一種CS115/CS116電流監測探頭時域校準夾具的設計

董 佳 姚利軍 余璨譯

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1引言

隨著元器件日益集成化及電子設備在武器系統中的大量應用，電磁干擾及其帶來的電磁兼容（EMC）性問題已經引起了廣泛關注。2013年7月，我國最新發布了軍用電磁兼容標準GJB 151B[1]，對CS115和CS116兩個項目均增加了適用范圍，由此可看出這兩個項目的重要性日益得到認識和重視。

從該標準中就可以發現這兩個項目中都要用到電流探頭作為傳感器來測量瞬態脈沖電流。由于脈沖測量中采用了電流探頭作為傳感器，最終的監測電流值需要在測量電壓值的基礎上補償電流探頭的轉換系數（轉移阻抗）。但目前電流探頭的轉換系數是頻域上的結果，而監測到的波形是時域上的結果，如果測量波形不是標準的正弦波信號，兩者的測量結果就不能采用簡單相加的手段去修正[2，3]。所以，用時域的方法直接對電流探頭進行校準，對CS115和CS116兩個項目有重大意義。

電流探頭時域校準的關鍵是如何提供標準電流[4]。校準夾具的運用則成為關鍵。校準夾具由兩段半截的同軸轉換器組成，如圖1所示。當將電流探頭裝在其中時，便形成了一根同軸線，包裹著電流探頭的為外導體，穿過探頭口徑的為中心導體。這樣便可應用同軸線的阻抗性質進行標準電流的測量。

考慮到電流探頭的時域測量，校準夾具必須具備足夠寬的頻率特性，以保證時域信號包含的頻譜分量全部通過且不失真。而目前常用的校準夾具駐波在200MHz以上大于2，阻抗失配嚴重，引起功率的反射加劇，不適用于電流探頭時域轉換系數的校準。因而夾具的結構要進一步改善。校準夾具的主段和錐形過渡段均要求具有50Ω的特性阻抗，以保證同軸線內有良好的阻抗匹配，使電壓駐波比符合要求。

2 校準夾具的設計

2.1 校準夾具帶寬的理論分析

在脈沖波形的測量中，脈沖波形的上升時間與頻帶寬度有一定的對應關系，脈沖上升時間越短，包含的頻譜分量越豐富，諧波頻率越高，對應的頻帶寬度就會越寬，一般情況下脈沖波形的上升時間與頻帶寬度對應關系如式（1）：

式中：tr——上升時間，s；fh——高端截止頻率，Hz；k——當頻率響應特性為RC積分網絡時，k=0.35；當頻率響應特性為高斯型響應網絡時k=0.34。

對于CS115項目波形，上升沿小于2ns，RC積分網絡響應，可以計算出其頻帶寬度為175MHz。對于CS116項目波形，由于其最高頻率為100MHz，所以，滿足CS115波形的夾具同樣適用于CS116項目波形。校準夾具的帶寬設計以滿足CS115信號波形傳輸為目標。

我們利用MATLAB軟件分析電流探頭時域校準對于校準夾具的工作帶寬要求。具體思路如下：

1）將CS115標準信號波形通過傅里葉變換，得到其頻譜；

2）通過濾波器模擬校準夾具的工作帶寬，選擇有效帶寬內的頻譜分量；

3）經過濾波器的頻譜分量通過傅里葉逆變換，得到時域波形，從而模擬信號通過校準夾具后的波形。

按照上述思路，對CS115標準信號進行頻譜分析。CS115信號源9355輸出信號時域圖及其頻譜圖如圖3所示。

利用matlab信號處理功能，設計100MHz、200MHz、300MHz及500MHz工作帶寬的濾波器，如圖4所示。觀察通過濾波器的波形，比較濾波器輸出信號與輸入信號。

從圖5可以看出，通過100MHz、200MHz、300MHz及 500MHz后，波形的上升沿分別為 5.1ns、3.2ns、2.1ns、1.3ns，其波形幅值分別為 25.1mV、23.8mV、22.9mV、22.4mV。與標準信號的幅值相比其偏差分別為12%、6%、2.2%，0。由此看出，當夾具帶寬滿足500MHz時，可以完全傳輸CS115信號，當帶寬小于300MHz時，波形失真較嚴重，影響校準結果的準確性。

2.2 校準夾具的仿真設計

通過2.1節中理論分析，我們以500MHz為目標，設計校準夾具。校準夾具的豎直高度、寬度以及匹配段都是影響校準夾具性能的主要因素[5]。通過仿真優化，得到了校準夾具的最終模型圖如圖6所示。校準夾具在500MHz范圍內VSWR＜2的電壓駐波比仿真值如圖7所示。

改變CST建模仿真時的激勵波形，如圖8所示，為一個上升沿＜2ns，脈寬10ns的方波，得到駐波和阻抗仿真結果，如圖9、圖10所示。

3 實驗驗證

校準夾具的加工采用分段加工工藝，其內部為錐形同軸結構，參見圖6，外部通過法蘭連接，校準夾具的實物如圖11所示。

采用矢量網絡分析儀測量校準夾具的駐波，如圖12所示。

從圖12可以看出，校準夾具電壓駐波比在500MHz范圍內小于2，與仿真結果吻合。

通過校準夾具的CS115波形如圖13所示，其上升沿為1.34ns。GJB151B中規定的實驗波形如圖14所示，由圖13、圖14可見，本文中設計的校準夾具滿足CS115實驗波形的傳輸。

4 結束語

本文介紹了一種應用于電流探頭時域校準的校準夾具，利用matlab軟件，將校準夾具等效為濾波器，分析了校準夾具頻帶截斷對CS115波形的傳輸影響，得到了CS115實驗波形的傳輸條件，并利用CST軟件仿真設計了一款校準夾具，500MHz范圍內電壓駐波比VSWR＜2。經過實際測量，本文設計的校準夾具測量結果與理論分析結果一致，可以用于CS115/CS116電流監測探頭的時域校準。

［1］ GJB 151B—2013，軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量［S］，2003.

［2］ 張戈，陳迪.CS115和CS116監測探頭修正系數的確認方法［J］.安全與電磁兼容，2014（5）：17～20.

［3］ 譚堅文，石立華.脈沖電流探頭的時域標定研究［J］.強激光與電子束，2006（18）：337～340.

［4］ 陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶.電磁兼容試驗技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2001.

［5］ 周雁然，景莘慧，周忠元.注入電流探頭校準夾具的設計［J］.計量學報，2016（37）：531～534.