè)線圈匝數(shù)為n = 8，鐵氧體半徑rf=0. 01 m，線圈橫截面積S = 80×10-6m2，Δt = 30℃，則5. 44×10-7贅，由計算結(jié)果可知其對傳輸阻抗貢獻極其微小。

1. 2. 2 分布電容的影響

電流探頭內(nèi)部極細銅絲線的絕緣采取的是銅線由絕緣膠包裹，固定采用的是用絕緣的塑質(zhì)材料或絕緣膠粘合。這種結(jié)構(gòu)在正常溫度下基本不會有問題，能夠確保電流探頭的正常使用。但是，當探頭在高/低溫度下使用時，由于銅絲極細，并且銅的熱膨脹系數(shù)與塑質(zhì)材料或絕緣膠的冷熱膨脹系數(shù)存在相對值，這必將導(dǎo)致銅線的間距發(fā)生改變，直接影響探頭的監(jiān)測性能。比較直接的影響是探頭特定的頻點監(jiān)測出現(xiàn)偏差，這主要是由銅絲間距改變導(dǎo)致漏磁造成的。因此，銅線間距的變化導(dǎo)致繞線間的分布電容產(chǎn)生了變化。

繞線間的分布電容可從電容的基本定義推導(dǎo)而得［14］。這個電容是沿著繞組分布的，可以把原副邊繞成2根半徑為a的平行導(dǎo)線A、B，中心相距為d，如圖3所示。

圖3 兩平行導(dǎo)線間分布電容示意圖Fig. 3 The distributed capacitance between two parallel wires A and B

假設(shè)原邊繞組、副邊繞組分別攜帶電荷+ q、- q，距離A的中心x處P點的電場強度為E，則場強E為導(dǎo)線A、B的電荷分別在P點產(chǎn)生的電場強度EA和EB的疊加。根據(jù)高斯定理

方向是由A指向B，因此A、B間的電位差UAB為

由此可得長為la的繞組間分布電容為

式中：ε為繞組導(dǎo)體間絕緣材料的介電常數(shù)；la為兩繞組正對的平均長度。

線圈一般采用絕緣噴漆6081A/ B/ C，是經(jīng)濟型高光環(huán)氧樹脂涂料，用于磁環(huán)表面絕緣噴漆，具有使用時間長、附著力強、物理特性優(yōu)秀等特點，其熱膨脹系數(shù)為4×10-5cm/℃.假設(shè)繞組間距d = 0. 1 cm，銅絲半徑rCu=0. 01 cm，溫度變化30℃.根據(jù)（11）式計算可知，由于溫度變化導(dǎo)致每匝線圈間距變化Δd =0. 012 cm，這說明溫度變化可使分布電容較正常值變化近1. 024倍。由此可知，分布電容的變化是溫度導(dǎo)致電流探頭傳輸阻抗變化的主要因素。

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：當溫度升高時，絕緣材料由于熱膨脹后使附著在其上面的導(dǎo)線間距d增大，導(dǎo)致分布電容C變小，從而傳輸阻抗Zt隨之變大；反之，當溫度下降時，絕緣材料冷縮，致使導(dǎo)線間距d變小，從而分布電容C變大，導(dǎo)致傳輸阻抗Zt隨之變小。

2 電流探頭傳輸阻抗修正

國際無線電干擾特別委員會發(fā)布的CISPR 16-1電磁兼容標準中規(guī)定了電流探頭的校準方法，校準原理如圖4所示［15］。當采用50贅測試系統(tǒng)時，電流探頭的傳輸阻抗Zt定義為

圖4 電流探頭校準原理圖Fig. 4 The calibration principle of current probe

將電流探頭卡在校準裝置上，只要得到電流探頭上的感應(yīng)電壓U2和終端負載上的電壓U1，即可計算電流探頭的傳輸阻抗Zt.

