一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头，属于电磁传导发射测试技术领域。本发明通过等效电路和高频电磁场相结合的计算方法，设计研制了一种高灵敏度宽带电流监测探头。本发明的电流探头根据等效电路计算结果，使用新型材料作为磁芯，并根据电磁场仿真计算结果确定结构尺寸。本发明的电流探头与商用探头进行了试验比对，比对结果表明，本发明的电流探头在低频段20Hz?10kHz，电流探头测试灵敏度高于商用探头15dB以上，在高频段10kHz?500MHz，其传输阻抗能够达或超过到商用探头测试灵敏度指标，本发明的电路探头性能满足电磁兼容型传导发射试验要求。
【专利说明】
一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁兼容性测试技术领域，具体地说，是设计研制一种用于传导发射 测试的高灵敏度宽带监测电流探头。
【背景技术】
[0002] 被试品传导发射是电磁兼容性试验的核心考核内容之一，传导发射试验一般分为 利用线性阻抗稳定网络测试被试品的传导发射电压和利用电流探头测试被试品的传导发 射电流两种类型。电流探头测试法，是通过将电流探头卡到被试线缆上，感应有信号通过的 线缆束产生的电磁场，利用接收机接收探头感应到的端口电压，再对测试结果进行计算，从 而得到被试线缆中的电流强度。
[0003]线缆传导发射电流探头感应测试法因为其试验方法简单，对试验环境条件要求较 低，越来越受到试验测试人员的重视。近年来，有研究人员提出了利用电流探头替代线性阻 抗稳定网络测试传导发射电压的方法，该方法对电流探头的应用进行了进一步的拓展，使 电流探头在电磁兼容测试领域的应用越来越广泛。
[0004] 根据国际无线电管理委员会CISPR-16-1对电磁兼容性试验中电流探头使用的规 定，结合不同专业类电磁兼容标准对电流探头的使用要求，可以分析出，测试传导发射用的 电流探头，其使用频率从20Hz应用到500MHz。
[0005] 目前，商用电流探头在低频频段，由于其使用的材料和结构设计等因素影响，在较 低频段其传输阻抗特性较差，特别是宽频带电流探头，在较低频段，其传输阻抗接近测试设 备灵敏度极限，影响传导发射试验在低频的测试结果精度。针对这种情况，本发明并研制了 一种新型宽带电流探头，其在低频段具有较高的传输阻抗，能够显著提高电流探头在低频 段的使用性能和测试灵敏度，并且，在高频段特性满足标准规定的测试精度，适用于不同频 段传导发射测试需求。
【发明内容】
[0006] 本发明公开了一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头，本发明所述 的电流探头在低频段20Hz-10kHz，电流探头测试灵敏度高于相同功能商用探头15dB以上， 在高频段10kHz-500MHz，电流探头测试灵敏度能够达到同类商用探头的指标，适合于电磁 兼容试验中的传导电流发射测试。
[0007] 本发明提供一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头，具体步骤如 下：
[0008] 步骤一:对电流探头的制作材料进行选择；
[0009] 为了提高电流探头在低频20Hz-10kHz的测试灵敏度，并兼顾高频10kHz-500MHz的 测试灵敏度特性，选择磁导率远高于商用锰锌铁氧体的铁基超微晶作为电流探头的磁芯材 料。
[0010] 步骤二:给出电流探头的尺寸和结构；
