一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭，屬于電磁傳導(dǎo)發(fā)射測試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過等效電路和高頻電磁場相結(jié)合的計算方法，設(shè)計研制了一種高靈敏度寬帶電流監(jiān)測探頭。本發(fā)明的電流探頭根據(jù)等效電路計算結(jié)果，使用新型材料作為磁芯，并根據(jù)電磁場仿真計算結(jié)果確定結(jié)構(gòu)尺寸。本發(fā)明的電流探頭與商用探頭進行了試驗比對，比對結(jié)果表明，本發(fā)明的電流探頭在低頻段20Hz?10kHz，電流探頭測試靈敏度高于商用探頭15dB以上，在高頻段10kHz?500MHz，其傳輸阻抗能夠達或超過到商用探頭測試靈敏度指標(biāo)，本發(fā)明的電路探頭性能滿足電磁兼容型傳導(dǎo)發(fā)射試驗要求。
【專利說明】
一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電磁兼容性測試技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是設(shè)計研制一種用于傳導(dǎo)發(fā)射 測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 被試品傳導(dǎo)發(fā)射是電磁兼容性試驗的核心考核內(nèi)容之一，傳導(dǎo)發(fā)射試驗一般分為 利用線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)測試被試品的傳導(dǎo)發(fā)射電壓和利用電流探頭測試被試品的傳導(dǎo)發(fā) 射電流兩種類型。電流探頭測試法，是通過將電流探頭卡到被試線纜上，感應(yīng)有信號通過的 線纜束產(chǎn)生的電磁場，利用接收機接收探頭感應(yīng)到的端口電壓，再對測試結(jié)果進行計算，從 而得到被試線纜中的電流強度。
[0003]線纜傳導(dǎo)發(fā)射電流探頭感應(yīng)測試法因為其試驗方法簡單，對試驗環(huán)境條件要求較 低，越來越受到試驗測試人員的重視。近年來，有研究人員提出了利用電流探頭替代線性阻 抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)測試傳導(dǎo)發(fā)射電壓的方法，該方法對電流探頭的應(yīng)用進行了進一步的拓展，使 電流探頭在電磁兼容測試領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
[0004] 根據(jù)國際無線電管理委員會CISPR-16-1對電磁兼容性試驗中電流探頭使用的規(guī) 定，結(jié)合不同專業(yè)類電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對電流探頭的使用要求，可以分析出，測試傳導(dǎo)發(fā)射用的 電流探頭，其使用頻率從20Hz應(yīng)用到500MHz。
[0005] 目前，商用電流探頭在低頻頻段，由于其使用的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素影響，在較 低頻段其傳輸阻抗特性較差，特別是寬頻帶電流探頭，在較低頻段，其傳輸阻抗接近測試設(shè) 備靈敏度極限，影響傳導(dǎo)發(fā)射試驗在低頻的測試結(jié)果精度。針對這種情況，本發(fā)明并研制了 一種新型寬帶電流探頭，其在低頻段具有較高的傳輸阻抗，能夠顯著提高電流探頭在低頻 段的使用性能和測試靈敏度，并且，在高頻段特性滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試精度，適用于不同頻 段傳導(dǎo)發(fā)射測試需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開了一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭，本發(fā)明所述 的電流探頭在低頻段20Hz-10kHz，電流探頭測試靈敏度高于相同功能商用探頭15dB以上， 在高頻段10kHz-500MHz，電流探頭測試靈敏度能夠達到同類商用探頭的指標(biāo)，適合于電磁 兼容試驗中的傳導(dǎo)電流發(fā)射測試。