2. 1 測試方法

本文方法的測試流程如圖5所示，校準示意圖如圖6所示，具體步驟如下：

1）在電磁兼容微波暗室內(nèi)，室內(nèi)溫度保持在標準溫度t =20℃條件下，將電流探頭卡在校準夾具上并置于溫度實驗箱內(nèi)，電流探頭與頻譜分析儀連接，校準夾具一端接50贅負載，一端與信號源連接。

圖5 電流探頭測試流程圖Fig. 5 The test procedure of the proposed method

圖6 溫度實驗箱內(nèi)電流探頭校準示意圖Fig. 6 The measurement arrangement

2）假設(shè)測量溫度的最低溫度為t1，最高溫度為tn，設(shè)置溫度實驗箱內(nèi)的溫度為ti，t1≤ti≤tn，i = 1，2，…，n，ti的初始值為t1，進行保溫。待溫度穩(wěn)定后設(shè)置并保持信號源輸出為U1，按照標準規(guī)定的校準頻點fj逐一對電流探頭的傳輸阻抗進行測試，使用頻譜儀測得電流探頭的接收值U2（ti，fj），其中，j = 1，2，…，m.

3）保持測試配置不變，關(guān)閉信號源輸出，令溫度實驗箱內(nèi)的溫度為ti +1= ti+Δt，Δt為溫度變化量，進行保溫。待溫度穩(wěn)定后，設(shè)置并保持信號源輸出為U1.按照標準規(guī)定的校準頻點fj逐一對電流探頭的傳輸阻抗進行測試，使用頻譜儀測得電流探頭的接收值U2（ti，fj），判斷ti +1是否等于tn.如果是，進入步驟4；如果否，返回步驟3，繼續(xù)進行測量。

4）根據(jù)（13）式計算所有不同溫度、不同頻率條件下電流探頭的傳輸阻抗值Zt（ti，fj）為

由于上述測試過程中，金屬的熱膨脹系數(shù)α一般為10-5～10-6m/℃，進而由于溫度變化引起的校準夾具和線纜阻抗變化非常小，可忽略，因此Zt（ti，fj）可直接用（13）式計算。

5）將所有溫度條件下電流探頭傳輸阻抗值Zt（ti，fj）分別與t = 20℃時的傳輸阻抗值之間Zt（t20，fj）進行比較，得到電流探頭相對于20℃時的傳輸阻抗隨溫度的變化量ΔZt（ti，fj）為

采用插值擬合算法對獲得的相對誤差數(shù)據(jù)進行擬合，得到電流探頭傳輸阻抗的溫度-頻率-相對誤差修正曲面。

上述測試中，由于采用溫度實驗箱，不可避免地會引入測試誤差。為盡量減小箱體內(nèi)壁對電磁波的反射及由密閉腔體導(dǎo)致的諧振效應(yīng)，本文采用以二氧化硅體系為主的透波材料作為溫度實驗箱體。這種材料具有極小的線膨脹系數(shù)（約0.5×10-6K-1）、較好的抗熱沖擊性能、較低的介電常數(shù)ε（2. 8～3. 5）和損耗角正切tanσ（小于0. 000 4）隨溫度變化小的優(yōu)點，而且其導(dǎo)熱系數(shù)小，熱防護能力好，制造工藝相對來說較簡單，成本較低。

2. 2 典型電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正

選取電磁兼容性測試中常用的9123-1N型電流探頭，按照3. 1節(jié)所述方法進行測試，測試頻率范圍為10 kHz～100 MHz.根據(jù)一般外界自然溫度環(huán)境變化范圍設(shè)定溫度變化區(qū)間為-40℃～50℃，測試頻點選取標準實驗室校準證書的校準頻點。將獲得的測試數(shù)據(jù)與該探頭的校準結(jié)果進行比對，得出該探頭傳輸阻抗隨溫度變化的規(guī)律曲線。

1）標準溫度條件下標準實驗室校準數(shù)據(jù)。為了與標準數(shù)據(jù)進行對比及驗證實驗結(jié)果的有效性，首先給出該電流探頭在校準實驗室內(nèi)測得的校準數(shù)據(jù)。圖7所示為北京無線電計量測試研究所給出的該電流探頭校準曲線。測試場地為校準實驗室，實驗室溫度為20℃，相對濕度為28%.

