電流探頭用于輻射預測試的原理方法

電磁兼容公眾號2023年7月27日發(fā)表的《電流探頭用于傳導輻射測試和診斷分析的方法》介紹了電流探頭的應用方法，但受內(nèi)容和篇幅限制未對電流探頭用于輻射預測試的原理進行詳細闡述導致工程師閱讀和理解困難，因此在這篇進行補充說明。

該方法的產(chǎn)生主要經(jīng)歷了功率吸收鉗法、電磁鉗法、電流探頭法三個階段，逐步從輻射問題的診斷分析手段擴展成輻射的預測試方法，是在長期EMC研發(fā)實踐活動中探索總結(jié)出來的實用方便高效的輔助EMC設(shè)計的方法。

本文描述這個發(fā)展過程，并對相關(guān)原理進行解釋并提供一些佐證，供大家參考和一起探討。

一、功率吸收鉗用于輻射診斷分析

在國內(nèi)EMC行業(yè)早期階段由于理論和經(jīng)驗不足且缺乏用于輻射診斷分析的工具，對于輻射問題只能采取拔插線纜、增加磁環(huán)等手段，不能定性定量地解決問題，而一部分行業(yè)先行者開創(chuàng)性地使用標準測試工具進行輻射診斷分析取得了很好的突破。功率吸收鉗由于應用頻率與輻射重合而首先被開發(fā)應用于輻射診斷測試。

功率吸收鉗（absolving clamp）是CISPR14?電動工具和家用電器EMC標準中采用的進行線纜發(fā)射功率的測量的標準設(shè)備，并由CISPR16-1-3定義技術(shù)規(guī)格。功率吸收鉗測試法與輻射發(fā)射測試方法都能夠評估30-300MHz頻段線纜的發(fā)射，限值與輻射發(fā)射限值存在相關(guān)性。

圖一 功率吸收鉗實物圖與原理示意圖

功率吸收鉗對輻射信號的測量能力從基礎(chǔ)標準給出的示意圖上可以看出。功率吸收鉗以端口3個磁芯作為電流耦合器件，將線纜上的射頻共模電流信號耦合匹配之后送入到接收機，通過校準系數(shù)換算就能得到被測線纜的射頻發(fā)射功率。校準方法如下。

圖二 功率吸收鉗校準方法示意圖

功率吸收鉗的校準采用網(wǎng)絡(luò)分析儀S21插損方法，50Ω系統(tǒng)下使用107dBμV對應0dBm進行電壓值到功率值的系數(shù)換算。使用校準系數(shù)進行補償之后，功率吸收鉗測試頻譜與輻射發(fā)射的頻譜存在強相關(guān)關(guān)系。2008年到2012年艾默生網(wǎng)絡(luò)能源EMC團隊工程師利用功率吸收鉗進行各種線纜輻射發(fā)射問題的診斷分析和整改，獲得了非常好的工程實踐收效。

二、電磁鉗用于輻射診斷分析

功率吸收鉗在輻射問題診斷分析上的高效應用推動了類似功能的電磁鉗的應用研究。電磁鉗（EM-clamp）是IEC61000-4-6傳導抗擾度測試用于線纜注入的耦合注入設(shè)備，由于注入和接收的互易性，同樣可以用于測量線纜上的輻射發(fā)射問題診斷分析和整改驗證。

圖三 ?放在校準夾具中的電磁鉗實物圖與原理示意圖

與功率吸收鉗相比，電磁鉗使用所有磁芯進行磁耦合且使用寬的金屬箔作為次級線圈，同時具有強的磁耦合和容性耦合能力。電磁鉗用于輻射診斷分析依舊需要對耦合系數(shù)進行校準。

圖四 電磁鉗耦合系數(shù)校準方法

圖五 電磁鉗耦合系數(shù)

電磁鉗作為標準EMS注入設(shè)備在150Ω系統(tǒng)下進行校準耦合系數(shù)，用于輻射診斷和分析需要在50Ω系統(tǒng)下校準。需要注意電磁鉗靈敏度很高會將環(huán)境電磁噪聲干擾通過測試線纜耦合到測試端口，因此實際使用中要注意區(qū)分背景噪聲或增加共模阻抗進行抑制。艾默生網(wǎng)絡(luò)能源EMC研究室在使用功率吸收鉗和電磁鉗進行輻射問題診斷分析中累積了很多經(jīng)驗，使這兩件標準測試設(shè)備成為問題診斷分析工具箱中高效工具。