[0007] 本發(fā)明提供一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭，具體步驟如 下：
[0008] 步驟一:對電流探頭的制作材料進行選擇；
[0009] 為了提高電流探頭在低頻20Hz-10kHz的測試靈敏度，并兼顧高頻10kHz-500MHz的 測試靈敏度特性，選擇磁導(dǎo)率遠高于商用錳鋅鐵氧體的鐵基超微晶作為電流探頭的磁芯材 料。
[0010] 步驟二:給出電流探頭的尺寸和結(jié)構(gòu)；
[0011] 電流探頭磁芯使用材料后，需要對探頭的整體結(jié)構(gòu)進行計算設(shè)計，采用電磁場數(shù) 值計算方法，對電流探頭進行建模計算，優(yōu)化電流探頭的結(jié)構(gòu)，得到電流探頭的優(yōu)化尺寸。 本發(fā)明所述電流探頭分為五層結(jié)構(gòu)，電流探頭尺寸如附圖3所示。電流探頭最外層和最內(nèi) 層，圖3中為(r?和r 6-r5)，是厚度1.5毫米-2.5毫米的屏蔽殼體；電流探頭屏蔽殼體使用 高電導(dǎo)率材料，考慮到成本和經(jīng)濟實用因素，選用黃銅或紫銅較好，如果成本允許，最好選 用高純度銀質(zhì)材料；電流探頭中間是厚度8毫米-10毫米的磁芯，圖3中為(r 4-r3)，磁芯使用 鐵基超微晶合金;磁芯到電流探頭外層屏蔽殼體之間是厚度為4毫米-5毫米的絕緣材料，圖 3中為(r 5-r4);磁芯到電流探頭內(nèi)層屏蔽殼體之間是厚度為6毫米-8毫米的內(nèi)層絕緣材料， 圖3中為(r 3-r2)，絕緣材料選擇高電阻率材料聚四氟乙烯，全氟乙烯或聚丙烯材料；電流探 頭的磁芯寬度為24毫米-26毫米，圖3中為出，磁芯外層絕緣材料寬度為32毫米-36毫米，圖3 中為Wi。本發(fā)明所述電流探頭允許制作誤差在百分之五之內(nèi)。
[0012] 步驟三:對制作的電流探頭進行測試，驗證電流探頭的寬帶特性及靈敏度特性；
[0013] 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO的規(guī)定，對本發(fā)明的電流探頭進行測試驗證，并將本發(fā)明的電流 探頭特性與同類型的商用電流探頭對比，證明本發(fā)明的優(yōu)越性。
[0014] 電流探頭在低頻段20Hz-10kHz，電流探頭測試靈敏度高于相同功能商用探頭15dB 以上，在高頻段10kHz-500MHz，電流探頭測試靈敏度能夠達到同類商用探頭的指標(biāo)。
[0015] 本發(fā)明一種新型線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的分析與設(shè)計方法的優(yōu)點在于:本發(fā)明給出一 種用于傳導(dǎo)發(fā)射試驗的高靈敏度寬帶電流監(jiān)測探頭，本發(fā)明電流探頭使用鐵基超微晶合金 材料作為磁芯，并根據(jù)電磁場理論計算確定其結(jié)構(gòu)尺寸。本發(fā)明所述電流探頭與商用探頭 進比較。在低頻段20Hz-10kHz，本發(fā)明電流探頭分別與美國Solar公司的同類探頭So-9207-1N和FCC公司的同類探頭F-16A比較，本發(fā)明的電流探頭測試靈敏度高于商用探頭15dB以 上;在高頻段10kHz-500MHz，本發(fā)明電流探頭分別與美國Solar公司的同類探頭So-9123-lN 與FCC公司的同類探頭F-55比較，本發(fā)明電流探頭的測試靈敏度能夠達到商用探頭指標(biāo)，測 試靈敏度滿足電磁兼容型傳導(dǎo)發(fā)射試驗要求。
【附圖說明】