2）典型電流探頭傳輸阻抗隨溫度變化分析。將電流探頭和同軸校準夾具等放置在溫度實驗箱內(nèi)。信號源輸出U1= - 15 dBm，得到-40℃～50℃范圍內(nèi)電流探頭接收幅值和變化曲線，如圖8所示。為能夠更加直觀地看到傳輸阻抗隨溫度的變化情況，用溫度為20℃時的傳輸阻抗值與其他溫度條件下的傳輸阻抗值進行對比，得到電流探頭不同溫度條件下傳輸阻抗相對于標準溫度條件下的相對誤差，如圖9所示。由圖9可以看出，隨著溫度的升高，傳輸阻抗相對誤差變大；隨著頻率的升高，傳輸阻抗相對誤差逐漸變小，尤其在10 MHz以下，這種變化非常明顯且與理論分析基本吻合。

圖7 9123-1N型電流探頭傳輸阻抗校準曲線Fig. 7 The calibration curve of 9123-1N current probe

圖8 典型溫度下電流探頭傳輸阻抗變化曲線Fig. 8 The curves of current probe transfer impedance at typical temperatures

圖9 測試數(shù)據(jù)與校準數(shù)據(jù)間的相對誤差曲線Fig. 9 The relative error between test data and calibration data

3）典型電流探頭傳輸阻抗相對誤差修正。采用三次樣條插值算法對上述傳輸阻抗相對誤差進行擬合，得到電流探頭傳輸阻抗溫度-頻率-幅值相對誤差修正曲面，如圖10所示。由此可見，在環(huán)境溫度不可控的情況下，利用該相對誤差曲面對實測數(shù)據(jù)進行修正，可以在保證測試精度的前提下，拓展電流探頭的使用范圍。

圖10 電流探頭傳輸阻抗溫度相對誤差修正曲面Fig. 10 The surface for temperature error correction of current probe

3 實例驗證

3. 1 驗證方法

首先，在標準實驗室20℃條件下進行測試，將測試結(jié)果作為基準比對數(shù)據(jù)；其次，保持測試配置不變，在高低溫環(huán)境室50℃條件下進行測試，采用本文方法對該實測試數(shù)據(jù)逆推修正到20℃條件下；最后，檢驗?zāi)嫱菩拚Y(jié)果與基準比對數(shù)據(jù)之間的誤差，驗證該方法的正確性。

為了確保測試結(jié)果的可比對性，兩種條件下被試品的工作狀態(tài)應(yīng)保持一致。選取CGC-255型傳導(dǎo)參考源并將其置于保溫箱內(nèi)（保溫溫度設(shè)為20℃）作為基準被試品。由于該參考源的使用頻率范圍限制，因此比對頻段選為1～10 MHz.

1）標準實驗室20℃條件下傳導(dǎo)發(fā)射測試。在標準實驗室20℃條件下，將傳導(dǎo)參考源置于溫度實驗箱（材質(zhì)與上同）內(nèi)并使其一直保持20℃，將經(jīng)過校準的電流探頭卡在被試線纜上，探頭距離傳導(dǎo)參考源5 cm進行傳導(dǎo)發(fā)射測試，獲取傳導(dǎo)參考源的傳導(dǎo)發(fā)射數(shù)據(jù)，如圖11所示。

2）高低溫環(huán)境室條件下傳導(dǎo)發(fā)射測試。將標準傳導(dǎo)參考源置于溫度實驗箱內(nèi)，使其處于并保持20℃；將電流探頭置于高低溫環(huán)境室內(nèi)并卡在被試信號線纜上，探頭距傳導(dǎo)參考源5 cm；保持其他測試配置與標準實驗室條件下的測試配置相同；改變環(huán)境室內(nèi)溫度到50℃，保溫3 h后，利用電流探頭測試傳導(dǎo)參考源的傳導(dǎo)發(fā)射情況，記錄此時傳導(dǎo)參考源的傳導(dǎo)發(fā)射數(shù)據(jù)，如圖12所示。

利用圖10中的電流探頭溫度-頻率-傳輸阻抗相對誤差修正曲面對上述測試結(jié)果逆推修正到20℃條件下，再與標準實驗室的測試結(jié)果比對。

圖11 標準實驗室傳導(dǎo)發(fā)射測試布置Fig. 11 The conducted emission test layout in standard EMC laboratory

圖12 高低溫環(huán)境室傳導(dǎo)發(fā)射測試布置Fig. 12 The conducted emission test layout in temperature environmental chamber

