基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法

趙 麗，張小蕓，吳金華

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，江蘇 南京 211111)

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基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法

趙 麗，張小蕓，吳金華

(中國電子科技集團公司第五十五研究所，江蘇 南京 211111)

針對在CS115測試中沒有合適的電流探頭轉移阻抗而無法精確測量電纜束感應峰值電流的問題，提出了基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法。該方法根據標準GB/T6113.102 (CISPR16-1-2)中的電流探頭校準等效電路，將CS115測試中的脈沖發生器、注入探頭、校準夾具、同軸電纜和同軸負載(50 Ω)看成一個整體并替代校準等效電路中的信號源，通過測量線上的電壓和電流探頭的輸出電壓，計算得到電流探頭轉移阻抗。試驗表明：此方法能夠可重復性地獲得適用于CS115的電流探頭轉移阻抗，從而可以精確測量電纜束感應峰值電流。

電流探頭；轉移阻抗；測量方法；CS115

0 引言

CS115是電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度測試，用于檢測EUT(被測件)承受脈沖信號耦合到與EUT有關電纜上的能力。該脈沖激勵信號由脈沖上升和下降的時間小于2 ns，脈寬至少30 ns的特殊脈沖組成。這些脈沖參數保持不變，僅脈沖的幅度和脈沖重復頻率可以改變。方法CS115包括兩個部分[1-3]：1)校準，GJB151A-97的3.1和4.2(GJB 151B-2013的5.17.3.2和5.17.3.3)；2)測試，GJB 151 A-97的3.2和4.3(GJB 151B-2013的5.17.3.2和5.17.3.3)，其中需要記錄示波器測得的電纜束感應峰值電流。該過程通過電流探頭夾在受試電纜上，輸出端接示波器50 Ω負載端，電纜束感應峰值電流為示波器上顯示的電壓值與電流探頭轉移阻抗的比值。

事實上，現有的電流探頭轉移阻抗測量方法僅適用于窄帶信號[4-7]，不適用于寬帶的、頻譜分布寬的CS115脈沖激勵信號。然而，在標準中又沒有提供適用于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法，因此難以獲得合適的電流探頭轉移阻抗，存在無法精確測量電纜束感應峰值電流的問題。本文針對在CS115測試中由于沒有合適的電流探頭轉移阻抗而無法精確測量電纜束感應峰值電流的問題，提出了基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法。

1 電流探頭的工作原理

1.1 概述

電流探頭利用了安培定律[8]：

(1)

式中，C是開放表面S的周線。安培定律表明磁場可以通過穿越平面S的傳導電流或者位移電流感應出來。時變電場產生位移電流。如果沒有變化的電場穿過這個表面，那么感應出來的磁場直接與穿越環路的傳導電流有關。電流探頭利用這一原理來測量電流。電流探頭由一個被分成兩部分的鐵氧體芯構成，它們通過鉸鏈連接在一起并通過一個夾子來閉合。鐵氧體芯用來集中磁通，將夾子打開，把載有待測電流的受試電纜沿鐵氧體放置，然后關閉夾子。穿過這個環的電流產生一個集中的、環繞鐵氧體芯的磁場。由法拉第定律，幾匝線圈纏繞在鐵氧體芯上，以使環繞鐵氧體芯的隨時間變化的磁場感應出的電動勢與該磁場成正比。因此，這些線圈的感應電壓就可以被測量出來，并與通過電流探頭的電流成正比。

1.2 電流探頭的校準

電流探頭的校準等效電路示意圖[4-5]如圖1所示。當同軸線匹配良好時，流經內導體的電流Ip可通過測量線上的電壓V1來計算。如果電流探頭的輸出電壓為V2，轉移阻抗可由式(2)算出：

(2)

式(2)中：ZT為轉移阻抗，Ω，V1為同軸線上的射頻電壓，V，V2為探頭輸出的射頻電壓，V，Ip為被測電流，A。

轉移阻抗的單位通常為dBΩ公式如下：

ZT=V2-Ip=34+V2-V1

(3)