[0016] 圖1是電流探頭的等效電路原理圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明實現(xiàn)過程圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明電流探頭的結(jié)構(gòu)尺寸圖；圖3左圖為電流探頭平行放置剖面圖，描述 了探頭的內(nèi)外徑尺寸;右圖為電流探頭垂直放置剖面圖，描述了探頭的高度和寬度尺寸；
[0019] 圖4是電流探頭特性測試配置圖；
[0020] 圖5是電流探頭測試校準(zhǔn)配置圖；
[0021] 圖6是從20Hz到1MHz本發(fā)明電流探頭與商用探頭的對比圖；
[0022]圖7是從10kHz到500MHz本發(fā)明電流探頭與商用探頭的對比圖。
【具體實施方式】
[0023 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024]本發(fā)明提供一種傳導(dǎo)發(fā)射試驗用高靈敏度寬帶電流監(jiān)測探頭，探頭的設(shè)計研制及 組成結(jié)構(gòu)按照以下步驟進行，如圖2所示。
[0025] 步驟一:對電流探頭的制作材料進行選擇；
[0026] 根據(jù)圖1所示的電流探頭等效電路原理圖，對電流探頭的傳輸特性進行計算分析。 在等效電路中，被試線纜等效為互感電路的初級單匝線圈，其自感遠小于電路互感，可以在 計算中忽略;在該電路中，Ls代表互感電路的次級自感;Lm代表被試線纜和探頭之間的電路 互感;Ip代表被試線纜中的電流;Is代表電路次級的感應(yīng)電流;Rs代表探頭繞組的自阻抗;Ro 代表探頭負載阻抗;Rm代表探頭磁芯隨頻率增加而產(chǎn)生的損耗阻抗;C代表互感電路次級隨 被試頻率增加而產(chǎn)生的分布電容;Vo代表負載端電壓。根據(jù)電流探頭傳輸阻抗的定義，傳輸 阻抗為：
[0027]
* ^
[0028] 當(dāng)電流探頭等效互感電路工作在低頻時，磁芯損耗電阻和分布電容很小，在計算 中可以忽略；電路次級線圈自阻抗Rs與負載阻抗Ro相比很小，也可在計算中忽略。將電路初 級等效為帶電流源的通電單匝線圈，根據(jù)基爾霍夫定理，可得：
[0029] j〇LMIP = j〇 (Ls+Lm)Is+IsRo (2)
[0030] 根據(jù)電流探頭傳輸阻抗的定義可得：
(3)
[0031]
[0032] 其中，ω為被測電流的角頻率(rad/sVAy^1)-，即被測頻率
時， 該公式經(jīng)過整理變換后，可得：
[0033]
(4)
[0034] 從公式(4)可知，當(dāng)電流探頭工作在較低的頻率時，導(dǎo)線中的電流頻率f較小，隨著 頻率的增加，傳輸阻抗Zt線性增加。
[0035] 為了提高試驗測試精度和試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，最重要的就是增加電流探頭在低頻工 作時的測試靈敏度。增加電流探頭的低頻測試靈敏度，需要增加電流探頭的低頻傳輸阻抗。 根據(jù)公式(4)所示，電流探頭的低頻傳輸阻抗特性只與工作頻率和探頭與被試線纜之間的 互感有關(guān)。依據(jù)兩級通電線圈的互感計算公式：
[0036]
C5)
[0037] 公式(5)中，K為線圈間耦合系數(shù)，傳導(dǎo)電流發(fā)射試驗等效電路中，在低頻工作時， 由于探頭磁芯的磁導(dǎo)率高，漏磁很小，可以近似認為兩級線圈間耦合系數(shù)約等于1。由公式 (5)可知，要提高互感Lm，只有提高兩級線圈的自感。對于電磁傳導(dǎo)電流發(fā)射試驗，被試線纜 確定，其等效電路的初級也就確定，提尚互感只能通過提尚電路次級，也就是提尚探頭的自 感來實現(xiàn)。根據(jù)線圈自感的定義公式：
[0038]
(6
[0039] 其中μ真空磁導(dǎo)率，值為431*1〇〃％為磁芯的相對磁導(dǎo)率;N為線圈的匝數(shù);S為線圈 的橫截面積，單位為平方米;1代表線圈的長度，單位為米;k代表線圈的系數(shù)，k的值取決于 線圈半徑與長度的比值。