三、電流探頭用于輻射診斷分析

由于吸收鉗和電磁鉗尺寸和體積較大，在大型系統(tǒng)、復雜線纜系統(tǒng)的輻射診斷分析中受到限制，因此更為靈活方便的電流探頭用于輻射診斷分析的方法被開發(fā)應用出來。2012年到2019年間飛利浦醫(yī)療（蘇州）公司使用電流探頭作為輻射診斷分析工具，在大型醫(yī)療系統(tǒng)EMC開發(fā)設(shè)計中取得了很好的效果。同時在飛利浦創(chuàng)新中心EMC專家Dr.Marcel van Doorn的指導下將電流探頭拓展應用到輻射預測試，使電流探頭成為大型復雜系統(tǒng)的EMC診斷、預測試、設(shè)計活動中重要的一種基礎(chǔ)常備工具。2020-2024年索恩格汽車零部件公司在車標零部件EMC開發(fā)活動中應用電流探頭進行CISPR25的各項發(fā)射測試以及診斷分析，其中電流探頭電流法的測試結(jié)果與車標電壓法、輻射測試結(jié)果的一致性進一步驗證了電流探頭應用于EMI預測試的前景。電流探頭的基本結(jié)構(gòu)和原理以及應用在此不做敘述，在此僅對電流探頭用于一般輻射預測試原理和一些實驗數(shù)據(jù)進行說明。

電流探頭用于輻射預測試（pre-test）的基本原理

功率吸收鉗、電磁鉗、電流探頭用于輻射問題的診斷分析都取得很好的效果，是因為三者都是通過線纜共模電流來評估遠場發(fā)射。實際產(chǎn)品大部分輻射發(fā)射都是通過線纜形成的天線進行傳輸?shù)?，因此線纜輻射發(fā)射的物理現(xiàn)象遵循經(jīng)典的天線電磁輻射發(fā)射模型和物理公式。經(jīng)典電磁理論中射頻電流與遠場電場的相互關(guān)系如下：

圖六天線發(fā)射產(chǎn)生輻射電場的基本公式

該公式中，天線增益和天線阻抗是常量，距離R的遠場電場強度E僅與天線輸入功率P相關(guān)，而功率P是位移電流i的因變量，所以結(jié)合兩個公式只有電流i是遠場電場E的唯一自變量，這表明天線上的位移電流（共模電流）與遠場電場之間存在嚴格的對應關(guān)系，通過測量天線上位移電流就能對遠場輻射電場的大小進行換算。以下用常見半波偶極子天線為例進行計算。

圖七 半波偶極子天線的電流限值計算

輻射發(fā)射測試的雙錐天線、對數(shù)天線都屬于半波偶極子天線，其增益和阻抗是確定值。利用公式計算出40dBμV/m（3m法CLASS B?限值）的電流限值為5uA，但考慮自由空間與輻射測試標準開闊場地面反射差異，電流限值應當降低到3uA（5dB換算），轉(zhuǎn)換為對數(shù)限值10dBμA，對應電壓值為44dBμV。通過天線的發(fā)射原理能夠?qū)⑻炀€電場強度與位移電流聯(lián)系起來，也就能夠通過線纜共模電流來計算電場強度，再結(jié)合輻射發(fā)射的測試場地原理以及輻射發(fā)射的限值，就能得到滿足相應輻射標準的線纜共模電流限值，也就是說工程上能夠通過線纜上的共模電流評估遠場的輻射發(fā)射水平，就是電流探頭用于輻射發(fā)射預測試的基本原理。以下針對電流探頭結(jié)果和輻射電場測試結(jié)果進行一些對比研究。

電流探頭共模測試結(jié)果與輻射測試的比較

開闊場和半電波暗室的電場測試方法是輻射發(fā)射的實用且可靠的標準測量方法，而電流探頭測試共模電流評估輻射發(fā)射的方法由于原理差異與工程實踐之中的應用偏差和誤差是不能替代輻射電場測試的，但這并不影響我們利用這個原理進行設(shè)計階段的預測試和診斷分析，尤其針對單一線纜的產(chǎn)品，該兩種方法測試結(jié)果一致性非常高。以下為同一樣品的雙錐天線輻射測試結(jié)構(gòu)與線纜電流測試結(jié)果的實測比較：