式(3)中：ZT為轉移阻抗，dBΩ，V1為同軸線上的射頻電壓，dBμV，V2為探頭輸出的射頻電壓，dBμV，Ip為被測電流，dBμA，系數34對應于50 Ω的負載阻抗。

轉移導納k是轉移阻抗的倒數，公式如下：

k=-ZT

(4)

式(4)中：k為轉移導納，dBS，ZT為轉移阻抗，dBΩ。

根據校準等效電路示意圖，信號源提供已知幅度和頻率的信號，可以獲得電流探頭的校準曲線圖，它表示了轉移阻抗與頻率的關系。某型號電流探頭在頻率范圍10 kHz～500 MHz內的轉移導納曲線圖如圖2，可以看出該電流探頭的轉移導納與頻率一一對應，故僅適用于窄帶信號，不適用于寬帶信號。

圖1 電流探頭的校準等效電路Fig.1 Calibration equivalent circuit of the current probe

圖2 電流探頭的轉移導納Fig.2 Transfer admittance of Current Probe

2 基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法

2.1 基于CS115激勵脈沖頻譜分析

CS115激勵脈沖的時域波形如圖3所示。為了便于分析可以近似看作是周期梯形波[8]，每個脈沖幅度A=5 A，脈沖上升時間τr≤2 ns，脈沖下降時間τf≤2 ns，一個脈沖寬度τ≥30 ns和重復周期T=1/f=1/30 Hz=33 ms，如圖4所示，梯形波的頻譜邊界[8]如圖5所示。

從圖5可以清楚地看到：周期梯形波的高頻頻譜分量主要取決于脈沖的上升和下降時間，上升/下降時間較短的脈沖比上升/下降時間較長的脈沖具有更多的高頻譜分量。第一個斷點和脈沖寬度有關，為1/πτ，假設CS115脈沖寬度τ=30 ns，則第一個斷點為10.6 MHz；第二個斷點和脈沖上升/下降時間有關，為1/πτr，假設CS115脈沖上升時間/下降時間τr=τf=2 ns，則第二個斷點為159.2 MHz，假設CS115脈沖上升時間/下降時間τr=τf=1 ns，則第二個斷點為318.5 MHz。

為了使頻譜能夠“精確”重現時域波形，選擇帶寬BW=0.5/τr，假設CS115脈沖上升時間/下降時間τr=τf=2 ns，則帶寬為250 MHz，假設CS115脈沖上升時間/下降時間τr=τf=1 ns，則帶寬為500 MHz，這與GJB152A/151B規定的帶寬(30 MHz～1 GHz對應的6 dB帶寬為100 kHz)相比，CS115激勵脈沖明顯為寬帶信號。周期梯形波的基頻為：f0=1/T=30 Hz，在帶寬內的頻譜分量非常多，不可能利用電流探頭轉移導納如圖3所示修正每個頻譜分量，這對于實際測量來說是不可接受的，因此我們希望能夠找到一種適用于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法。

圖3 CS115脈沖激勵的時域波形Fig.3 Time-domain wave of CS115 impulse excitation

圖4 周期梯形波Fig 4 Periodic trapezoid wave

圖5 周期梯形波的單邊譜邊界Fig.5 one-side spectrum bounds of periodic trapezoid wave

2.2 基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法

基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法也是根據GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)電流探頭校準等效電路[4]如圖1所示，將CS115測試中的脈沖發生器、注入探頭、校準夾具、同軸電纜和50 Ω負載看成一個整體作為該電路中的信號源，通過測量線上的電壓和電流探頭的輸出電壓，達到計算探頭轉移阻抗的目的。

CS115校準布置如圖6所示，將脈沖發生器、注入探頭、校準夾具、同軸電纜和50 Ω負載看成一個整體作為校準等效電路示意圖中的信號源如圖7所示；圖6的CS115校準布置中串聯1個校準夾具，電流探頭夾在該校準夾具上，其終端接1個20 dB衰減器，如圖7所示的虛線1，示波器上顯示的電壓為測量線上的電壓V1；示波器的輸入端從40 dB衰減器端斷開，接電流探頭的20 dB衰減器的輸出端，如圖7所示的虛線2，示波器上顯示的電壓為電流探頭的輸出電壓V2；應用式(3)，可得轉移阻抗ZT(Ω)。