[0011] 电流探头磁芯使用材料后，需要对探头的整体结构进行计算设计，采用电磁场数 值计算方法，对电流探头进行建模计算，优化电流探头的结构，得到电流探头的优化尺寸。 本发明所述电流探头分为五层结构，电流探头尺寸如附图3所示。电流探头最外层和最内 层，图3中为(r?和r 6-r5)，是厚度1.5毫米-2.5毫米的屏蔽壳体；电流探头屏蔽壳体使用 高电导率材料，考虑到成本和经济实用因素，选用黄铜或紫铜较好，如果成本允许，最好选 用高纯度银质材料；电流探头中间是厚度8毫米-10毫米的磁芯，图3中为(r 4-r3)，磁芯使用 铁基超微晶合金;磁芯到电流探头外层屏蔽壳体之间是厚度为4毫米-5毫米的绝缘材料，图 3中为(r 5-r4);磁芯到电流探头内层屏蔽壳体之间是厚度为6毫米-8毫米的内层绝缘材料， 图3中为(r 3-r2)，绝缘材料选择高电阻率材料聚四氟乙烯，全氟乙烯或聚丙烯材料；电流探 头的磁芯宽度为24毫米-26毫米，图3中为出，磁芯外层绝缘材料宽度为32毫米-36毫米，图3 中为Wi。本发明所述电流探头允许制作误差在百分之五之内。
[0012] 步骤三:对制作的电流探头进行测试，验证电流探头的宽带特性及灵敏度特性；
[0013] 根据国际标准ISO的规定，对本发明的电流探头进行测试验证，并将本发明的电流 探头特性与同类型的商用电流探头对比，证明本发明的优越性。
[0014] 电流探头在低频段20Hz-10kHz，电流探头测试灵敏度高于相同功能商用探头15dB 以上，在高频段10kHz-500MHz，电流探头测试灵敏度能够达到同类商用探头的指标。
[0015] 本发明一种新型线性阻抗稳定网络的分析与设计方法的优点在于:本发明给出一 种用于传导发射试验的高灵敏度宽带电流监测探头，本发明电流探头使用铁基超微晶合金 材料作为磁芯，并根据电磁场理论计算确定其结构尺寸。本发明所述电流探头与商用探头 进比较。在低频段20Hz-10kHz，本发明电流探头分别与美国Solar公司的同类探头So-9207-1N和FCC公司的同类探头F-16A比较，本发明的电流探头测试灵敏度高于商用探头15dB以 上;在高频段10kHz-500MHz，本发明电流探头分别与美国Solar公司的同类探头So-9123-lN 与FCC公司的同类探头F-55比较，本发明电流探头的测试灵敏度能够达到商用探头指标，测 试灵敏度满足电磁兼容型传导发射试验要求。
【附图说明】
[0016] 图1是电流探头的等效电路原理图；
[0017] 图2是本发明实现过程图；
[0018] 图3是本发明电流探头的结构尺寸图；图3左图为电流探头平行放置剖面图，描述 了探头的内外径尺寸;右图为电流探头垂直放置剖面图，描述了探头的高度和宽度尺寸；
[0019] 图4是电流探头特性测试配置图；
[0020] 图5是电流探头测试校准配置图；
[0021] 图6是从20Hz到1MHz本发明电流探头与商用探头的对比图；
[0022]图7是从10kHz到500MHz本发明电流探头与商用探头的对比图。
【具体实施方式】
[0023 ]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0024]本发明提供一种传导发射试验用高灵敏度宽带电流监测探头，探头的设计研制及 组成结构按照以下步骤进行，如图2所示。
[0025] 步骤一:对电流探头的制作材料进行选择；
[0026] 根据图1所示的电流探头等效电路原理图，对电流探头的传输特性进行计算分析。 在等效电路中，被试线缆等效为互感电路的初级单匝线圈，其自感远小于电路互感，可以在 计算中忽略;在该电路中，Ls代表互感电路的次级自感;Lm代表被试线缆和探头之间的电路 互感;Ip代表被试线缆中的电流;Is代表电路次级的感应电流;Rs代表探头绕组的自阻抗;Ro 代表探头负载阻抗;Rm代表探头磁芯随频率增加而产生的损耗阻抗;C代表互感电路次级随 被试频率增加而产生的分布电容;Vo代表负载端电压。根据电流探头传输阻抗的定义，传输 阻抗为：
[0027]
* ^
[0028] 当电流探头等效互感电路工作在低频时，磁芯损耗电阻和分布电容很小，在计算 中可以忽略；电路次级线圈自阻抗Rs与负载阻抗Ro相比很小，也可在计算中忽略。将电路初 级等效为带电流源的通电单匝线圈，根据基尔霍夫定理，可得：
[0029] j〇LMIP = j〇 (Ls+Lm)Is+IsRo (2)