3. 2 實驗結(jié)果比對分析

1）標準實驗室20℃條件下傳導(dǎo)發(fā)射測試結(jié)果。在北京無線電計量測試研究所完成20℃條件下標準傳導(dǎo)參考源的傳導(dǎo)發(fā)射測試，將測試結(jié)果作為基準比對數(shù)據(jù)，測試配置和測試數(shù)據(jù)分別如圖13、圖14所示。

圖13 標準實驗室20℃時傳導(dǎo)發(fā)射測試Fig. 13 The conducted emission test at 20℃in standard EMC laboratory

2）高低溫環(huán)境室傳導(dǎo)發(fā)射測試結(jié)果。在高低溫環(huán)境室50℃條件下進行標準傳導(dǎo)參考源的傳導(dǎo)發(fā)射測試，測試數(shù)據(jù)如圖15所示。將此測試數(shù)據(jù)修正到20℃條件下，修正后的測試數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖14 20℃時標準實驗室傳導(dǎo)發(fā)射測試數(shù)據(jù)Fig. 14 The conducted emission test data at 20℃in standard EMC laboratory

圖16 由50℃修正到20℃時的環(huán)境室傳導(dǎo)發(fā)射測試數(shù)據(jù)Fig. 16 The conducted emission test data by temperature error correction from 50℃to 20℃

3）測試結(jié)果比對。為能夠比較直觀地表示修正后的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)之間的誤差情況，選取關(guān)心的有用信號頻點，將實測數(shù)據(jù)、修正后測試數(shù)據(jù)與標準實驗室測試數(shù)據(jù)進行比對分析，檢驗3種情況下測試結(jié)果之間的誤差，如圖17所示。

圖17 實測數(shù)據(jù)、修正數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的對比Fig. 17 Comparison among measured data，revised data and standard data

經(jīng)計算，實測數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)之間的平均誤差為6. 99 dB，均方根誤差為7. 27 dB，修正后的實測數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)之間的平均誤差為0. 37 dB，均方根誤差為0. 85 dB.結(jié)果表明，通過電流探頭傳輸阻抗溫度誤差修正，大大減小了測試誤差，提高了測試精度。

4 結(jié)論

本文針對外場電磁兼容性傳導(dǎo)發(fā)射測試，提出了基于溫度誤差補償?shù)碾娏魈筋^傳輸阻抗修正方法。通過該方法給出了電流探頭傳輸阻抗隨溫度的變化曲線。實際測試時，利用該曲線對電流探頭的傳輸阻抗進行修正，降低溫度對電流探頭測量精度的影響。該方法彌補了傳統(tǒng)方法不能給出不同溫度條件下電流探頭傳輸阻抗的不足，突破了傳統(tǒng)校準方法的使用局限性，可在不降低測量精度的前提下，有效拓展電流探頭的使用范圍，確保外場試驗結(jié)果的有效性和準確性。

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A Method for Temperature Error Correction of Transfer Impedance of EMC Current Probe

HE Yang，GAO Wan-feng，ZHANG Jian-wei，ZHANG Chun-xi，LI Yan
（Baicheng Ordnance Test Centre，Baicheng 137001，Jilin，China）

Abstract：In order to improve the measuring accuracy of current probe influenced by ambient temperature in field EMC（electromagnetic compatibility）test，the mechanism of temperature affecting on the transfer impedance of current probe is analyzed，and the quantitative relations among winding resistance，distributed resistance，distributed capacitance and temperature are given. A calibration method of current probe is presented based on the temperature error compensation，the law that transfer impedance changes with temperature and the curve of temperature error compensation are given，the validity and effectiveness of the proposed method is proved by comparing the test results with the laboratory results. The results show that the method can be used to expand service ambient temperature of the current probe from -40℃to 50℃on the premise of ensuring measuring accuracy，and reduce the measurement error in field test.

Key words：ordnance science and technology；electromagnetic compatibility；current probe；transfer impedance；temperature；correction；calibration

中圖分類號：TM930. 1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）04-0712-07

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 020

收稿日期：2015-04-16

基金項目：武器裝備預(yù)先研究項目（51333050401）

作者簡介：何洋（1974—），男，工程師。E-mail：nudt_hy@163. com