圖八 電流探頭測量線纜上的共模電壓頻譜圖

圖九 雙錐天線測量電場頻譜圖比對

可以看到實際線纜上的共模電流與遠場電場超標包絡(luò)相似，共模電流超標幅值略大，可以認為兩者測試結(jié)果存在一致性。實測中，當電纜的長短、走線變化、增加屏蔽或阻抗時，線纜上的共模電流的與輻射電場變化也是趨同的，因此電流探頭可以作為一種輻射整改快速驗證工具，共模電流測試也可以作為輻射發(fā)射快速預測試評估的方法。

雙錐天線發(fā)射電流的測量

飛利浦醫(yī)療進行天線共模電流測量演示時也發(fā)現(xiàn)了共模電流與天線電場的相關(guān)性佐證。通過對天線注入固定的射頻電壓，測量雙錐天線對外輻射出的電流，可以直觀的查看兩者之間聯(lián)系。

圖十 ?實測雙錐天線電流

實驗采用跟蹤源向天線注入80dBuV的射頻電壓信號，電流探頭測量雙錐天線一極的電流轉(zhuǎn)換的電壓信號，用于粗略觀測天線的射頻電流以及天線對電流探頭的耦合。測試結(jié)果曲線中最下面一條為原始插入損耗，中間曲線增加天線系數(shù)補償，最上一條曲線是再增加電流探頭系數(shù)補償。增加系數(shù)補償后曲線在80dB左右，從側(cè)面能為電流與電場的相關(guān)性提供一定佐證。

電流探頭測試與輻射測試距離的研究

2014年在與飛利浦醫(yī)療創(chuàng)新中心Dr.Marcel van Doorn和Ms.Konika Banerjee進行大型系統(tǒng)的輻射發(fā)射測試距離、天線高度影響的研究時發(fā)現(xiàn)輻射測試結(jié)果并不遵循嚴格的換算關(guān)系，但共模電流測量結(jié)果卻能覆蓋不同距離不同高度的超標頻譜且幅值接近。

圖十二 用于輻射比對的信號源的電流發(fā)射頻譜圖引用自《Comparison radiated emission at 10 m, 3 m, and 1 m distance For large systems》，2014年3月。輻射天線測試方法受場地和天線本身的影響頻譜會有一定起伏變化，而共模電流的頻譜更為連續(xù)且穩(wěn)定，這個測試結(jié)果也揭示了使用電流探頭進行輻射預測試實踐中的一個重要的原則：共模電流通過限值是輻射發(fā)射通過的充分非必要條件。

也就是說輻射電場發(fā)射超標則對應共模電流必定超標，而共模電流超標需要天線在特定距離和高度才可能測試到輻射電場超標，共模電流的測試結(jié)果往往比天線測試結(jié)果更嚴格，工程實踐中需要注意這種正常的測試現(xiàn)象。電流探頭用于輻射發(fā)射診斷分析的方法被飛利浦醫(yī)療研發(fā)工程師廣泛使用，并且多位系統(tǒng)工程師掌握了電流探頭一次完成傳導輻射預測試的操作方法，在各種大型復雜醫(yī)療系統(tǒng)的EMC設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。

電流探頭用于輻射測試的原理小結(jié)

電流探頭用于輻射預測試的方法經(jīng)歷了很長一段時間的發(fā)展，是EMC工程師為解決工程實踐中的問題而不斷探索不斷完善而總結(jié)出來的方法。功率吸收鉗、電磁鉗、電流探頭的應用使輻射問題的分析突破了場地和設(shè)備限制，大大提高實際效率?！肮材ｋ娏魇禽椛浒l(fā)射的源頭”是測量共模電流評估輻射發(fā)射的理論基礎(chǔ)，而輻射限值對共模電流限值的換算為電流探頭用于輻射預測試開辟了實際應用的道路。電流探頭的該項應用能夠輔助EMC工程師進行輻射問題的診斷分析和預測試，能夠極大提高研發(fā)EMC設(shè)計能力。

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