[0040] 從公式(6)可知，探頭的自感特性主要與磁芯材料和探頭內(nèi)部線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，為 了提高探頭的低頻工作性能，需要選取工作頻段內(nèi)磁導(dǎo)率盡可能高的材料，并且，考慮的磁 滯飽和等問題，為了使探頭具有良好的低頻特性，同時兼顧高頻使用特性，根據(jù)使用需求， 選取了鐵基超微晶合金作為電流探頭的磁芯。
[0041] 步驟二:給出電流探頭的尺寸和結(jié)構(gòu)；
[0042]為了提高電流探頭低頻工作性能，同時保證其在高頻段的使用特性，由于電流探 頭工作在高頻時，電流探頭等效電路的分布參數(shù)效應(yīng)影響明顯，其傳輸阻抗呈非線性，利用 等效電路公式已不能對電流探頭傳輸阻抗進行準(zhǔn)確計算。因此，對電流探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通 過電磁場數(shù)值仿真軟件，仿真計算不同尺寸結(jié)構(gòu)對電流探頭高頻工作性能的影響，并通過 計算結(jié)果確定電流探頭的尺寸。
[0043]電流感應(yīng)探頭的主要結(jié)構(gòu)由探頭內(nèi)外屏蔽體，內(nèi)部磁芯，包裹磁芯的絕緣材料和 纏繞在磁芯上的繞線構(gòu)成。每一種材料的尺寸結(jié)構(gòu)對電流探頭傳輸特性都有影響，綜合仿 真并考慮優(yōu)化不同尺寸結(jié)構(gòu)對電流探頭高頻傳輸特性的影響規(guī)律，得到高頻傳輸特性相對 理想的電流探頭結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，本發(fā)明所述電流探頭共分為五層結(jié)構(gòu)。最外層和最內(nèi) 層為厚度2毫米的屏蔽殼體，殼體材料使用黃銅；電流探頭中間為厚度10毫米的磁芯，磁芯 使用鐵基超微晶合金;磁芯到屏蔽殼體之間是厚度為分別為5毫米和8毫米的內(nèi)層和外層絕 緣材料，絕緣材料為聚四氟乙烯。電流探頭的磁芯寬度為26毫米，磁芯外層絕緣材料寬度為 34毫米。
[0044]步驟三:對制作的電流探頭進行測試，驗證其寬帶特性及靈敏度特性。
[0045] 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織IS011452-4對電流監(jiān)測探頭的測試規(guī)定，測試驗證電流探頭的 傳輸阻抗。電流探頭傳輸阻抗通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)夾具和50歐姆同軸負載進行測試。 測試配置如圖4所示，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口 1和端口 2分別用射頻線纜連接到電流探頭 校準(zhǔn)夾具的輸入端和電流探頭的輸入端，校準(zhǔn)夾具的輸出端接50歐姆的匹配負載。調(diào)試矢 量網(wǎng)絡(luò)分析儀，查看電流探頭的傳輸系數(shù)，即矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上顯示的S 21的值，通過計算得 到電流探頭的傳輸阻抗。
[0046] 根據(jù)IS011452-4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對電流探頭傳輸阻抗測試之前，首先需要對校準(zhǔn)裝 置進行校準(zhǔn)，按照圖5所示，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析對校準(zhǔn)夾具和負載進行校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)的回波 損耗Sn的結(jié)果，計算校準(zhǔn)夾具和負載的駐波比，當(dāng)駐波比小于1.2時，認為該測試裝置自校 準(zhǔn)通過，滿足對電流探頭傳輸特性進行測試的能力，可以進行電流探頭傳輸阻抗的測試。
[0047] 通過對電流探頭的測試，根據(jù)電流探頭傳輸阻抗的定義，對電流探頭實際測試出 的傳輸特性曲線進行計算，計算公式如式7所示。