[0030] 根据电流探头传输阻抗的定义可得：
(3)
[0031]
[0032] 其中，ω为被测电流的角频率(rad/sVAy^1)-，即被测频率
时， 该公式经过整理变换后，可得：
[0033]
(4)
[0034] 从公式(4)可知，当电流探头工作在较低的频率时，导线中的电流频率f较小，随着 频率的增加，传输阻抗Zt线性增加。
[0035] 为了提高试验测试精度和试验结果准确性，最重要的就是增加电流探头在低频工 作时的测试灵敏度。增加电流探头的低频测试灵敏度，需要增加电流探头的低频传输阻抗。 根据公式(4)所示，电流探头的低频传输阻抗特性只与工作频率和探头与被试线缆之间的 互感有关。依据两级通电线圈的互感计算公式：
[0036]
C5)
[0037] 公式(5)中，K为线圈间耦合系数，传导电流发射试验等效电路中，在低频工作时， 由于探头磁芯的磁导率高，漏磁很小，可以近似认为两级线圈间耦合系数约等于1。由公式 (5)可知，要提高互感Lm，只有提高两级线圈的自感。对于电磁传导电流发射试验，被试线缆 确定，其等效电路的初级也就确定，提尚互感只能通过提尚电路次级，也就是提尚探头的自 感来实现。根据线圈自感的定义公式：
[0038]
(6
[0039] 其中μ真空磁导率，值为431*1〇〃％为磁芯的相对磁导率;N为线圈的匝数;S为线圈 的横截面积，单位为平方米;1代表线圈的长度，单位为米;k代表线圈的系数，k的值取决于 线圈半径与长度的比值。
[0040] 从公式(6)可知，探头的自感特性主要与磁芯材料和探头内部线圈的结构有关，为 了提高探头的低频工作性能，需要选取工作频段内磁导率尽可能高的材料，并且，考虑的磁 滞饱和等问题，为了使探头具有良好的低频特性，同时兼顾高频使用特性，根据使用需求， 选取了铁基超微晶合金作为电流探头的磁芯。
[0041] 步骤二:给出电流探头的尺寸和结构；
[0042]为了提高电流探头低频工作性能，同时保证其在高频段的使用特性，由于电流探 头工作在高频时，电流探头等效电路的分布参数效应影响明显，其传输阻抗呈非线性，利用 等效电路公式已不能对电流探头传输阻抗进行准确计算。因此，对电流探头结构的设计，通 过电磁场数值仿真软件，仿真计算不同尺寸结构对电流探头高频工作性能的影响，并通过 计算结果确定电流探头的尺寸。
[0043]电流感应探头的主要结构由探头内外屏蔽体，内部磁芯，包裹磁芯的绝缘材料和 缠绕在磁芯上的绕线构成。每一种材料的尺寸结构对电流探头传输特性都有影响，综合仿 真并考虑优化不同尺寸结构对电流探头高频传输特性的影响规律，得到高频传输特性相对 理想的电流探头结构尺寸如图3所示，本发明所述电流探头共分为五层结构。最外层和最内 层为厚度2毫米的屏蔽壳体，壳体材料使用黄铜；电流探头中间为厚度10毫米的磁芯，磁芯 使用铁基超微晶合金;磁芯到屏蔽壳体之间是厚度为分别为5毫米和8毫米的内层和外层绝 缘材料，绝缘材料为聚四氟乙烯。电流探头的磁芯宽度为26毫米，磁芯外层绝缘材料宽度为 34毫米。
[0044]步骤三:对制作的电流探头进行测试，验证其宽带特性及灵敏度特性。
[0045] 根据国际标准组织IS011452-4对电流监测探头的测试规定，测试验证电流探头的 传输阻抗。电流探头传输阻抗通过矢量网络分析仪，校准夹具和50欧姆同轴负载进行测试。 测试配置如图4所示，将矢量网络分析仪的端口 1和端口 2分别用射频线缆连接到电流探头 校准夹具的输入端和电流探头的输入端，校准夹具的输出端接50欧姆的匹配负载。调试矢 量网络分析仪，查看电流探头的传输系数，即矢量网络分析仪上显示的S 21的值，通过计算得 到电流探头的传输阻抗。
[0046] 根据IS011452-4标准的规定，对电流探头传输阻抗测试之前，首先需要对校准装 置进行校准，按照图5所示，用矢量网络分析对校准夹具和负载进行校准，根据校准的回波 损耗Sn的结果，计算校准夹具和负载的驻波比，当驻波比小于1.2时，认为该测试装置自校 准通过，满足对电流探头传输特性进行测试的能力，可以进行电流探头传输阻抗的测试。