只要校準布置和測試布置相同，或者只要脈沖上升時間和下降時間保持相同，基于CS115的轉移阻抗僅僅需要測量一次。

圖6 CS115 校準布置Fig.6 CS115 Calibration Setup

基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法,它是根據GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)電流探頭校準等效電路，將CS115測試中的脈沖發生器、注入探頭、校準夾具、同軸電纜和50 Ω負載看成一個整體并替代校準等效電路中的信號源，通過測量線上的電壓和電流探頭的輸出電壓，計算得到電流探頭轉移阻抗。此方法能夠可重復地獲得適用于CS115的電流探頭轉移阻抗，從而可以精確測量電纜束感應峰值電流。

圖7 基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量布置Fig.7 Measurement Setup of Transfer Impedance of Current Probe Based on CS115

3 試驗驗證及分析

為了驗證基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法的可重復性和準確性，根據圖7進行如下試驗驗證：1)首先校準(如圖6所示)，根據表1和表2要求的輸出電壓，調節CS115脈沖發生器的幅度并記錄幅度大小；2)其次測量線上電壓V1和電流探頭輸出電壓V2。根據表1調節CS115脈沖發生器的幅度，分別測量并記錄V1和V2，并計算流經校準夾具的電流為V1/50 Ω，如表1和表2；3)最后計算電流探頭的轉移阻抗和電流探頭測量的電纜束(校準夾具)感應峰值電流為V2/ZT，如表1和表2。4)將上述設備電纜全部脫開，重復步驟1)—3)，并記錄數據，如表1和表2。

表1 脈沖發生器的電壓不變時，電流探頭轉移阻抗的測量結果

表2 脈沖發生器的電壓改變時，電流探頭轉移阻抗的的測量結果

根據表1和表2的數據可以看出：在脈沖發生器的電壓保持不變和發生變化，測試設備每次重新連接的情況下，電流探頭轉移阻抗在5±0.02 Ω內波動，說明基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法能夠可重復地獲得轉移阻抗；電流探頭測量的電纜束(校準夾具)感應峰值電流與流經校準夾具的電流相比：在0～0.01 A內波動，說明基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法可以精確測量電纜束感應峰值電流。

4 結論

本文提出了基于CS115的電流探頭轉移阻抗的測量方法。該方法根據標準GB/T 6113.102(CISPR16-1-2)中的電流探頭校準等效電路，將CS115測試中的脈沖發生器、注入探頭、校準夾具、同軸電纜和同軸負載(50 Ω)看成一個整體并替代校準等效電路中的信號源，通過測量線上的電壓和電流探頭的輸出電壓，計算得到電流探頭轉移阻抗。試驗驗證表明：此方法能夠重復地獲得適用于CS115的電流探頭轉移阻抗，從而可以精確測量電纜束感應峰值電流。

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A Current Probe Transfer Impedance Measurement Method

ZHAO Li, ZHANG Xiaoyun，WU Jinhua

(The 55th Research institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing，211111, China)

It cannot accurately measure the peak current induced in the cable without an appropriate transfer impedance of current probe for a broad impulse excitation signal. For this problem, a measurement method for transfer impedance of current probe was proposed. This method could take the pulse generator, injection probe, coaxial cable and coaxial load (50 ohm) as a whole one and replace the signal source of calibration equivalent circuit. By measuring the voltage of the cable and the output voltage of the current probe, the transfer impedance of current probe could be calculated. The experiment results showed that: this method could repeatedly acquire the transfer impedance of current probe, thus the peak current induced in the cable could be accurately measured.

current probe, transfer Impedance, measurement method, impulse excitation

2016-04-15

趙麗(1982—)，女，河南人，碩士研究生，工程師，研究方向：電磁兼容技術。E-mail：xd-lover@163.com。

TN806

A

1008-1194(2016)05-0112-05