[0048] Zx(dBQ ) = 34(dBQ )+S2i(dB) (7)
[0049] 本發(fā)明的電流探頭工作頻率為20Hz-500MHz。為了驗證電流探頭在低頻的傳輸特 性，將電流探頭與主流商用監(jiān)測電流探頭比較，在低頻段本發(fā)明給出的電流探頭與Solar公 司和FCC公司的低頻電流探頭進行比較。
[0050] 美國Solar公司的電流探頭SO-9207-1N，其工作頻段為20HZ-150MHZ，美國FCC公司 的電流探頭F-16A，其工作頻段為Ι0Hz-ΙΟΟΜΗζ，本發(fā)明給出電流探頭與這兩種電流探頭的 傳輸阻抗進行測試對比，對比曲線如圖6所示。
[0051] 為了驗證本發(fā)明電流探頭在高頻的傳輸特性，與主流商用監(jiān)測電流探頭比較，本 發(fā)明的電流探頭在射頻頻段傳輸阻抗與Solar公司和FCC公司的寬帶高頻電流探頭進行比 較。
[0052] 美國Solar公式的So-9123-lN，其工作頻段為10kHz-500MHz，美國FCC公司的F-55， 其工作頻段為10kHz-500MHz，本發(fā)明給出電流探頭與這兩種電流探頭的傳輸阻抗進行測試 對比，對比曲線如圖7所示。
[0053] 從圖6和圖7中可以看出，本發(fā)明給出的電流探頭在低頻時，特別是從20Hz到 10kHz，其傳輸阻抗遠大于商用探頭，在20Hz頻點，本發(fā)明的電流探頭比美國FCC公司的F-16A同類探頭高16dB，比美國Solar公司的So-9207-lN同類探頭高40dB。即本發(fā)明電流探頭 的測試靈敏度在20Hz比商用電流探頭高至少15dB。在20Hz到10kHz頻段，本發(fā)明的電流探頭 測試靈敏度全面高于商用電流探頭，而在10kHz到500MHz，本發(fā)明的電流探頭測試靈敏度能 夠達到商用電流探頭的水平，因此本發(fā)明的電流探頭具有比商用電流探頭更加優(yōu)越的性 能。
[0054]提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修 改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭，其特征在于設(shè)計方法如下： 步驟一:對電流探頭的制作材料進行選擇； 為了提高電流探頭在低頻20Hz-10kHz的測試靈敏度，并兼顧高頻10kHz-500MHz的測試 靈敏度特性，選擇磁導(dǎo)率遠高于商用錳鋅鐵氧體的鐵基超微晶作為電流探頭的磁芯材料； 步驟二:給出電流探頭的尺寸和結(jié)構(gòu)； 電流探頭磁芯使用材料后，需要對探頭的整體結(jié)構(gòu)進行計算設(shè)計，采用電磁場數(shù)值計 算方法，對電流探頭進行建模計算，優(yōu)化電流探頭的結(jié)構(gòu);所述電流探頭分為五層結(jié)構(gòu)，最 外層和最內(nèi)層為厚度1.5毫米-2.5毫米的屏蔽殼體，電流探頭屏蔽殼體使用高電導(dǎo)率材料 黃銅或紫銅或高純度銀質(zhì)材料；電流探頭中間為厚度8毫米-10毫米的磁芯，磁芯使用鐵基 超微晶合金;磁芯到電流探頭外層屏蔽殼體之間是厚度為4毫米-5毫米的絕緣材料;磁芯到 電流探頭內(nèi)層屏蔽殼體之間是厚度為6毫米-8毫米的內(nèi)層絕緣材料，絕緣材料選擇高電阻 率材料聚四氟乙烯，全氟乙烯或聚丙烯材料；電流探頭的磁芯寬度為24毫米-26毫米，磁芯 外層絕緣材料寬度為32毫米-36毫米。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于傳導(dǎo)發(fā)射測試的高靈敏度寬帶監(jiān)測電流探頭，其特 征在于:所述電流探頭在低頻段20Hz-10kHz，電流探頭測試靈敏度高于相同功能商用探頭 15dB以上，在高頻段10kHz-500MHz，電流探頭測試靈敏度能夠達到同類商用探頭的指標(biāo)。
【文檔編號】G01R31/00GK105974180SQ201610616903
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】蘇東林, 呂冬翔, 劉焱, 陳堯
【申請人】北京航空航天大學(xué)