[0047] 通过对电流探头的测试，根据电流探头传输阻抗的定义，对电流探头实际测试出 的传输特性曲线进行计算，计算公式如式7所示。
[0048] Zx(dBQ ) = 34(dBQ )+S2i(dB) (7)
[0049] 本发明的电流探头工作频率为20Hz-500MHz。为了验证电流探头在低频的传输特 性，将电流探头与主流商用监测电流探头比较，在低频段本发明给出的电流探头与Solar公 司和FCC公司的低频电流探头进行比较。
[0050] 美国Solar公司的电流探头SO-9207-1N，其工作频段为20HZ-150MHZ，美国FCC公司 的电流探头F-16A，其工作频段为Ι0Hz-ΙΟΟΜΗζ，本发明给出电流探头与这两种电流探头的 传输阻抗进行测试对比，对比曲线如图6所示。
[0051] 为了验证本发明电流探头在高频的传输特性，与主流商用监测电流探头比较，本 发明的电流探头在射频频段传输阻抗与Solar公司和FCC公司的宽带高频电流探头进行比 较。
[0052] 美国Solar公式的So-9123-lN，其工作频段为10kHz-500MHz，美国FCC公司的F-55， 其工作频段为10kHz-500MHz，本发明给出电流探头与这两种电流探头的传输阻抗进行测试 对比，对比曲线如图7所示。
[0053] 从图6和图7中可以看出，本发明给出的电流探头在低频时，特别是从20Hz到 10kHz，其传输阻抗远大于商用探头，在20Hz频点，本发明的电流探头比美国FCC公司的F-16A同类探头高16dB，比美国Solar公司的So-9207-lN同类探头高40dB。即本发明电流探头 的测试灵敏度在20Hz比商用电流探头高至少15dB。在20Hz到10kHz频段，本发明的电流探头 测试灵敏度全面高于商用电流探头，而在10kHz到500MHz，本发明的电流探头测试灵敏度能 够达到商用电流探头的水平，因此本发明的电流探头具有比商用电流探头更加优越的性 能。
[0054]提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本 发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头，其特征在于设计方法如下： 步骤一:对电流探头的制作材料进行选择； 为了提高电流探头在低频20Hz-10kHz的测试灵敏度，并兼顾高频10kHz-500MHz的测试 灵敏度特性，选择磁导率远高于商用锰锌铁氧体的铁基超微晶作为电流探头的磁芯材料； 步骤二:给出电流探头的尺寸和结构； 电流探头磁芯使用材料后，需要对探头的整体结构进行计算设计，采用电磁场数值计 算方法，对电流探头进行建模计算，优化电流探头的结构;所述电流探头分为五层结构，最 外层和最内层为厚度1.5毫米-2.5毫米的屏蔽壳体，电流探头屏蔽壳体使用高电导率材料 黄铜或紫铜或高纯度银质材料；电流探头中间为厚度8毫米-10毫米的磁芯，磁芯使用铁基 超微晶合金;磁芯到电流探头外层屏蔽壳体之间是厚度为4毫米-5毫米的绝缘材料;磁芯到 电流探头内层屏蔽壳体之间是厚度为6毫米-8毫米的内层绝缘材料，绝缘材料选择高电阻 率材料聚四氟乙烯，全氟乙烯或聚丙烯材料；电流探头的磁芯宽度为24毫米-26毫米，磁芯 外层绝缘材料宽度为32毫米-36毫米。2. 根据权利要求1所述的一种用于传导发射测试的高灵敏度宽带监测电流探头，其特 征在于:所述电流探头在低频段20Hz-10kHz，电流探头测试灵敏度高于相同功能商用探头 15dB以上，在高频段10kHz-500MHz，电流探头测试灵敏度能够达到同类商用探头的指标。
【文档编号】G01R31/00GK105974180SQ201610616903
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】苏东林, 吕冬翔, 刘焱, 陈尧
【申请人】北京航空航天大学